夹杂-软基体复合材料的界面力学特性多尺度实验研究

Composite materials composed by inhomogeneous media, e.g. the fibers, particles, holes, etc, and various matrix matter exhibit excellent thermal, mechanical and chemical properties. Study the distribution of mechanical field inner such kind of composite materials is very significant for figuring out the mechanical behavior of the materials and designing new materials, which is concerned by researchers in the field of composite materials mechanics, micro-mechanics and elasticity. Although various theoretical models can solve many problems and the development of finite element technology also can provide useful analysis, there is relatively less experimental work, especially a lack of a systematic and comprehensive study. With the support of the National Natural Science Foundation of China, this project is planning to develop the measurement technology for the deformation field of inclusion/soft matrix composite material, and establish a reasonable theoretical model basing on the measured data. By means of digital image correlation method, in-situ scanning electron microscope technology, we plan to evaluate the deformation and stress distribution near the contact area of soft composite materials from both macro and micro-scale, considering a variety of inclusions with different elastic modulus, shape, size and distribution. Further, we plan to consider the influence of thermal/mechanical coupling condition, in-depth investigating the law of contact interface mechanics and load transfer mechanism of soft matrix composite materials.

由纤维、颗粒等非均匀介质与软基体材料混合构成的复合材料具有良好的热学、力学和化学性能，其内部界面的结构及力学特性直接影响了细观损伤的产生和扩展，进而决定了复合材料的韧性、刚度、强度等使用性能。虽然各种理论分析及有限元技术已经给出了一些解答，但系统而全面的实验研究工作较少，且由于受到软基体材料多重非线性、大变形及随时间变化的特性影响，仍存在很多问题需要不断深入探讨。本项目拟在国家自然科学基金的支持下，发展含夹杂软基体复合材料的变形场测量方法，根据测量结果研究复合材料在关键结构层次的界面结合力和稳定性。通过数字图像相关方法、扫描电镜等实验手段，从宏微观尺度观测软基体材料与各种不同弹性模量、形状、尺寸、分布的夹杂在界面区域附近的变形、受力情况，并进一步考虑热/力耦合作用对接触界面的影响，深入认识含夹杂软基体复合材料的界面力学规律及载荷传递机制，进而确立软基体复合材料界面强化的新技术和新方法。

颗粒、纤维等非均匀介质对软基体材料内部结构及力学特性会产生直接影响。本项目利用光测实验力学方法，基于实验获取的材料变形和断裂力学变形参量场信息，研究了不同性质夹杂对于复合材料力学性能的影响。本项目发展了含夹杂软基体复合材料的变形场测量方法，改进了软基体材料内部制备栅线的技术，通过体内制栅数字云纹技术测量了全场位移以及应力应变分布，有效避免三维离面变形对面内变形测量的影响。根据测量结果探究圆柱形刚性夹杂对软基体材料在楔形压头及平底压头作用下的力学场变化，结果表明夹杂附近大部分区域的材料应力因受到夹杂的影响而增大，其中夹杂顶端的压应力和夹杂两侧的拉应力增幅最明显，是界面脱粘及材料破坏的重要影响因素。结合纳米压痕技术、扫描电镜等多种实验手段，研究颗粒夹杂体积分数及尺寸对复合材料整体宏观力学性能的影响，并进一步考虑夹杂对材料热稳定性的影响，深入认识含夹杂软基体复合材料的界面力学规律，进而确立软基体复合材料界面强化的新技术和新方法。观测复合材料中夹杂的形状等性质对软基体在载荷作用下的变形、受力影响情况，通过分析发现，异质夹杂对于材料的力学性质有明显影响，当夹杂与基体接触界面存在明显几何尖角时具有更高的应力集中系数，且基体的变形分区构型与尖角的角度直接相关。缝合与粘接是复合材料实际应用中常用的两种拼接修复手段，本项目分别对软基体复合材料与缝线接触区域附近的力学场、软基体复合材料在不同形状粘接界面附近的力学特性进行实验观测，结果表明，缝合或粘接后的软基体材料在承受外载作用时，在修复界面附近会呈现不同的变形特征，包括面内扩张区和收缩区，且各区域特征随缝线角度或粘接界面的几何形状而变化。此外，本项目将数字图像相关技术与盲孔法相结合，研究了含夹杂复合材料激光熔覆涂层在其厚度范围内的残余应力分布情况。