陶瓷基复合材料界面结合强度影响断裂过程的有限元研究.pdf

复合材料学报第26卷第5期10月2009年
ActaMateriaeCompositaeSinicaVol126No15October2009

文章编号:1000-3851(2009)05-0132-05
陶瓷基复合材料界面结合强度
影响断裂过程的有限元研究

李旭东1,张跃31,张凡伟1,张大海2,李仲平2
(1.北京航空航天大学材料科学与工程学院空天材料与服役教育部重点实验室,北京100191;
2.航天材料及工艺研究所先进功能复合材料技术国防科技重点实验室,北京100073)

摘要:提出了纤维增强复合材料断裂有限元模型,该模型既用弹簧单元考虑了基体与纤维之间的分离,又用
接触单元考虑了基体与纤维之间的摩擦,较真实地模拟了纤维增强复合材料的断裂过程。通过有限元计算,预测
了基体与纤维之间的界面结合强度对整个复合材料断裂模式的影响。还对强弱两种不同基体弹性模量的材料进
行进一步的探讨。对比其他文献,本文中预测结果与真实情况较为吻合。结果表明,对于纤维增强复合材料,不
论是强基体还是弱基体,适中的界面结合强度有助于提高其韧性及整体抗拉强度。
关键词:复合材料;界面结合强度;断裂模式;有限元法
中图分类号:TB332;TB330.1文献标志码:A

Finiteelementresearchontheeffectofinterfacialbondstrength
onfracturingprocessofceramicmatrixcomposites

LIXudong1,ZHANGYue31,ZHANGFanwei1,ZHANGDahai2,LIZhongping2
(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100191,China;
2.NationalKeyLaboratoryofAdvancedFunctionalCompositeMaterials,AerospaceResearch
InstituteofMaterialsandProcessingTechnology,Beijing100073,China)

Abstract:Thefiniteelementmethodwasemployedtosimulatethecrackgrowthbehaviorofceramicsmatrix
composites.Themodelusedthecombinedelementsforsimulatingtheseparationbetweenmatrixandfiberandthe
contactelementsforsimulatingthefrictionbetweenmatrixandfiber,consideringinterfacialbondstrengthonthe
basisofthefracturemodeloffiberreinforcedcomposites.Itpredictedthattheinterfacialbondstrengthbetween
matrixandfiberaffectsthefracturingprocessthroughFEMcalculationandstudiedtheimpactsonthecomposites
withdifferentelasticmoduliofmatrixforfurtherdiscussion.Comparedwithotherresults,thisresultshowedthat
themoderateinterfacialbondstrengthwassuitableforthecomposites,whetheritselasticmodulusofmatrixwas
“strong”or“weak”,toimprovethetoughnessandtensilestrength.
Keywords:composites;interfacialbondstrength;fracturescheme;finiteelementmethod

陶瓷材料本身是一种脆性材料,但经纤维增强Walter[1]用包含粘结单元的体元模型分析了SiC纤
后其韧性和强度都有提高,纤维/基体的界面对纤维增强硅酸铝钙中的界面损伤。Hashin[2]采用广
维增强陶瓷复合材料的断裂模式有很大的影响。一义自洽模型,把界面定义为应力与不连续位移存在
方面,界面对纤维与基体间的应力传递起着至关重线性关系的无厚度界面。Jones和Whither[3]的弹
要的作用;另一方面,界面也影响着复合材料在不性界面模型也认为