纤维增强铜基复合材料

纤维顶出出一个研究铜基复合材料与工程接口：模拟实验和凝聚力元素文章信息文章历史：2008年9月25日收稿2009年7月21日重新修订2009年9月1日发行重点;纤维顶出试验衔接区模型纤维增强铜基复合材料有限元模拟界面脱粘牵引分离法则摘要该纤维顶出试验是一种基本方法，探讨了纤维的力学性能/纤维增强金属基复合材料界面。

为了估计的界面性能，参数应进行校准测量负载位移数据和理论模型。

在软基复合材料的情况下，可能的塑料区域要进行校准考虑。

由于传统的剪滞模型是基于弹性行为，一个详细评估的塑料效果是需要准确的校准的。

在本文中，实验和模拟研究，提出了铜基复合材料与基体的塑性强大的界面结合效果。

显微图像表现出显着的塑性变形的区域全球领先的纤维负载位移曲线突出的非线性响应。

作为比较，没有化学键涂层界面也可以检测到而其中的非线性则不能够观察到。

一个先进的有限元建模是被用来完成一个推出有结合力的区域模型或相反的装置。

与测量的推出曲线完全吻合，实验结果证明了预测结果。

1. 介绍目前，用来加强铜基复合材料的连续在2002年碳化硅（SiC）纤维作为一种新型的高热量的热点材料得到了很高的关注。

一种可能的应用实例是核聚变反应的等离子面向组件。

在实践中带有碳保护涂层的厚SiC纤维是用来起到增强作用的。

最理想的复合材料的性能能通过铜和非常高强度的SiC纤维的热导性的结合来实现。

纤维的牢固结合面/基体界面的加载必须保证是从有延伸性的基体传导到牢固的纤维。

结力强通常是指在纤维表面的薄的反应膜形成一个稳定的化学粘合的接口。

界面的结合强度取决于最后的轴向和横向的载荷的施加量。

此外，界面的摩擦也有助于一些区域载荷量的承载，只要拉拔纤维时在附近的接口处产生了相当大的剪应力。

由于复合材料结构的设计通常取决于加强方向的载荷，剪切强度和摩擦应力是关键的界面性能，与结构的完整性有关。

界面的微观破坏特征将主要受分层纤维涂层的断裂，软基体的塑性变形影响。

该纤维顶出试验是来探测一个接口的机械特性最流行的方法之一。

负载位移曲线，从一个弹性单纤维试样的顶出试验得到，包括典型的四个特征阶段在图1给出。

阶段（一）具有线性弹性负荷，有完整的界面，阶段（二）减少刚度由于界面裂纹萌生和扩展，阶段（三）由于突然甩负荷完整的界面脱粘和阶段（四）纤维的摩擦滑动。

该界面参数校准通常是通过测量与预测与推出的数据数值拟合，可指在特定阶段或整个负荷位移曲线。

在铜基复合材料的例子中，弹性剪力滞后模型的有效性是被基体的塑性变形限制的。

另一方面，一些研究人员运用有限元法（FEM）来模拟光纤顶出（或拔出）测试。

贝克特和Lauke（1996）估计静态界面裂纹能量的释放率。

使用一个混合型断裂准则，他们确定了规定的脱粘裂纹长度扩展负载。

他们预言了拉出曲线到最大负荷。

阿迪等。

（1992年）进行了静态断裂力学有限元计算应力的混合模式的预定义大小的界面裂纹强度因子分析。

布赫霍尔茨和科贾（1997）应用断裂力学方法接近一个热强调纤维/基体界面。

他们计算开裂变形功和能量释放率并考虑到裂纹面接触摩擦。

钱德拉和Ananth（1995）用线弹簧元素去模拟一个应力为基础的破坏准则和法则适用的Coulomb摩擦界面是被应用了。

这种方法的一个显着的方面是模拟的先进性。

剪切强度校核是通过使用测顶出负载进行的。

Bechel和Sottos（1998）使用的接口接触原理是以库仑的摩擦力法则和有限的滑动公式为基础的。

他们使用一个迭代过程来确定脱粘长度和摩擦系数的校准。

Pochiraju等。

（2001年）使用一个基于Reissner’s的轴对称解决方案和有限元分析法的所谓轴对称损坏模型的应力分析。

两人的界面粘附造型能力，摩擦和正常剥离。

林等。

（2001年）提出一个先进的有限单元法利用内聚区域模型模拟一个线性的牵引分离法则（三态逻辑）。

他们获得负载下降在一个完全剥离的状态。

两人都是建模界面粘附，摩擦和正常的剥离能力。

钱德拉等。

（2002年）进行了比较研究，关于二种具有凝聚力的元素与谢瑞麟双线性和指数的表现做对比。

他们的模拟结果表明与实验相吻合到高峰负荷后负荷下降。

目前工作的目的是调研在接口处有和没有化学胶合的铜基SiC加固纤维复合材料的顶出反应。

科学兴趣主要集中在局部区域基体的塑性效应和界面层微观断裂行为。

为此，要进行大量的实验和计算的研究。

在这个文件中，推出测试结果，微观分析和有限元数值模拟模型是基于凝聚区域模型的提出。

这是表明，模拟结果预测测量的行为非常好，证明了显微观察。

2。

理论背景由于Barenblatt各种区域凝聚力模型的先驱工作被提出。

钱德拉等做了全面的审查。

对于影响谢瑞麟曲线形状范围特征的断裂行为的预测仍然是一个有争议的问题。

该理论的凝聚力区首次应用到接口问题是由尼德曼在1987年报告的。

他利用谢瑞麟典型曲线模仿界面正常的减聚力在颗粒复合型材料中的情况如（图2）。

三态逻辑是被应用到多项式和指数函数中。

他延伸他的模型到一个剪切和牵引实例中在1993年。

随后，梯形和三角形三态逻辑是被提出，分别由Tvergaard和Hutchinson在1992和Geubelle和贝勒在1998年提出。

根据钱德拉在2002年的研究，三角形的三态逻辑和指数的三态逻辑相比前者与实验结果更加一致。

一个有凝聚力的三态逻辑可以以两种不同的方式制定。

尼德曼在1987-1990年通过三台逻辑的分化分离引入了势函数的概念。

另外，三态逻辑被一个启蒙的标准和一个演变的法则定义成一个受损变量。

Camanho和达维拉在2002年根据他们的演变法则认为一个有凝聚力的单元刚度单调下降，而受损变量则会上升。

在这项工作中，我们使用一个特设定义三态逻辑从顶出试验获得数据。

所获得的谢瑞麟图两部分组成，即一个前和一个后的损伤域域。

线弹性三态逻辑是最初假定前发生的损害。

在最大牵引力，损害开始发展。

有紧密结合力的元素发生失效以及与破坏参数达到一致时被定义为刚度的完全损失。

我们使用的凝聚力元素是应用的有限元软件。

2.1 线弹性牵引分离法则分离向量δ定义为相对位移的两个接触面的元素都附加到一个有凝聚力的因素如下：δ={δn , δs}≡{u n^-u nˉ,u n^-u nˉ}=Δu (1)其中下标n和s分别表示正常和剪切组分，U^和uˉ表示最初的一两个接触重合节点定位对界面元素的位移。

名义上的牵引力矢量T，由一个正常组分T n的和一个剪切的组分T s组合而成。

名义应变是分色除以基本厚度的有结合力的元素t c。

t c设定为统一而实际厚度为零。

使用此设置，名义应变等同于δ：εn=δn/t c=δn ，εs=εs/t c=δs （2）元素的刚度变成等于材料的刚度。

非耦合弹性的塑性基本关系写成：T={T n,T s}=[K nn,K ns,K ns,K ss]{εn,εs}={δn,δs} （3）2.2 受损的萌生和演化一个有凝聚力的元素的损伤和失效的反应是由坚固参数的萌生和演化法则定义并被三态逻辑本身所控制的。

启动是指损伤刚度退化的开始。

在这项工作中的线性最大名义应力准则是被使用。

损伤时启动的最大名义应力比（定义见下文）达到统一：max[T n/T n°,T S/T S°]=1 (4)T n°和T S°分别代表最大名义标准和切应力值。

符号表示标志着一个纯粹的压力负荷不启动的损害。

损伤演化规律的描述的开始损伤后有效的物质刚度开始下降。

一个标量的变量，D是引入一个有凝聚力的代表元素的损伤状态捕捉所有有效机制的整体效应.这是从空白到统一的单调进化。

这个压力是由D进行修改的根据：T n=(1-D)T n (5a)T s=(1-D)T s (5b)T n和T s是现代的没有被损坏的拉紧力的预测的线塑性分量。

在这项工作中，损伤演化规律进行了标定使用由迭代反演拟合实测顶出曲线。

3. 材料及顶出试验3.1复合标本制作在过去加强商用碳化硅纤维（SCS6，特种材料，直径：140微米）是被经常使用。

该纤维包括在中央一个18目的碳单丝和一个50目的B- SiC的覆盖。

这个主体是2.5微米涂有掺杂碳化硅的双层碳棒而薄的0.5微米的非晶碳层是作为粘结层使用的。

掺碳双键的每一层都有不同的碳化硅浓度。

为了改善纤维和铜基之间的结合，一个0.15微米厚的超薄钛膜放在纤维上作为粘合剂使用磁控溅射。

该纤维进一步涂布，磁控溅射，形成了高品质的铜层致密接口。

一个80目厚的铜基在室温大约每平方厘米0.05安的电流用硫酸铜电镀浴作用8小时沉积在预涂层纤维上。

涂层纤维进一步在550C°高温处理2小时直至形成一层很薄的碳化钛膜的界面反应。

随后，该涂层纤维束被装在一个圆柱形的铜胶囊中，受到650C°与100兆帕的热等静压30分钟。

该纤维的加强区域直径为3.5毫米的钢筋区及其纤维体积其分数达到17％。

相邻的纤维之间的距离不低于160目。

最后，四坡复合材料棒被切成0.45，0.9和1.25毫米的薄片同时细小的圆滑的薄片达到1微米厚。

对不同的试样厚度进行了测试，以便能在不同的塑性变形对应不同的顶出荷载。

试样的最大厚度是被最大负载所限制的实在硬度计压痕打孔开始失败的时候。

另一方面，一个相似种类的复合材料样品是组合的，但也无钛薄膜生产的顶出曲线具有非常弱的界面剪切强度。

试样厚度为1.35，2.4和3.02毫米。

这种比较研究中，依据塑性反应应提供差异大的产出。

3.2 顶出试验顶出测试是在一个仪表化的设备中进行的。

单纤维被单独从基体中推了出来平面矩阵式硬质合金冲直径有100目其中一个是附设专用标本在一个0.5毫米厚的槽里。

应用的负荷是一个位移控制模型每秒1目的速度。

压痕深度直接通过该试验机加载装置的运动被测量。

4. 实验结果与讨论4.1 钛薄膜涂层界面在顶出曲线与钛的 1.25毫米厚的复合试样涂层界面，如图3。

该数据来自四个单独的测试，并呈现出良好的重现性。

该纤维的最终位移的横坐标是正常值（注册商标：光纤半径）。

最初曲线的开始处有线性弹性响应。

随后，曲线的走向通常是来自于线性表现线性度和钯的刚度还原略有偏差。

在附近的最大负荷Pmax的标本反应变得非常标准。

P最大平均值达到60N。

使用均衡器。

（6），平均界面剪切强度Ťd估计为102兆帕斯卡Ťd=P max/2πRL （6）那里的界面粘结面积为0.589平方毫米。

这Ťd值接近最大界面剪的T- S曲线的牵引为109 MPa的界面牵引切引力T S°密切接触的SD值。

一个显着特点是，围绕Pmax的位移进行的相当突然，直到负荷的下降，引起界面滑动的平均应力Ťs被估计为52 MPa的使用均衡器。

（6）以PS（= 31N）更换Pmax的修改。

实验Ťd和Ťs数据与后来的数值结果进行比较。

图3 实验测量负载位移曲线由四个单独的纤维顶出厚度进行碳化硅纤维增强铜钛基复合材料界面涂层试样获得的。