csic复合材料纳米压痕有限元仿真研究

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1、天津大学硕士学位论文C/SiC复合材料纳米压痕有限元仿真研究FiniteElementSimulationofNanoindentationofC/SiCComposites一级学科：机械工程学科专业：机械工程作者姓名：张韩斌指导教师：任成祖教授天津大学机械工程学院二零一五年十二月中文摘要C/SiC复合材料具有偏转裂纹、应力传导、氧化保护等功能，克服了传统陶瓷的脆性，同时具有比强度高、比刚度高、密度低、耐高温等特点，已成为近20年来最具科研潜力的航空航天及国防装备应用材料。C/SiC界面力学性能及各组分非在位力学性能的研究对其制备方法、制造工艺、现场应用具有关键指导性作用。复合材料的增强相和界

2、面处于微纳米数量级范围，本文在微纳尺度下利用纳米压痕技术采用仿真与实验结合的方法探究复合材料细观力学性能的影响因素。本文工作为国家自然科学基金《基于界面细观力学行为的纤维增韧陶瓷基复合材料磨削机理》（编号：51275346）的一部分。本文主要包含以下内容：采用ABAQUS软件建立二维轴对称模型对C/SiC复合材料进行纳米压痕有限元仿真并基于Oliver-Pharr理论分析仿真结果。采用型号为NanoIndenterG200的纳米压痕实验机进行纳米压痕实验，与仿真结果对比最大误差为4%，表明模型正确。仿真表明压痕实验中最大载荷、材料硬度、材料刚度与界面强度、界面厚度均呈正相关，同时研究了残余应力

3、、热胀系数、压头尖端球面半径、接触零点对纳米压痕实验的影响。建立压痕点位移控制模型，研究复合材料各组分原位力学性能影响因素。表明由于界面相的存在，材料原位力学性能发生改变，靠近界面处碳纤维的硬度及材料刚度提高30%左右，反之靠近界面的基体材料硬度及材料刚度降低14%左右。综上所述，本文通过纳米压痕法对C/SiC复合材料的微观力学性能进行研究，并分析了其相关影响因素，为C/SiC复合材料的制备工艺、工程应用、加工去除机理的研究提供理论借鉴。关键词：C/SiC复合材料；纳米压痕；载荷位移曲线；内聚力模型；硬度IAbstractC/SiCcompositematerialhasthefunction

4、ofdeflectioncrack,stressconductionandoxidationprotection,whichcanovercomethebrittlenessoftraditionalceramics.Italsohasthecharacteristicsofhighspecificstrength,highspecificstiffness,lowdensityandhightemperatureresistance.Ithasbecomethemostscientificresearchpotentialapplicationmaterialontheaviationand

5、defenseequipmentinthepast20years.Theresearchesonthemechanicalpropertiesoftheinterfaceandinsitumechanicalpropertieshaveakeyroleonthepreparationmethod,manufacturingprocessandfieldapplication.Thereinforcementandinterfaceofthecompositesareinthemicro-nanoscale,andtheinfluencefactorsofthemicromechanicalpr

6、opertiesofthecompositematerialsarecombinedbysimulationandexperiment.Thisworkisapartoftheproject“Grindingmechanismoffiber-reinforcedceramicmatrixcompositesbasedoninterfacemicromechanics”,whichisNationalNaturalScienceFoundationofChina(Number:51275346).Thispapermainlycontainsthefollowingcontents:UsingA

7、BAQUSsoftware,the2DaxissymmetricmodelisestablishedtosimulatethenanoindentationofC/SiCcompositematerial,andthesimulationresultsareanalyzedbasedonOliver-Pharrtheory.NanoindentationexperimentofC/SiCmater