【摘 要】
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大量研究与工程实际表明,材料的微观结构显著影响材料的力学性能。随着氮化硼纤维在航空、航天、电子、核工业及复合材料等领域的广泛应用,进一步揭示氮化硼纤维的宏观力学性能与其内部微观结构的相互关系具有重要的工程意义。氮化硼纤维内部存在三种相成分,依据其分子在空间上的排布规律可分为非晶态氮化硼（Amorphous boron nitride,a-BN）、半结晶态氮化硼,也称乱层氮化硼（Turbostrat
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大量研究与工程实际表明,材料的微观结构显著影响材料的力学性能。随着氮化硼纤维在航空、航天、电子、核工业及复合材料等领域的广泛应用,进一步揭示氮化硼纤维的宏观力学性能与其内部微观结构的相互关系具有重要的工程意义。氮化硼纤维内部存在三种相成分,依据其分子在空间上的排布规律可分为非晶态氮化硼（Amorphous boron nitride,a-BN）、半结晶态氮化硼,也称乱层氮化硼（Turbostratic boron nitride,t-BN）和结晶状态六方氮化硼（Hexagonal boron nitride,h-BN）。相成分的分布、大小及占比都会对氮化硼纤维的宏观力学性能产生影响。因此,研究氮化硼纤维宏观力学性能与细观尺度微结构特征之间的关系成为本文关注的重点。本文主要研究内容如下:（1）采用均匀化方法对氮化硼纤维的宏观力学性质和微观结构的关系进行研究。对于制备良好的氮化硼纤维,其中的相成分主要为t-BN和h-BN,a-BN相含量较少。因此,忽略a-BN的影响,将氮化硼纤维看作是一种由两相成分组成的多晶材料。其中,h-BN为具有各向异性的晶粒,而t-BN为具有各向同性的晶粒。本研究对各向异性晶粒的方向进行设定并建立小变形下每种相的弹性本构方程。采用Voigt-Hill-Reuss法求解出材料性能参数的上下限,并将结果用于有限元模型的验证。（2）建立氮化硼纤维细观有限元模型。为提高材料宏观性能参数计算结果准确性,本研究基于Voronoi拓扑结构建立了氮化硼纤维细观有限元模型。基于MATLAB和Python编程语言对ABAQUS进行二次开发,实现了氮化硼纤维的单轴拉伸模拟。将有限元求解结果与Voigt-Hill-Reuss法进行比较,结果表明,有限元方法所获得的氮化硼纤维宏观弹性模量数值大小位于Voigt-Reuss上下限范围内,验证了所提出细观模型的有效性。（3）分析氮化硼纤维细观结构特征对宏观力学性能的影响。本研究建立了含有多种相成分和气孔等细观结构特征的氮化硼纤维模型,计算结果表明,h-BN含量的增加和晶粒尺寸的减小有利于提高氮化硼纤维的宏观弹性模量,而较高的气孔含量则会显著降低氮化硼纤维的抗拉性能。本研究将对氮化硼纤维的力学性能设计和加工制造提供理论参考。
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