多向軸編C/C復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)Micro-CT原位掃描與拉伸破壞機(jī)理①

許承海，徐德昇，宋樂(lè)穎，徐 凱

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

0 引言

C/C復(fù)合材料同時(shí)結(jié)合了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高性能、可設(shè)計(jì)性和炭素材料優(yōu)異的高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，具有突出的超高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗燒蝕/侵蝕、抗熱震等性能，已成為洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭端頭、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)部件無(wú)可替代的防熱/結(jié)構(gòu)材料［1－4］。

多向編織C/C復(fù)合材料進(jìn)一步提高了材料的綜合性能，在熱、力學(xué)和抗燒蝕特性上，較好地符合固體發(fā)動(dòng)機(jī)的熱結(jié)構(gòu)要求，而被世界各國(guó)廣泛的作為固體發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯首選材料［5－7］。多向編織復(fù)合材料技術(shù)的應(yīng)用，在提高了材料綜合性能同時(shí)，也導(dǎo)致了材料體系的復(fù)雜化，隨著編織方向的增加，編織工藝使纖維受損，而導(dǎo)致力學(xué)性能降低的可能性也就越大，影響材料力學(xué)性能的因素也就變得愈加復(fù)雜。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)C/C復(fù)合材料的拉伸性能開展了較多的實(shí)驗(yàn)研究。Dumont［8］指出，C/C復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變行為與材料編織結(jié)構(gòu)有關(guān)，層合C/C復(fù)合材料和braid編織C/C復(fù)合材料沿纖維方向在拉伸和壓縮載荷作用下，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈線性，而weave編織C/C復(fù)合材料由于基體和纖維的損傷，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系完全非線性。Baker［9］針對(duì)軸編炭/炭材料研究了其軸向、徑向和與徑向呈30°夾角方向的力學(xué)性能和熱物理性能，為進(jìn)行該材料的表征規(guī)范研究提供了借鑒，認(rèn)為該材料具有力學(xué)性能好、燒蝕率低的特點(diǎn)，并認(rèn)為粗糙度、密度和纖維體積含量對(duì)燒蝕率具有重要影響。Aubard［10］實(shí)驗(yàn)研究了4D C/C復(fù)合材料在不同溫度下的力學(xué)行為，構(gòu)建了該材料非線性本構(gòu)關(guān)系模型。曹翠微［11－12］對(duì)三維四向C/C復(fù)合材料的拉伸、壓縮及彎曲性能開展了系統(tǒng)研究，表明材料的破壞方式以假塑形斷裂為主。唐敏［13］對(duì)4D軸編C/C復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸、壓縮和剪切實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)4D軸編C/C復(fù)合材料具有顯著各向異性、拉壓雙模量及非線性特征。綜合來(lái)看，在4D軸編C/C復(fù)合材料拉伸性能研究中，材料多呈現(xiàn)為纖維束棒拔脫的失效方式，獲得的材料強(qiáng)度指標(biāo)稍低。

4D軸編C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能與其微結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，本文采用高分辨X射線斷層掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的統(tǒng)計(jì)表征，以微結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計(jì)信息為基礎(chǔ)，開展拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究，獲得較有效的材料拉伸性能參數(shù)，并分析其失效過(guò)程與破壞機(jī)理。

1 材料

本文研究的C/C復(fù)合材料采用拉擠成型的細(xì)炭纖維剛性棒構(gòu)成軸向增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，并采用軟纖維紗編織成預(yù)成型體，其預(yù)制體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)瀝青浸漬/炭化混合增密工藝，向纖維預(yù)成型體中引入基體炭，最終經(jīng)石墨化處理后，獲得密度大于1.95 g/cm3的高密度三維四向C/C復(fù)合材料。

2 試驗(yàn)

2.1 材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)

從母材內(nèi)切取1 cm×1 cm×1 cm的立方體，借鑒金相試樣制造方法，對(duì)試樣進(jìn)行打磨、拋光與超聲波清洗。GE Explore Locus SP Micro-CT、KEYENCE VHX-900偏光顯微鏡、OLYMPUS OLS-3100激光共聚焦顯微鏡和FEI Quant200掃描電鏡(SEM)觀察多向編織C/C復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。

2.2 拉伸試驗(yàn)

借鑒GJB 6475—2008《連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料常溫拉伸性能試驗(yàn)方法》和QJ 2305—1992《三向炭-炭復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》，根據(jù)本材料的編織方式和制品尺寸，設(shè)計(jì)拉伸試樣的形式與尺寸。試樣名義尺寸:16 mm×5 mm×120 mm，徑向(R向)試樣保證R1向纖維束貫穿試樣，參考纖維束與中心軸線夾角不大于6°。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，纖維束棒拉伸強(qiáng)度約為 900 MPa，纖維束棒/基體界面剪切強(qiáng)度為9.24 MPa［14］。設(shè)計(jì)試樣夾持段長(zhǎng)度不小于 30 mm，以保證纖維束棒/基體界面載荷傳遞能力。

實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室ZWICK Z050材料雙軸力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，選用恒定位移加載，設(shè)定加載速度為0.5 mm/min。應(yīng)變采用電阻法和非接觸光學(xué)法相結(jié)合的方式測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征

圖2所示為多向編織C/C復(fù)合材料的細(xì)觀顯微形貌。如圖2所示，軸向(Z向)增強(qiáng)纖維采用已固化成型的硬質(zhì)纖維束棒，纖維束棒橫截面形狀近似為圓形，直徑約為1.2 mm，呈正六邊形(或正三角形)周期排列;徑向纖維束(以下簡(jiǎn)稱纖維束)穿過(guò)纖維束棒之間的通道，呈周期對(duì)稱排列，橫截面近似矩形，內(nèi)部存在貫穿性裂紋。不同方向纖維束之間的間隙由瀝青炭填充，基體炭?jī)?nèi)部布滿孔洞;在2個(gè)不同方向的纖維束交界處，纖維束并不是直接接觸，存在雙層界面，即每根纖維束的界面層都基本保持存在。

圖3為沿軸向纖維束一個(gè)鋪層循環(huán)的Micro-CT圖片。在圖3中可清楚地發(fā)現(xiàn)，圓形沒(méi)有孔洞的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)為軸向纖維束棒。X-Y平面內(nèi)各向(R1、R2和R3方向)纖維束分層鋪設(shè)，層與層之間沒(méi)有相互編織交替。纖維束尺寸較大，不同方向纖維束交替位置擠壓影響不明顯，纖維束走向呈直線型。徑向纖維束與軸向纖維束棒之間形成一個(gè)近似的矩形區(qū)域，該區(qū)域被基體炭所填充形成一個(gè)較大塊炭基體。瀝青炭基體內(nèi)部含有較多的孔洞，孔洞的形狀、尺寸及分布均是不規(guī)則的，具有一定的非均勻、隨機(jī)性特征。借助射線斷層掃描儀自帶圖像分析軟件，采用數(shù)字圖像分析方法，統(tǒng)計(jì)材料內(nèi)部的孔隙特征，平均孔徑約85 μm，孔隙率3%～5%［15］。受Micro-CT觀測(cè)精度的限制，并不能觀察到纖維束內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。

圖4為多向編織C/C復(fù)合材料纖維束/基體界面層顯微像貌。從圖4可看出，多向編織C/C復(fù)合材料在纖維束/基體界面處存在一定厚度的環(huán)形過(guò)渡區(qū)(界面層)，厚度約20～50 μm;界面層內(nèi)存在大量孔洞與脫層，孔洞形貌可近似為圓幣形，平均孔徑約為138 μm，孔隙率在25%～30%范圍。

多向C/C復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu)尺寸大、增強(qiáng)纖維方向較多，致密化時(shí)在纖維束內(nèi)部和纖維束交接處，容易導(dǎo)致基體炭分布不密實(shí)，內(nèi)部存在大量的閉合孔洞;另外，石墨化升溫后冷卻時(shí)，炭纖維與炭基體熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔洞與脫層，主要分布在纖維束/基體界面處。當(dāng)材料在載荷的作用下，上述裂紋和孔洞周圍極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易造成纖維束拔出斷裂，將會(huì)影響到增強(qiáng)纖維束性能的充分發(fā)揮。

3.2 復(fù)合材料拉伸性能與失效機(jī)理

多向編織C/C復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可看出，材料軸向拉伸強(qiáng)度均值為84.59 MPa，拉伸模量均值為 45.73 GPa;徑向拉伸強(qiáng)度均值為 80.24 MPa，徑向拉伸均值為 16.48 GPa，軸向拉伸性能略高于徑向，軸向拉伸性能離散性比徑向顯著。軸向與徑向拉伸性能的差異與預(yù)制體的編織結(jié)構(gòu)及材料制備工藝密切相關(guān)。

圖5為材料軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表1 C/C復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能Table 1 Tensile mechanical properties of C/C composite

從圖5可看出，多向編織C/C復(fù)合材料的軸向拉伸大致可分為3個(gè)階段，每一階段對(duì)應(yīng)于不同的損傷和破壞過(guò)程。第一階段對(duì)應(yīng)的是沒(méi)有微觀結(jié)構(gòu)損傷的材料線彈性行為，該階段沒(méi)有損傷變形出現(xiàn)，纖維束與基體協(xié)調(diào)變形共同承載，卸載后變形完全恢復(fù);第二階段對(duì)應(yīng)于基體及界面層內(nèi)的微裂紋擴(kuò)展，界面逐漸脫粘，由基體與纖維束的共同承載，逐漸向纖維束獨(dú)自承載過(guò)渡，材料表現(xiàn)為非線性行為;第三階段表現(xiàn)為纖維束在薄弱處斷裂拔出。

圖6為C/C復(fù)合材料軸向拉伸斷裂形貌。從圖6可看出，拉伸試樣包含7根完整的硬質(zhì)纖維束棒，試樣破壞位置發(fā)生在尺寸過(guò)渡區(qū)內(nèi)。分析材料的失效過(guò)程，過(guò)渡區(qū)由于試樣截面尺寸的突變，必將在該位置形成應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中作用下，基體及徑向纖維束界面層極易破壞，而形成貫穿試樣的通透裂紋。根據(jù)軸向纖維束的斷裂狀態(tài)，主要表現(xiàn)出2種失效形式:一種失效形式是纖維束整體拔脫，分析認(rèn)為，纖維束與基體間界面層內(nèi)脫粘及孔隙等含量較高，界面層剪切較低，在外載荷作用下發(fā)生界面層剪切破壞，導(dǎo)致纖維束被拔脫;另一種失效形式是纖維束斷裂后拔脫，相關(guān)研究表明，纖維束強(qiáng)度符合威布爾分布，強(qiáng)度較低的纖維束先斷裂，其他纖維束隨后漸次斷裂，纖維束的斷裂位置具有隨機(jī)性，并未發(fā)生在圖示的試樣斷裂位置，纖維束在斷裂位置被逐漸拔出。軸向硬質(zhì)纖維束棒內(nèi)部纖維含量較高，纖維單絲與基體間界面結(jié)合強(qiáng)度較高，纖維束發(fā)生脆性斷裂，斷口較平齊。第一種失效模式發(fā)生的概率占優(yōu)，但獲得的強(qiáng)度指標(biāo)比第二種稍低。

圖7為C/C復(fù)合材料徑向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖7可看出，材料徑向拉伸曲線僅有2個(gè)階段，相比于軸向拉伸缺失了纖維束的斷裂拔出階段，載荷在達(dá)到最大值后迅速下降，試樣立即喪失承載能力，表現(xiàn)為脆性斷裂。

圖8為C/C復(fù)合材料徑向拉伸斷裂形貌。從圖8可看出，在拉伸載荷作用下，材料的破壞位置發(fā)生在試樣的標(biāo)距區(qū)，纖維束被完全拉斷，并伴隨纖維束棒和基體分裂。

分析認(rèn)為，在外載荷作用下，裂紋在基體及界面層內(nèi)萌生并擴(kuò)展，受纖維束編織結(jié)構(gòu)的限制，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中遇到縱向(R2或R3向)或軸向纖維的阻擋，發(fā)生偏轉(zhuǎn)或釘扎，難以形成類似于軸向拉伸試樣的貫穿性裂紋?？傮w來(lái)看，裂紋的這種擴(kuò)展趨勢(shì)變相增加了纖維束與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，斷裂纖維束所承擔(dān)的載荷能較好地傳遞到相鄰纖維束，直到某個(gè)薄弱區(qū)域失去承載能力，導(dǎo)致整個(gè)材料的破壞拉伸試樣斷口不平齊，纖維拔出尺寸較短。受成型工藝的影響，徑向纖維束內(nèi)部纖維單絲界面結(jié)合強(qiáng)度比軸向硬質(zhì)纖維束棒稍低，因而纖維斷裂拔出長(zhǎng)度稍長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1)多向編織C/C復(fù)合材料具有多樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，軸向硬質(zhì)纖維束棒近似為圓形，徑向軟編纖維束呈矩形，纖維束形狀規(guī)則，走向平直，未見相互擠壓變形。

(2)多向編織C/C復(fù)合材料內(nèi)部隨機(jī)分布大量孔隙，特別是纖維束/基體界面區(qū)域存在的孔隙相互貫通而形成大面積脫層，界面區(qū)域的孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)界面剪切性能影響顯著。

(3)材料軸向拉伸以纖維束棒拔脫和纖維束棒斷裂為主要破壞模式，表現(xiàn)假塑性斷裂，非線性特性較顯著;軸向拉伸破壞模式與纖維束/基體界面剪切性能相關(guān)，界面結(jié)合強(qiáng)度高，呈現(xiàn)纖維束拉伸斷裂破壞，強(qiáng)度相對(duì)較高;界面結(jié)合強(qiáng)度較低，表現(xiàn)為纖維束拔脫。

(4)材料徑向拉伸以纖維束斷裂主要破壞形式，呈現(xiàn)脆性斷裂特性，非線性特性比軸向拉伸稍弱;材料的破壞模式與纖維預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)有關(guān)，受纖維束/基體界面剪切性能影響不明顯。

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