基體炭種類對(duì)C/C復(fù)合材料斷裂韌性的影響

楊 柳，姜 韜，韓 明，尹術(shù)幫

（1.西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025；2.中國(guó)人民解放軍駐210所軍事代表室，西安 710065）

0 引言

C/C復(fù)合材料具有高比模、高比強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、抗熱震、高溫下較好的尺寸穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)與功能一體化材料，被廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯、導(dǎo)彈頭帽、航天飛機(jī)鼻錐等航空航天領(lǐng)域[1-2]。根據(jù)基體前軀體的不同，可將C/C復(fù)合材料分為熱解炭基、樹(shù)脂炭基以及瀝青炭基3類。

C/C復(fù)合材料特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致其內(nèi)部不可避免存在微裂紋、微孔洞等缺陷。作為熱結(jié)構(gòu)材料，這些缺陷在應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)展，從而引起材料的宏觀破壞。因此，評(píng)價(jià)帶有缺陷的C/C復(fù)合材料在服役過(guò)程中能否安全應(yīng)用是非常重要的。對(duì)于缺陷在材料內(nèi)部的擴(kuò)展，斷裂韌性是反應(yīng)材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的一個(gè)表征參數(shù)[3-4]。通過(guò)研究C/C復(fù)合材料的斷裂韌性，可以給材料的應(yīng)用和工藝制備給予指導(dǎo)，具有非常重要的實(shí)際意義。

斷裂韌性是應(yīng)用線彈性斷裂學(xué)在各向同性材料中建立的描述材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的力學(xué)性能參數(shù)。C/C復(fù)合材料是非均質(zhì)材料，包括基體、纖維和界面三相，這幾種相結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力不同，在斷裂過(guò)程中，伴隨著界面脫粘、纖維橋接、纖維拔出等能量消耗過(guò)程，這使得研究裂紋擴(kuò)展過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，傳統(tǒng)的線彈性斷裂力學(xué)已無(wú)法適用。采用SENB彎曲法對(duì)斷裂韌性進(jìn)行改進(jìn)修正[5-6]，得到了適用于C/C復(fù)合材料的斷裂韌性KIC。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)C/C復(fù)合材料的斷裂韌性也開(kāi)展了一些工作，中南大學(xué)和西安航天復(fù)合材料研究所進(jìn)行相關(guān)方面的研究較多，中南大學(xué)的熊翔[7]認(rèn)為，C/C復(fù)合材料屬于脆性或半脆性復(fù)合材料，當(dāng)纖維/基體結(jié)合較弱時(shí)，材料內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展經(jīng)歷五個(gè)階段。西安航天復(fù)合材料研究所的王富強(qiáng)[8]研究了C/C復(fù)合材料斷裂韌性與試樣切口深度和跨距的影響關(guān)系，應(yīng)用ABAQUS 軟件模擬計(jì)算了不同切口深度和跨距的材料預(yù)置裂紋尖端應(yīng)力大小及分布。但目前國(guó)內(nèi)在C/C復(fù)合材料斷裂韌性基礎(chǔ)研究還不夠全面，本文主要對(duì)三種基體炭C/C復(fù)合材料的斷裂韌性進(jìn)行了對(duì)比研究，并分析了斷裂機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

研究所用的預(yù)制體為針刺網(wǎng)胎/無(wú)緯布，按單層0°無(wú)緯布、網(wǎng)胎、90°無(wú)緯布、網(wǎng)胎依次疊層排列，密度為0.60g/cm3。3種基體炭先驅(qū)體分別為丙烯（C3H6）氣體、糠酮樹(shù)脂、中溫煤瀝青。

1.2 材料制備

三種基體炭C/C復(fù)合材料，按圖1流程進(jìn)行致密化，制備的材料最終密度和開(kāi)孔率見(jiàn)表1。

圖1 C/C復(fù)合材料制備工藝路線Fig.1 Manufacturing techniques of C/C composites

表1 C/C復(fù)合材料密度Table1 Volume density of C/C composites

1.3 斷裂韌性測(cè)試

采用單邊缺口梁(SENB)彎曲法在INSTRON-5500R試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了C/C復(fù)合材料的斷裂韌性KIC，試樣尺寸為50mm×6mm×4mm，切口深度為1mm，跨距為40mm。XY向平行無(wú)緯布方向，Z向垂直于無(wú)緯布方向。

參照ASTM E399-90標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)斷裂韌性進(jìn)行改進(jìn)，計(jì)算公式[9]KIC：

式中，a = α/W ， α 為試驗(yàn)的預(yù)置切口深度，W為試樣厚度；f(a)由裂紋類型、試樣尺寸等決定；P為斷裂載荷；斷裂載荷P為最大載荷Pmax經(jīng)過(guò)修正得到，Pmax/P =1.1。

2 結(jié)果及討論

2.1 纖維/基體微觀形貌

圖2為三種基體炭C/C復(fù)合材料的SEM照片。

圖2 C/C復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM microstructures of C/C composites

由圖2（a）可見(jiàn)，熱解炭為層狀結(jié)構(gòu)，且片層厚度較大，表面有較多的溝槽，呈現(xiàn)出經(jīng)典的“包鞘”結(jié)構(gòu)[12-13]，纖維/基體沉積結(jié)構(gòu)單元很規(guī)整，結(jié)合性很好，且相鄰結(jié)構(gòu)間界面清晰。另外，結(jié)構(gòu)單元界面處也能觀察到明顯的孔洞及微裂紋缺陷，這可能是由于材料的殘余熱應(yīng)力釋放而引起的[15]。圖2（b）可見(jiàn)，樹(shù)脂炭呈現(xiàn)出薄片層結(jié)構(gòu)，纖維/基體結(jié)構(gòu)單元較為模糊，且包裹纖維的基體厚度明顯偏薄，兩者結(jié)合強(qiáng)度較低，但樹(shù)脂炭具有很高的粘結(jié)性[16]，基體與界面處均有較多的裂紋缺陷。圖2（c）可見(jiàn)，瀝青炭呈層片狀交錯(cuò)互穿排列，由于制備過(guò)程為高壓碳化，基體已經(jīng)發(fā)生扭曲而形成“U”和“V”型結(jié)構(gòu)，層片結(jié)構(gòu)間夾雜著大量平直和偏轉(zhuǎn)裂紋，基體與纖維的結(jié)合強(qiáng)度介于熱解碳和樹(shù)脂碳之間[17-18]。

2.2 斷裂韌性及機(jī)理分析

C/C復(fù)合材料的斷裂韌性主要受纖維、基體、界面、纖維取向及體積分?jǐn)?shù)、基體微裂紋等因素的影響。發(fā)生斷裂時(shí)，基體最先開(kāi)裂，接著發(fā)生界面脫粘，基體分層，纖維拔出、斷裂[19-20]等，其中界面作為傳遞應(yīng)力的中間介質(zhì)。

圖3 C/C復(fù)合材料XY和Z向的斷裂韌性Fig.3 Fracture toughness of C/C composites in XY and Z directions

圖3給出了3種基體炭C/C復(fù)合材料在XY向和Z向的斷裂韌性。XY向斷裂韌性大于或略大于Z向；瀝青炭基（材料C）在XY向的斷裂韌性明顯高于熱解炭基（材料A）和樹(shù)脂炭基（材料B），達(dá)到4.54MPa·m1/2，Z向相差不大。

熱解炭基、樹(shù)脂炭基、瀝青炭基XY向的（即載荷垂直于網(wǎng)胎/無(wú)緯布鋪層方向）斷裂韌性大于或略大于Z向，其主要原因是XY向的纖維體積分?jǐn)?shù)及取向優(yōu)于Z向，能提供更大的抵抗裂紋擴(kuò)展的力。預(yù)制切口在載荷作用下擴(kuò)展產(chǎn)生新的橫向和縱向裂紋，縱向方向擴(kuò)展過(guò)程中遇到大量XY向的纖維鋪層，發(fā)生界面脫粘、纖維拔出等，吸收了大量的擴(kuò)展能量[21]，同時(shí)裂紋擴(kuò)展路徑也發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，其中一部分裂紋繞過(guò)纖維繼續(xù)沿縱向擴(kuò)展，此時(shí)XY向的長(zhǎng)纖維并未斷裂，形成類似于“橋梁”一樣將上下的裂紋面連接起來(lái)；另外一部分裂紋開(kāi)始橫向擴(kuò)展，發(fā)生如圖4的“S”形擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展在XY向遇到的阻力大于Z向，擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)引發(fā)裂紋偏轉(zhuǎn)、橋聯(lián)效應(yīng)，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展路徑大大增加，消耗了更多的能量，故而XY向斷裂韌性要大于Z向。

圖4 C/C復(fù)合材料裂紋形貌Fig.4 the crack morphology of C/C composites

圖5 C/C復(fù)合材料SEM斷口形貌圖Fig.5 SEM fracture morphology of C/C composites

瀝青炭基XY向的斷裂韌性明顯高于熱解炭基和樹(shù)脂炭基。從圖5（c）中可觀察到瀝青炭基的斷口形貌，表現(xiàn)出明顯的“假塑性”斷裂，大量纖維拔出，且拔出長(zhǎng)度較長(zhǎng)，是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向垂直于碳布，裂紋擴(kuò)展到縱橫交錯(cuò)的XY向纖維時(shí)，阻礙了裂紋的擴(kuò)展，發(fā)生偏轉(zhuǎn)、分叉等，最終纖維與基體脫粘、斷裂。另外，拔出纖維表面局部有溝槽，表明纖維/基體界面結(jié)合力較強(qiáng)，纖維拔出產(chǎn)生了較大的摩擦力，拔出和斷裂過(guò)程消耗了較大的能量，有效地起到了很好的增韌效果。

熱解炭基的斷裂韌性稍大于樹(shù)脂炭基。從圖5（a）可觀察到熱解炭基的纖維拔出數(shù)量及長(zhǎng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瀝青炭基，表現(xiàn)為“脆斷”。斷口形貌較為整齊，少量的纖維拔出孔洞，纖維與基體結(jié)合非常緊密，裂紋擴(kuò)展到界面附近時(shí)，由于纖維/基體結(jié)合強(qiáng)度很大，幾乎沒(méi)有發(fā)生界面脫粘、纖維拔出等；同時(shí)斷口形貌幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，說(shuō)明大量的裂紋仍按縱向方向擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度后，達(dá)到了纖維和基體所能承受的最大臨界點(diǎn)時(shí)，纖維和基體幾乎同時(shí)斷裂，發(fā)生脆斷。

樹(shù)脂炭基的斷裂韌性最小。圖5（b）的斷口形貌很整齊，完全符合“脆斷”的特征。主要是因?yàn)闃?shù)脂炭基C/C復(fù)合材料的密度為1.71g/cm3，孔隙率只有3%，使得基體和纖維之間的結(jié)合過(guò)于緊密，基體內(nèi)部的微裂紋、孔洞等缺陷大大減少。同時(shí)，樹(shù)脂炭具有很強(qiáng)的粘結(jié)性，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中，由于基體內(nèi)部原缺陷的數(shù)量相對(duì)較少，使得裂紋擴(kuò)展過(guò)程中較難發(fā)生分枝擴(kuò)展，基本沿縱向擴(kuò)展，擴(kuò)展路徑大大減少，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到纖維/基體界面時(shí)，此時(shí)基體和纖維緊密地粘結(jié)在一起，很難發(fā)生纖維脫粘、纖維拔出，當(dāng)載荷達(dá)到臨界值時(shí)，發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論

（1）三種基體炭基C/C復(fù)合材料中，XY向的彎曲斷裂韌性高于或略高于Z向，主要是因?yàn)閄Y向的纖維體積分?jǐn)?shù)及取向優(yōu)于Z向。

（2）瀝青炭基的斷裂韌性最大，XY向和Z向分別達(dá)到4.54 MPa·m1/2和3.15 MPa·m1/2，表現(xiàn)為明顯的假塑性斷裂。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，由于瀝青炭/纖維合適的結(jié)合強(qiáng)度，發(fā)生了纖維拔出，消耗了裂紋擴(kuò)展的能量，提高了斷裂韌性。

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