三維多軸向經(jīng)編碳/環(huán)氧復(fù)合材料高溫氧化壓縮性能研究

黨明光

中國直升機(jī)設(shè)計研究所 結(jié)構(gòu)設(shè)計部 天津 300300

引言

現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展神速，而其中復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展研究愈加廣泛和深入。復(fù)合材料作為現(xiàn)代最前沿的材料之一，其技術(shù)研究成為衡量一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)實力的標(biāo)桿[1]。復(fù)合材料由增強(qiáng)材料和基體材料共同組成，兩者缺一不可，但是在其技術(shù)發(fā)展過程之中，增強(qiáng)材料逐漸轉(zhuǎn)型，表現(xiàn)為織物的增強(qiáng)[2]，其中三維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料各項力學(xué)性能都比傳統(tǒng)材料優(yōu)異很多。除此之外，三維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料在編制成型工藝上有極大改進(jìn)[3]，能一次性將多層增強(qiáng)纖維紗和表面氈編織成為一體，制備出預(yù)制件[4]，可以顯著提高材料各項力學(xué)性能參數(shù)。因此，三維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料被廣泛運(yùn)用到航空航天、風(fēng)力發(fā)電以及民用體育用品等諸多領(lǐng)域[5]。

1 試樣的制備

本文采用材料結(jié)構(gòu)分別為［0°/0°/0°/0°］和［0°/90°/+45°/-45°］的三維多軸向經(jīng)編碳纖維預(yù)制件，并通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）工藝，制備獲取兩種不同結(jié)構(gòu)的三維多軸向經(jīng)編碳/環(huán)氧復(fù)合材料。

根據(jù)ASTM D6641和ASTM D3410-2003測試標(biāo)準(zhǔn)，將制備好的三維多軸向經(jīng)編碳/環(huán)氧復(fù)合材料切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖1所示。將結(jié)構(gòu)為［0°/0°/0°/0°］材料記作A，結(jié)構(gòu)為［0°/90°/+45°/-45°］材料記作B。室溫記作RT；材料A橫向壓縮試樣記作AT，材料A縱向壓縮樣品記作AL，材料B橫向壓縮試樣記作BT，材料B縱向壓縮試樣記作BL。將同種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料分成兩組，置于干燥烘箱之中進(jìn)行干燥，一組進(jìn)行相同溫度下（75℃）不同時間（3d、6d、9d、12d）的高溫氧化處理，另一組進(jìn)行相同時間下（3d）不同溫度（50℃、75℃、100℃、125℃）的高溫氧化處理。然后在相應(yīng)溫度下，在WDW-100型萬能力學(xué)試驗機(jī)上進(jìn)行壓縮實驗。高溫氧化壓縮試樣具體參數(shù)在表1中列出。

圖1 高溫氧化壓縮試樣

表1 高溫氧化壓縮試樣參數(shù)

2 實驗數(shù)據(jù)

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 材料A高溫氧化壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 材料B高溫氧化壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 高溫氧化壓縮強(qiáng)度和模量

2.3 試樣破壞后的SEM照片

3 結(jié)果討論與分析

從材料A和材料B的橫向壓縮和縱向壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著高溫氧化溫度的提高，曲線峰值逐漸降低，說明溫度升高會使材料的壓縮強(qiáng)度變低；在溫度恒定的情況下，隨著高溫氧化時間的增加，曲線峰值逐漸降低，但是高溫氧化處理12d的材料壓縮強(qiáng)度卻得到提升，這說明隨著高溫氧化時間的逐步增加，材料可能會出現(xiàn)二次交聯(lián)，使材料的壓縮性能得到提升。

材料A和材料B橫縱向的壓縮強(qiáng)度和模量分別關(guān)于溫度和時間的坐標(biāo)圖如圖4。從壓縮強(qiáng)度-溫度圖以及壓縮模量-溫度圖可以看出，隨著溫度升高，無論是材料A和B的橫向壓縮強(qiáng)度和模量還是縱向壓縮強(qiáng)度和模量，它們都呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，說明高溫氧化溫度的升高會使復(fù)合材料進(jìn)入塑性平臺，進(jìn)而纖維束強(qiáng)度發(fā)生下降，基體強(qiáng)度也發(fā)生下降，以及纖維束和基體之間的黏結(jié)強(qiáng)度也發(fā)生下降，從而導(dǎo)致其壓縮力學(xué)性能的下降。從壓縮強(qiáng)度-高溫氧化時間-圖以及壓縮模量-高溫氧化時間-圖可以看出，隨著高溫氧化處理時間的延長，曲線呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，即材料A和B的橫縱向壓縮強(qiáng)度和模量先下降后上升，這說明高溫氧化處理時間達(dá)到12d之后，材料A和B可能會出現(xiàn)二次交聯(lián)，從而使材料力學(xué)性能得到提高。

為了進(jìn)一步探究材料在高溫氧化情況下的失效機(jī)理，我們對材料進(jìn)行了SEM顯微觀察，SEM電鏡照片如圖5。從圖5a可以看出，材料纖維束保持的比較完好，材料發(fā)生界面開裂，界面開裂可能是導(dǎo)致材料失效的主要原因；從圖5b可以看出，材料纖維束發(fā)生嚴(yán)重的斷裂，剪切行為明顯，因此材料的失效不僅與界面開裂有關(guān)，還涉及材料纖維束的斷裂和剪切；從圖5c可以看出，在材料開裂基礎(chǔ)上，纖維束發(fā)生部分?jǐn)嗔眩@可能導(dǎo)致材料強(qiáng)度和模量下降，同時發(fā)現(xiàn)材料的纖維束黏結(jié)比較緊密，且纖維束間存在細(xì)小顆粒，說明材料在高溫氧化處理12d之后，發(fā)生二次交聯(lián)固化，從而使材料的強(qiáng)度和模量得到提高；從圖5d可以看出，纖維束結(jié)合比較緊密，但界面開裂現(xiàn)象明顯，說明界面的開裂是導(dǎo)致材料失效的主要原因；從圖5e可以看出，當(dāng)溫度升到100℃時，材料的纖維束表面變得更加光滑，但是部分基體從界面滑落，材料的基體破壞更加嚴(yán)重；從圖5f可以看出，當(dāng)溫度升到125℃時，材料基體破壞更加明顯，并且纖維束的斷裂情況比100℃下的更加明顯。以上可以看出，高溫氧化溫度的提高會使材料纖維束的斷裂更加明顯，基體開裂更加明顯，從而導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降，高溫氧化時間的逐步增加會使材料發(fā)生纖維束和基體的脫粘，當(dāng)高溫氧化處理的時間達(dá)到一定時，材料會出現(xiàn)纖維束基體界面的黏合，從而使材料的力學(xué)性能先下降再上升。

圖5 不同溫度時間處理下材料壓縮破壞SEM照片

4 實驗結(jié)論

通過對兩種結(jié)構(gòu)A［0°/0°/0°/0°］和B［0°/90°/+45°/-45°］的三維多軸向經(jīng)編復(fù)合材料進(jìn)行橫行和縱向的高溫氧化壓縮實驗，可以發(fā)現(xiàn)高溫氧化溫度和高溫氧化時間對材料力學(xué)性能的影響明顯。在保持高溫氧化時間不變的情況下，高溫氧化溫度的升高，會明顯導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降；在保持高溫氧化溫度不變的情況下，高溫氧化時間的延長，會使材料產(chǎn)生二次交聯(lián)，材料的力學(xué)性能先下降再上升。通過分析實驗曲線以及實驗樣品破壞的SEM照片，發(fā)現(xiàn)高溫氧化溫度的提高會使纖維束的斷裂和基體的開裂更加明顯，高溫氧化時間的逐步增加會使材料的纖維束基體界面發(fā)生脫粘和再結(jié)合。