微結(jié)構(gòu)對(duì)軸編C/C復(fù)合材料界面力學(xué)性能的影響①

高 波，唐 敏，楊月城，史宏斌

(1.第二炮兵工程學(xué)院，西安 710025;2.西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引言

C/C復(fù)合材料是一種先進(jìn)的抗燒蝕復(fù)合材料，因其力學(xué)和熱物理特性較好地符合固體發(fā)動(dòng)機(jī)的熱結(jié)構(gòu)要求，而被世界各國(guó)作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯的首選材料。界面作為C/C復(fù)合材料的纖維束和基體的連接相，其性能差異對(duì)材料宏觀性能影響明顯，而造成界面性能差異的原因在于在C/C材料的成型、加工過(guò)程中所產(chǎn)生的界面微裂紋、孔洞以及界面脫層等微觀缺陷。研究微結(jié)構(gòu)特征和界面性能及材料宏觀性能的相關(guān)性，可為C/C復(fù)合材料的性能改進(jìn)提供指導(dǎo)，具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了多種不同的測(cè)試手段、分析方法，對(duì)炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面性能進(jìn)行了分析、模擬及計(jì)算。文獻(xiàn)［1］認(rèn)為，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的韌性不僅受纖維和基體控制，而且受到二者結(jié)合界面的影響，最強(qiáng)的界面并不意味著最高的韌性，相對(duì)弱的界面在纖維斷裂時(shí)，常能提高纖維的滑移能力。陳騰飛［2］研究了基體炭結(jié)構(gòu)對(duì)C/C復(fù)合材料界面性能的影響，認(rèn)為粗糙層熱解炭與炭纖維間的界面強(qiáng)度比光滑層熱解炭的高，而樹(shù)脂炭和瀝青炭由于與炭纖維間存在化學(xué)鍵合，因而界面強(qiáng)度較高。Hatta［3］等測(cè)試了C/C復(fù)合材料在拉、壓和剪切條件下的界面剪切性能。Serge Zhandarov［4］運(yùn)用微觀力學(xué)測(cè)試方法，研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面強(qiáng)度測(cè)試方法，形成了單絲纖維拔出和微脫粘技術(shù)，并形成了評(píng)估界面摩擦力的分析模型?？讘椚?、韓杰才等［5-6］對(duì)細(xì)編穿刺C/C復(fù)合材料的界面力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試分析和表征。孟松鶴［7］通過(guò)理論模型和界面頂出實(shí)驗(yàn)，分析了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)三向正交細(xì)編穿刺C/C復(fù)合材料界面性能的影響機(jī)制。由于對(duì)軸編C/C復(fù)合材料的研究還不充分，目前還沒(méi)有建立起軸編C/C復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)特征和其界面性能的關(guān)系。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了軸編C/C復(fù)合材料界面的表征方法，并以此為基礎(chǔ)，研究了2批具有不同界面剪切性能的試樣的微觀差異，建立了界面微結(jié)構(gòu)特征和界面性能的相關(guān)性，為材料性能的優(yōu)化指明了方向。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)中使用的軸編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)，并采用軟炭纖維紗編織成預(yù)制體，經(jīng)瀝青浸漬、炭化、致密化及高溫處理制成4D C/C復(fù)合材料［8］，其具體參數(shù)可見(jiàn)文獻(xiàn)［9］，實(shí)驗(yàn)使用的2批材料所含的纖維體積分?jǐn)?shù)及編織參數(shù)相同，編織工藝略有差別。

1.2 測(cè)試方法

從現(xiàn)有的界面表征技術(shù)來(lái)看，纖維束頂出實(shí)驗(yàn)是表征界面性能的有效手段［4-7］，但對(duì)于具有不同編織參數(shù)及燒結(jié)工藝的復(fù)合材料，其界面表征略有不同，主要差異表現(xiàn)在界面測(cè)試試樣的確定上。通過(guò)分析該材料的編織工藝，結(jié)合界面頂出儀器的精度和量程要求，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)試樣如圖1所示。試樣厚度H分別是纖維束直徑(φ1.1 mm)的1.5 倍(1.65 mm)、2.5 倍(2.75 mm)、3.5 倍(3.85 mm)、4 倍(4.4 mm)、4.5 倍(4.95 mm)。

為了減小機(jī)械加工造成的試樣損傷，采用線切割方式，將試樣加工到所需基本尺寸，再對(duì)試樣進(jìn)行精磨，以滿足尺寸要求，尤其要注意的是纖維束和試樣表面必須滿足垂直度要求，否則得到的不僅含有界面的剪切強(qiáng)度，而且包含纖維束的壓縮性能。

利用HIT-300界面強(qiáng)度測(cè)試儀表征軸編C/C復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度，采用顯微鏡確定壓頭位置，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，加載速度為0.2 mm/min。

對(duì)某一批次材料，按照上述試樣及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了纖維束頂出實(shí)驗(yàn)，每一厚度頂出纖維束為100根，經(jīng)數(shù)據(jù)分析獲得的試樣厚度與界面剪切強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1 界面測(cè)試試樣Fig.1 Sample of interface

圖2 C/C材料試樣厚度和界面剪切強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship of thickness and shear strength

圖2可分為3個(gè)階段，1.65～3.85 mm 厚度內(nèi)，界面剪切強(qiáng)度隨厚度遞增，3.85～4.4 mm厚度內(nèi)，界面強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，厚度大于4.4 mm后，材料的界面平均剪切強(qiáng)度有增高的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，當(dāng)試樣較薄(＜3.5 mm)時(shí)，因加工造成的界面損傷較大，所測(cè)界面強(qiáng)度小于真實(shí)強(qiáng)度;當(dāng)試樣較厚(＞4.4 mm)時(shí)，由于纖維束軸線和試樣表面垂直度難以保證導(dǎo)致所測(cè)強(qiáng)度不僅包括界面的剪切強(qiáng)度，而且包含對(duì)纖維束的橫向壓縮強(qiáng)度，故軸編C/C復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣以4倍纖維束厚度為宜。

1.3 不同界面剪切強(qiáng)度的微觀特征

為了比較不同界面強(qiáng)度下的界面微觀特征，按1.2節(jié)確定的界面測(cè)試試樣尺寸，對(duì)2批具有一定宏觀性能差異的軸編C/C材料進(jìn)行了界面測(cè)試，測(cè)得2批材料的界面剪切強(qiáng)度如圖3所示，材料1的均值為7.77 MPa，材料 2 的均值為9.24 MPa。

圖3 2批材料的界面剪切強(qiáng)度Fig.3 Shear strength of two materials

圖4為2批材料的表觀微結(jié)構(gòu)特征，界面可看作是纖維束和基體之間的具有一定厚度的圓環(huán)形過(guò)渡區(qū)，2批材料的界面有較大區(qū)別，材料1纖維束和基體界面不清晰，界面過(guò)渡區(qū)較厚，約0.08 mm，材料2界面清晰，界面過(guò)渡區(qū)相對(duì)較薄，約0.05 mm。

圖4 2批材料的界面特征Fig.4 Interface characterization of two materials

通過(guò)Micro-CT圖像結(jié)合掃描電鏡等測(cè)試手段，對(duì)2批材料界面不同位置處的200處脫層進(jìn)行測(cè)量，獲得界面的微觀結(jié)構(gòu)特征尺度分布，其概率密度見(jiàn)圖5。

圖5 C/C材料界面層微結(jié)構(gòu)的概率分布Fig.5 Probability distribution curve of microstructure on interface in C/C composite

對(duì)獲得的孔隙尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并假設(shè)孔隙形狀為圓幣形(根據(jù)CT圖像確定脫層厚度和直徑比為10)，其直徑尺度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

式中 R'為孔隙直徑;R為孔隙平均直徑，材料1取值為138.87，材料2取值為85.18;σ為直徑變量對(duì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，材料1 為0.55，材料2 為0.47。

纖維束頂出后的孔部端面形貌見(jiàn)圖6。材料1頂出后，界面破壞較大，表明界面內(nèi)部組織松散，顯微圖像顯示界面為層片狀結(jié)構(gòu)，并且沿孔軸向取向;材料2界面較材料1更為規(guī)則，說(shuō)明界面內(nèi)部組織更為緊密。

纖維束頂出后的孔壁內(nèi)部特征見(jiàn)圖7。材料1孔壁光滑，界面呈片層狀，未見(jiàn)纖維絲附著于表面，材料2孔壁粗糙，基體表面有纖維絲附著，顯示了較好的界面粘接性能，這種界面差異和纖維束的表面粗糙度相關(guān)。

圖6 2批材料纖維束頂出后的基體孔端面特征Fig.6 End face characterization of hole

圖7 2批材料纖維束頂出后的基體孔壁面特征Fig.7 Wall characterization of hole

頂出后的纖維束及其纖維絲形貌見(jiàn)圖8。材料1纖維束外形不再保持為圓形，這種變化是在復(fù)合過(guò)程中纖維束經(jīng)受不均勻壓力形成的。纖維束中的纖維絲表面有少量基體炭附著，且有平行于軸向的溝槽，形成劈裂。材料2纖維束保持為圓形，纖維絲表面粗糙，且附著的基體炭更多，這是由于在纖維的缺陷部位形成了基體炭“釘扎”［10］，造成了局部強(qiáng)界面。

分析認(rèn)為，2批材料纖維束和界面均結(jié)合較強(qiáng)，由孔壁特征及界面層的孔隙數(shù)據(jù)表明，導(dǎo)致界面差異的主要因素是界面層的孔隙含量及其尺度。

圖8 2批材料纖維束的端面特征及其纖維絲表觀特征Fig.8 End face characterization of fiber bundle and exterior characterization of fibers

1.4 界面強(qiáng)度和材料拉伸性能的關(guān)系

對(duì)2批材料的軸向拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試，其試樣形式和尺寸如圖9所示，每批材料包含8個(gè)拉伸試樣。實(shí)驗(yàn)在MTS實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率為0.5 mm/min。運(yùn)用ARAMIS非接觸式光學(xué)應(yīng)變測(cè)試方法，獲得不同拉伸載荷下的非均質(zhì)應(yīng)變。2批材料的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖10。

圖9 拉伸試樣Fig.9 Tensile sample

圖10 軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Stress/strain curves in axial direction tensile test

軸編C/C復(fù)合材料拉伸非線性特征明顯，曲線圖顯示了剛度的多次衰減，材料在達(dá)到最大承載能力后，載荷迅速下降，但由于界面對(duì)力的傳遞作用，材料仍具有一定的承載能力。測(cè)試結(jié)果表明，材料1和材料2的拉伸平均強(qiáng)度分別為67.8 MPa和47.6 MPa。由于2批材料的原材料均為同批次材料，且預(yù)織體編織工藝相同，因此可認(rèn)為是界面性能的差異造成了拉伸性能的不同。

2 結(jié)論

(1)獲得了軸編C/C復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的表征方法，軸編C/C復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度試樣厚度以4倍纖維束直徑為宜。

(2)獲得了不同界面剪切強(qiáng)度下的界面微結(jié)構(gòu)特征，纖維束/基體界面強(qiáng)度和界面的孔隙含量及其尺度相關(guān)。

(3)纖維表面越粗糙，纖維束/基體界面剪切強(qiáng)度越高。

(4)界面剪切強(qiáng)度影響軸編C/C材料的軸向拉伸強(qiáng)度，在一定的界面強(qiáng)度范圍內(nèi)，界面強(qiáng)度大的材料，軸向拉伸強(qiáng)度高。

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