穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C/C復(fù)合材料拉伸性能的影響①

解惠貞,崔 紅，李瑞珍，秦淑穎，孫建濤，李 晉

(1.西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025；2.高性能碳纖維制造及應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，西安 710089)

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穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C/C復(fù)合材料拉伸性能的影響①

解惠貞1，2,崔 紅1，李瑞珍1，秦淑穎1，孫建濤1，李 晉1

(1.西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025；2.高性能碳纖維制造及應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，西安 710089)

采用不同間距、不同根數(shù)的纖維束穿刺成型炭纖維預(yù)制體，經(jīng)進(jìn)一步化學(xué)氣相沉積、瀝青浸漬-高壓炭化致密制備穿刺C/C復(fù)合材料。拉伸性能測(cè)試結(jié)果表明，穿刺間距2.1 mm、穿刺束纖維根數(shù)為12 K的C/C復(fù)合材料獲得高的拉伸強(qiáng)度，Z向拉伸強(qiáng)度131.4 MPa，XY向拉伸強(qiáng)度111.3 MPa；隨著穿刺間距減小、穿刺絲束纖維根數(shù)增加，Z向纖維含量增加，Z向拉伸強(qiáng)度明顯提高。穿刺C/C復(fù)合材料1 800 ℃真空條件下的拉伸強(qiáng)度與室溫相當(dāng)，拉伸模量低于室溫，延伸率高于室溫；常溫拉伸斷口較平整，且纖維/基體間的裂紋明顯，而高溫拉伸斷口參差不齊，纖維及基體斷面粗糙，呈現(xiàn)出假塑性斷裂特征。

C/C復(fù)合材料；穿刺間距；穿刺束纖維根數(shù)；拉伸強(qiáng)度；拉伸模量；高溫性能

0 引言

C/C復(fù)合材料是炭纖維增強(qiáng)碳基體材料，具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比模、高溫強(qiáng)度保持率高、熱膨脹系數(shù)低、摩擦性能優(yōu)異、生物相容性好、性能可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)異而獨(dú)特的性能，已成功應(yīng)用于航天飛機(jī)鼻錐和機(jī)翼前緣、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯和出口錐、導(dǎo)彈端頭帽、飛機(jī)剎車片、高溫模具等高科技領(lǐng)域[1-5]。

穿刺C/C是一種新型結(jié)構(gòu)C/C復(fù)合材料，具有各向同性性好、綜合力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，其力學(xué)性能主要由穿刺預(yù)制體結(jié)構(gòu)決定。穿刺預(yù)制體是XY向?yàn)樘坷w維布與炭纖維網(wǎng)胎復(fù)合疊層，Z向?yàn)橐欢ǜ鶖?shù)、間距的穿刺纖維束，與高性能軸棒法預(yù)制體結(jié)構(gòu)相比，有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的細(xì)化，并能在一定程度上實(shí)現(xiàn)機(jī)械化成型。吳小軍等研究軸棒法軟硬混編瀝青基C/C材料的拉伸破壞行為，宏觀上拉伸試樣以碳棒整體拔出的形式破壞[6]；王寶來(lái)等研究了細(xì)編穿刺C/C復(fù)合材料的拉伸與壓縮破壞模式[7]。

對(duì)于穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C/C復(fù)合材料拉伸性能的影響研究，尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，本文針對(duì)穿刺C/C復(fù)合材料研制中存在Z向拉伸強(qiáng)度低的問(wèn)題，分析了穿刺成型參數(shù)對(duì)C/C復(fù)合材料Z向、XY向拉伸性能的影響，并對(duì)比分析了材料在高溫下拉伸性能的變化，為C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供借鑒與指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

穿刺預(yù)制體成型用炭纖維原材料性能見(jiàn)表1。

表1 炭纖維原材料性能Table 1 Properties of carbon fibers

基體制備用主要原材料：

(1)天然氣，CH4純度≥95%；

(2)高溫煤瀝青，軟化點(diǎn)95～120 ℃。

1.2 材料制備

采用不同結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)穿刺工藝成型的炭纖維預(yù)制體，進(jìn)一步經(jīng)天然氣化學(xué)氣相滲透與瀝青浸漬-高壓炭化致密工藝制備穿刺C/C復(fù)合材料(密度>1.90 g/cm3)，穿刺C/C復(fù)合材料的預(yù)制體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 穿刺C/C復(fù)合材料的預(yù)制體結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Puncture parameters of performs used in C/C

1.3 拉伸性能測(cè)試

常溫拉伸性能采用DDS-10日本島津萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，通過(guò)測(cè)試獲得拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、拉伸破壞延伸率。

高溫拉伸性能在1 800 ℃、真空條件下進(jìn)行測(cè)試，真空度10-3P，升溫速率30℃/min，保溫時(shí)間10 min。

1.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用JEOL JSM 6460LV型掃描電子顯微鏡(SEM)，對(duì)拉伸試樣斷口進(jìn)行微觀形貌觀察與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C/C復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

2.1.1 穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C/C復(fù)合材料Z向拉伸強(qiáng)度的影響

圖1為不同結(jié)構(gòu)參數(shù)穿刺C/C復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。從圖1可看出，在所采用的幾種穿刺間距、穿刺束纖維根數(shù)情況下，C/C復(fù)合材料Z向拉伸強(qiáng)度受穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較大。

(a)Z向拉伸強(qiáng)度

(b)XY向拉伸強(qiáng)度

結(jié)合表2與圖1(a)可看出，穿刺束纖維根數(shù)為12 K的3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)材料，隨穿刺間距的減小，材料Z向拉伸強(qiáng)度明顯增大，5號(hào)材料的Z向拉伸強(qiáng)度僅為41.8 MPa，4號(hào)Z向拉伸強(qiáng)度(83.4 MPa)達(dá)5號(hào)的2倍，3號(hào)Z向拉伸強(qiáng)度為131.4 MPa，是5號(hào)Z向拉伸強(qiáng)度的3倍以上。穿刺束纖維根數(shù)為6 K的1號(hào)、2號(hào)材料，1號(hào)較2號(hào)材料的穿刺間距小，1號(hào)Z向拉伸強(qiáng)度(80.5 MPa)是2號(hào)材料(42.7 MPa)的近2倍。

C/C復(fù)合材料承受拉伸載荷作用，炭纖維為主要承載體。材料受到外加拉伸載荷時(shí)，碳基體容易且最先產(chǎn)生裂紋，碳基體產(chǎn)生的裂紋不改變方向通過(guò)界面擴(kuò)散到炭纖維，將載荷有效地傳遞給纖維，使纖維起到增強(qiáng)作用，炭纖維最終發(fā)生斷裂，決定了材料的拉伸強(qiáng)度。纖維含量增加，增加了承載能力；纖維/基體界面增加，有利于每根纖維有效承載。在拉應(yīng)力作用下，裂紋總是沿著垂直于應(yīng)力的方向擴(kuò)展，對(duì)于穿刺結(jié)構(gòu)C/C材料，在受到Z向拉伸載荷時(shí)，沿XY向鋪層纖維取向(與Z向垂直)的碳基體層間主要靠范德華力結(jié)合，是薄弱環(huán)節(jié)，低應(yīng)力下鋪層纖維間基體開(kāi)裂，微裂紋通過(guò)基體碳聚集區(qū)擴(kuò)展，Z向穿刺纖維束阻礙裂紋，導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)沿纖維和基體界面擴(kuò)展，隨著載荷的增加，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到極限破壞應(yīng)力的時(shí)候，Z向穿刺纖維束發(fā)生斷裂。與文獻(xiàn)[6]的分析結(jié)果一致，材料在破壞過(guò)程中，基體裂紋在XY向纖維束中呈線性擴(kuò)展，快速分割了基體材料，4D C/C復(fù)合材料的拉伸破壞演變?yōu)?D C/C復(fù)合材料的破壞模式[6]。所制備幾種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)穿刺C/C材料Z向拉伸斷口均沿鋪層纖維間的碳基體層間擴(kuò)展，最終在Z向穿刺纖維處發(fā)生斷裂，圖2為3號(hào)材料Z向拉伸斷口的SEM形貌，基體碳與XY向炭纖維的貢獻(xiàn)小，Z向穿刺纖維及其含量決定了Z向拉伸強(qiáng)度，從圖2還可看出，穿刺纖維束整體上顯現(xiàn)出逐步斷裂的特征。從5號(hào)～1號(hào)材料，預(yù)制體成型過(guò)程中，穿刺間距逐漸減小，相應(yīng)Z向纖維含量增加，最終所制備C/C復(fù)合材料的Z向拉伸強(qiáng)度提高。

圖2 3號(hào)材料Z向拉伸斷口SEM形貌Fig.2 SEM of Z-directional tensile fracture of specimen No.3

對(duì)于2號(hào)與3號(hào)材料，穿刺間距相同，而穿刺束纖維根數(shù)不同，3號(hào)穿刺束纖維根數(shù)是2號(hào)的2倍，3號(hào)Z向拉伸強(qiáng)度是2號(hào)的3倍，與減小穿刺間距一樣，增加穿刺束纖維根數(shù)，同樣增加了Z向纖維的含量，進(jìn)一步使材料Z向拉伸強(qiáng)度提高。

2.1.2 穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C/C復(fù)合材料XY向拉伸強(qiáng)度的影響

所制備穿刺C/C材料XY向拉伸強(qiáng)度主要受XY向鋪層纖維的影響，圖3為3號(hào)材料XY向拉伸破壞斷口特征，最終XY向纖維斷裂。1號(hào)～5號(hào)材料XY向鋪層所用炭布、網(wǎng)胎相同，從圖1(b)可看出，其XY向拉伸強(qiáng)度的差別較小，但穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料XY向拉伸強(qiáng)度也產(chǎn)生了一定影響。

圖3 3號(hào)材料XY向拉伸斷口SEM形貌Fig.3 SEM of XY-directional tensile fracture of specimen No.3

從2號(hào)與3號(hào)材料XY向拉伸強(qiáng)度看，在穿刺間距一致情況下，穿刺束纖維根數(shù)未對(duì)XY向拉伸強(qiáng)度造成影響，XY向拉伸強(qiáng)度分別為109.3、111.3 MPa。3號(hào)與4號(hào)穿刺間距有一定差別，XY向拉伸強(qiáng)度基本一致，分別為111.3、111.2 MPa， 5號(hào)材料穿刺間距較3號(hào)與4號(hào)有所增大，XY向拉伸強(qiáng)度降低，為96.5 MPa。與2號(hào)相比，1號(hào)材料穿刺間距減小，XY向拉伸強(qiáng)度降低，為76.8 MPa。分析認(rèn)為，Z向穿刺纖維束對(duì)XY向鋪層炭纖維結(jié)構(gòu)具有釘扎約束作用，可起到一定的增強(qiáng)作用，但Z向穿刺間距過(guò)小，會(huì)對(duì)XY向鋪層炭纖維結(jié)構(gòu)造成一定的損害，導(dǎo)致材料性能下降。

從以上分析可看出，減小穿刺間距，可增大穿刺密度、提高Z向拉伸強(qiáng)度，穿刺間距在一定范圍內(nèi)時(shí)，可獲得相對(duì)高的XY向拉伸強(qiáng)度。因此，在穿刺C/C材料的研制中，可根據(jù)性能要求優(yōu)化預(yù)制體設(shè)計(jì)，對(duì)Z向和XY向進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，以滿足不同的使用要求。

2.2 穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C/C復(fù)合材料拉伸彈性模量和拉伸破壞延伸率的影響

對(duì)于穿刺C/C材料，Z向穿刺間距減小、穿刺纖維束根數(shù)增多，材料Z向抗拉伸變形能力提高，有利于Z向拉伸模量的提高。不同穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)C/C復(fù)合材料的拉伸彈性模量及拉伸破壞延伸率如表3所示。從表3可看出，3號(hào)較2號(hào)材料Z向穿刺纖維束根數(shù)多，彈性模量高，約是其2倍，1號(hào)較2號(hào)、4號(hào)較5號(hào)穿刺間距小，彈性模量高。3號(hào)較4號(hào)穿刺間距略小，Z向拉伸模量基本一致。對(duì)于XY向拉伸彈性模量，隨穿刺間距增大，穿刺纖維束根數(shù)減少，材料XY向拉伸彈性模量呈增加趨勢(shì)。表3中，Z向與XY向拉伸彈性模量對(duì)比可知，XY向拉伸彈性模量整體上高于Z向拉伸彈性模量。

延伸率整體上較低，在0.17%～0.33%的范圍內(nèi)。

表3 不同穿刺結(jié)構(gòu)參數(shù)C/C復(fù)合材料的性能Table 3 Properties of punctured C/C with different structure parameters

2.3 高溫條件下穿刺C/C復(fù)合材料拉伸性能的變化

C/C復(fù)合材料多用于高溫環(huán)境條件下，高溫下性能的變化與高低更值得關(guān)注，測(cè)試了4號(hào)穿刺C/C復(fù)合材料在1 800 ℃高溫真空條件下的拉伸性能，與常溫拉伸性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果列于表4。

由表4可知，4號(hào)穿刺C/C復(fù)合材料的室溫Z向拉伸強(qiáng)度為83.4 MPa，高溫Z向拉伸強(qiáng)度為84.7 MPa；室溫XY向拉伸強(qiáng)度為111.2 MPa，高溫Z向拉伸強(qiáng)度為111.7 MPa?？煽闯觯牧显? 800 ℃高溫真空條件下的拉伸強(qiáng)度保持了室溫拉伸強(qiáng)度的水平，甚至略有提高。

表4 4號(hào)穿刺C/C復(fù)合材料高溫與常溫拉伸性能對(duì)比Table 4 Tensile properties of punctured C/C of specimen No.4 at RT and 1 800 ℃ respectively

C/C復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度主要由炭纖維決定，1 800 ℃高溫環(huán)境對(duì)主承載炭纖維的結(jié)構(gòu)與性能影響不大。因此，高溫拉伸強(qiáng)度仍保持了室溫拉伸強(qiáng)度的水平。

C/C復(fù)合材料致密過(guò)程是碳基體不斷填充預(yù)制體空隙的過(guò)程，致密工藝過(guò)程決定了材料內(nèi)部必然存在一定數(shù)量的孔洞、孔隙缺陷，缺陷會(huì)降低受到外力時(shí)的承載面積，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致破壞的出現(xiàn)，如圖4所示，從而對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在高溫條件下晶界可滑動(dòng)，并伴隨熱膨脹現(xiàn)象的發(fā)生，缺陷一定程度上愈合，部分缺陷尺寸甚至減小至臨界裂紋尺寸以下，內(nèi)應(yīng)力減小或應(yīng)力集中得以釋放，不會(huì)引起材料性能的下降，甚至有利于材料性能的提高，但由于C/C復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度主要由炭纖維決定，因此拉伸強(qiáng)度不會(huì)因缺陷愈合有大幅度的提高。圖5為4號(hào)穿刺C/C復(fù)合材料室溫與高溫拉伸斷口SEM形貌，可看出，高溫較室溫試樣的孔隙明顯減少，且高溫試樣中孔的形狀相比室溫試樣變化明顯，孔洞室溫時(shí)多為四邊形，高溫時(shí)多為三角形，此特征在XY向拉伸試樣中比較突出。

圖4 破壞出現(xiàn)點(diǎn)Fig.4 Image of crack initiation position

(a)室溫Z向 (b)室溫XY向

(c)高溫Z向 (d)高溫XY向

從表4還可看出，無(wú)論是Z向還是XY向，高溫模量、延伸率相比室溫發(fā)生了較大變化，高溫下拉伸模量明顯降低，延伸率提高。從圖5可看出，室溫拉伸與高溫拉伸斷口區(qū)別明顯，室溫拉伸斷口比較平整，且纖維/基體間存在明顯的裂紋，而高溫拉伸斷口參差不齊，纖維及基體斷面粗糙，呈現(xiàn)出假塑性斷裂特征，可提高變形量，延伸率提高。

3 結(jié)論

(1)在穿刺間距為2.1 mm、穿刺束纖維根數(shù)為12 K時(shí)C/C材料獲得高拉伸強(qiáng)度，Z向拉伸強(qiáng)度131.4 MPa，XY向拉伸強(qiáng)度111.3 MPa。

(2)隨著穿刺間距的減小，穿刺束纖維根數(shù)的增加，Z向纖維含量增加，Z向拉伸強(qiáng)度提高。

(3)穿刺C/C復(fù)合材料1 800 ℃真空條件下的拉伸強(qiáng)度與室溫相近，拉伸模量低于室溫，延伸率高于室溫。室溫拉伸斷口比較平整，且纖維/基體間存在明顯的裂紋，而高溫拉伸試樣斷口參差不齊，纖維及基體斷面粗糙，呈現(xiàn)出假塑性斷裂特征。

[1] Schmidt D.Evolution of carbon-carbon composites[J].Sampe,1996,32(4):36-42.

[2] Savage E.Carbon/carbon composites[M].London: Chapman & Hall,1993:15-20.

[3] 張曉虎,李賀軍,郝志彪,等.預(yù)制體結(jié)構(gòu)對(duì)C/C噴管出口錐材料力學(xué)性能的影響[J].固體火箭技術(shù),2006,29(5):380-383.

[4] Alain Lacombe,Thierry Pichon,Marc Lacoste． 3D carbon/carbon composites are revolutionizing upper stage liquid rocket engine performance by allowing introduction of large nozzle extension[R]． AIAA 2009-2678.

[5] 劉文一,楊涓,毛根旺,等.電子回旋共振推力器C/C復(fù)合材料柵極的力學(xué)性能[J].推進(jìn)技術(shù),2007,28(6):692-696.

[6] 吳小軍,喬生儒,程文,等.軟硬混編預(yù)制體增強(qiáng)瀝青基4D-C/C材料的拉伸破壞行為[J].新型炭材料,2013,28(4):300.

[7] 王寶來(lái),梁軍,劉洋,等.三維編織細(xì)編穿刺炭/ 炭復(fù)合材料拉伸與壓縮性能及試件尺寸效應(yīng)研究[J].固體火箭技術(shù),2008,31(2):184-187.

(編輯：薛永利)

Influence of punctured structure parameters on tensile performance of C/C composite

XIE Hui-zhen1，2,CUI Hong1,LI Rui-zhen1,QIN Shu-ying1,SUN Jian-tao1,LI Jin1

(1.Xi'an Aerospace Composites Research Institute,Xi'an 710025,China；2.National and Local Union Engineering Research Center of High-performance Carbon Fiber Manufacture and Application,Xi'an 710089,China)

Carbon fiber bundles with different distance and fiber content were punctured to form carbon fiber preforms. The preforms were densified by CVI and pitch impregnation-high pressure carbonization process. The results show that the material punctured by 12 K bundles with a distance of 2.1 mm displays tensile strength of 131.4 MPa alongZ-direction and 111.3 MPa alongXY-direction. With the bundle distance decreasing and the fiber amount of punctured bundle increasing,increase of theZ-directional carbon fiber volume result in increasing tensile strength alongZ-direction obviously. The tensile strength under vacuum and 1 800 ℃ condition is similar to that under room temperature;the tensile modulus is lower and the tensile elongation is higher than that under room temperature. The tensile fracture surface of sample tested at room temperature is flat and smooth;there are obvious cracks in the interface between fiber and matrix. On the contrary,the tensile fracture surface of the sample tested at 1800℃ is rough,both the fibers and matrix fracture surface are rough,which present pseudoplastic characters.

C/C composite;punctured distance;fiber amount of punctured bundle;tensile strength;tensile modulus;high temperature performance

2014-04-20；

：2014-05-15。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51202233)。

解惠貞(1973—)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槟透邷貜?fù)合材料。E-mail:xiehuizhen1973@163.com

V258

A

1006-2793(2015)01-0107-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.021