三維無緯布穿刺碳/碳復(fù)合材料幾何構(gòu)型對拉伸試驗(yàn)性能的影響研究

喬永樂，沈 薇，李 磊

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

三維無緯布穿刺碳/碳復(fù)合材料幾何構(gòu)型對拉伸試驗(yàn)性能的影響研究

喬永樂，沈 薇，李 磊

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

為了給三維無緯布穿刺碳/碳復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能測試確定合適的幾何構(gòu)型，選取了5種軸向構(gòu)型和1種徑向構(gòu)型，部分構(gòu)型粘貼有加強(qiáng)片。對這6種構(gòu)型進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并對試驗(yàn)測得的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的大小、分散性以及破壞模式等做了對比分析，確定啞鈴形構(gòu)型適于三維無緯布穿刺徑向試樣，且徑向試樣的夾持面應(yīng)盡可能地大。對徑向構(gòu)型來說，啞鈴形100mm×9.6mm×9.6mm(夾持部位20mm×19.2mm)構(gòu)型最佳。

三維無緯布穿刺碳/碳復(fù)合材料；幾何構(gòu)型；啞鈴形；直條形；破壞模式

1 引 言

碳/碳復(fù)合材料由于具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高等一系列優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。作為高溫結(jié)構(gòu)材料，其拉伸性能是材料的重要特性，直接影響最終產(chǎn)品的使用可靠性。由于碳/碳復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜，決定其不同于一般的復(fù)合材料，更異于金屬材料，影響工藝及性能的因素較多，導(dǎo)致對其力學(xué)性能的測試及損傷機(jī)理的研究比較困難，尤其是拉伸性能的測試結(jié)果與碳/碳復(fù)合材料預(yù)制件本身的結(jié)構(gòu)及樣件的取向密切相關(guān)，測試樣件的尺寸選擇、樣件中所含碳纖維數(shù)量的多少及測試設(shè)備和測試參數(shù)等因素對拉伸性能都有明顯的影響。

目前，國內(nèi)外力學(xué)性能測試方法中沒有針對碳/碳復(fù)合材料拉伸性能的測試標(biāo)準(zhǔn)，各研究單位都是借鑒其它材料拉伸性能的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試的，不能全面真實(shí)地反映碳/碳復(fù)合材料本身的拉伸性能，且各家所借鑒的標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，測試出來的結(jié)果差異較大，不能很好地進(jìn)行碳/碳復(fù)合材料的性能比對，使材料的使用受到了很大的局限。因此，迫切需要根據(jù)碳/碳復(fù)合材料的特點(diǎn)建立統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的拉伸性能測試方法，以填補(bǔ)我國在碳/碳復(fù)合材料拉伸性能測試方面的空白，為建立標(biāo)準(zhǔn)化的碳/碳復(fù)合材料體系奠定基礎(chǔ)，并為材料的安全設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證提供可靠的保障，對完善和健全我國碳/碳復(fù)合材料的技術(shù)水平有重要的意義。

目前，常用的碳/碳復(fù)合材料試樣結(jié)構(gòu)有三維穿刺結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)三維針刺結(jié)構(gòu)。三維穿刺結(jié)構(gòu)為XY平面采用連續(xù)長纖維或無緯布鋪層，Z向采用連續(xù)長纖維束雙向貫穿的編織物結(jié)構(gòu)；準(zhǔn)三維針刺結(jié)構(gòu)為XY平面采用連續(xù)長纖維鋪層，Z向采用針刺工藝引入短纖維的編織物結(jié)構(gòu)。本文著重研究XY平面采用無緯布鋪層的三維穿刺結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式稱為三維無緯布穿刺結(jié)構(gòu)，試樣構(gòu)型有6種，包括不同的取樣方向、外形尺寸、有無加強(qiáng)片、不同批次等。

2 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件設(shè)計(jì)考慮到加工能力、加工精度以及試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)等因素，共設(shè)計(jì)了6種試樣構(gòu)型，如表1所示，均為扁平狀。取樣方向有XY向和Z向，規(guī)定無緯布鋪層平鋪平面為XY向，垂直于鋪層方向?yàn)閆向。外形分為直條形和啞鈴形，其中各有不同的外形尺寸等。試樣分有加強(qiáng)片構(gòu)型和無加強(qiáng)片構(gòu)型。試樣加強(qiáng)片材料為鋁(厚度為1mm)，膠粘劑為環(huán)氧樹脂，常溫固化。軸向拉伸試樣的工作段保證3×3束纖維整數(shù)。

表1 試驗(yàn)件構(gòu)型

3 試驗(yàn)過程

3.1 應(yīng)變測量

由于試樣的特殊結(jié)構(gòu)，使用的應(yīng)變計(jì)片基尺寸不足以覆蓋足夠的胞塊，同時(shí)由于試樣工作段的尺寸有限，即便是用大片基的應(yīng)變計(jì)，試樣的邊界效應(yīng)也會(huì)對應(yīng)變測量帶來影響。因此，應(yīng)變計(jì)不適合對碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)變測量，而引伸計(jì)由于是在一個(gè)較大的跨距內(nèi)測量試樣的變形，因此能夠得到較好的結(jié)果。本項(xiàng)試驗(yàn)中引伸計(jì)標(biāo)距采用25mm。

3.2 拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，將試樣對中夾持于試驗(yàn)機(jī)的夾頭中，為了避免因夾持力過大造成試樣夾持部位損傷，又要保證試驗(yàn)件拉伸過程中不打滑，試驗(yàn)過程中夾持力的調(diào)整至關(guān)重要。試驗(yàn)中，對每種構(gòu)型試樣的夾持力都進(jìn)行了詳細(xì)的記錄，結(jié)果見表2。試驗(yàn)機(jī)橫梁位移速率為1mm/min，對試樣連續(xù)加載，直至試樣破壞。連續(xù)測量載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)，試樣破壞后記錄了試樣的最大載荷和破壞載荷，對試樣破壞模式和破壞位置進(jìn)行了觀察并拍照。

表2 試樣夾持力記錄

4 結(jié)果與討論

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

三維無緯布穿刺結(jié)構(gòu)XY向拉伸和Z向拉伸測試結(jié)果見表3，其中，XY向拉伸試樣構(gòu)型有直條形1種、啞鈴形4種；Z向拉伸試樣構(gòu)型有啞鈴形1種。

試樣破壞照片見圖1-圖5，分別為XY向拉伸5種構(gòu)型的破壞模式，圖6為Z向拉伸的破壞模式。

表3 三維無緯布穿刺試樣拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 構(gòu)型1#破壞模式

圖2 構(gòu)型2#破壞模式

圖4 構(gòu)型4#破壞模式

圖5 構(gòu)型5#破壞模式

圖6 構(gòu)型6#破壞模式

4.2 結(jié)果討論

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到：

(1)三維無緯布穿刺徑向直條形拉伸試樣的破壞為厚度方向無緯布斷裂，部位在工作段，但個(gè)別試樣端部夾碎，這是由于當(dāng)載荷增大時(shí)，夾持力偏小容易打滑，故增加夾持力，但由于試樣夾持面積不夠，因此容易造成試樣夾持部位夾碎，如圖1所示。三維無緯布穿刺徑向啞鈴形拉伸試樣的破壞為厚度方向無緯布斷裂，部位在工作段，個(gè)別在過渡段，見圖2-圖5。從試驗(yàn)結(jié)果也可看到，直條形試樣的拉伸強(qiáng)度低于啞鈴形試樣。

(2)三維無緯布穿刺徑向拉伸啞鈴形試樣100mm×9.6mm×9.6mm(夾持部位20mm×19.2mm)構(gòu)型試樣(構(gòu)型4#)的拉伸強(qiáng)度最高。

(3)三維無緯布穿刺軸向拉伸試樣的破壞為軸向纖維束斷裂，部位在工作段或過渡段。

(4)三維無緯布穿刺徑向拉伸和軸向拉伸試樣可采用無加強(qiáng)片形式。

通過以上分析可以看出，啞鈴形構(gòu)型適于三維無緯布穿刺徑向試樣，徑向試樣的夾持面應(yīng)盡可能地大。通過對比徑向各構(gòu)型的力學(xué)性能數(shù)據(jù)的大小、結(jié)果的分散性以及破壞模式，對于徑向構(gòu)型來說，啞鈴形100mm×9.6mm×9.6mm(夾持部位20mm×19.2mm)構(gòu)型最佳。

[1]易法軍,梁軍,萬小朋,等.混雜碳/碳復(fù)合材料超高溫拉伸斷裂模式[J].航空材料學(xué)報(bào),2006,22(7):16-30.

[2]韓紅梅,李賀軍,張守陽,等.三維編制碳/碳復(fù)合材料(C/C)的拉伸性能及損傷[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002,21:451-453.

[3]易法軍,韓杰才,杜善義,等.混雜碳/碳復(fù)合材料超高溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].航空材料學(xué)報(bào),2003,4(2):118-122.

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[5]周光明,陸曉華,許正輝,等.細(xì)編穿刺3D碳/碳復(fù)合材料雙向拉伸試驗(yàn)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,31(6):390-393.

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Study on the Effect of Geometry Configuration of 3D non-Woven Cloth Punctured C/C Composites on Tensile Test

Qiao Yongle, Shen Wei, Li Lei

(Aircraft Strength Research Institute, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

In order to provide appropriate geometry configuration for tensile property test of 3D non-woven cloth punctured carbon/carbon composites, five kinds of axial configurations and one kind of radial configuration are selected in this paper. Some kinds of the configurations are bonded with reinforcing plates, and tensile tests are carried out for the six kinds of configurations. The values of tensile strength and tensile modulus, scattered and failure mode are compared and analyzed. The dumbbell shaped is appropriate geometry configuration for 3D non-woven cloth punctured carbon/carbon composites, and the area of clamping part of radial optimal configuration should be as large as possible. The dumbbell shaped specimen which size is 100mm×9.6mm×9.6mm (the size of clamping part is 20mm×19.2mm) is used as the radial optimal configuration.

3D non-woven cloth punctured C/C composites; geometry configuration; dumbbell shaped; straight shaped; failure mode

2016-10-09

喬永樂(1986-)，男，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向：復(fù)合材料力學(xué)性能表征。

V259

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.006