三維C/C- ZrC 復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能研究

周 蕊 李培元 李 娜

（西安航空制動科技有限公司，陜西 西安710065）

1 概述

碳纖維作為碳碳復(fù)合材料中的增強(qiáng)相，具有優(yōu)良的斷裂韌性，同時改善了陶瓷材料韌性差和穩(wěn)定差等缺陷，應(yīng)用范圍十分廣泛[1，2]。碳纖維本身是一維織物，根據(jù)使用要求可進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的編織，又可分為一維、二維、三維和多維織物預(yù)制體，并且不同織構(gòu)的預(yù)制體將直接影響材料最終的性能[3，4]。三維預(yù)制件增強(qiáng)復(fù)合材料采用一次編織成型工藝，纖維貫穿于材料的長、寬、高三個不同的維度，具有三維整體網(wǎng)狀式結(jié)構(gòu)。能夠有效的增強(qiáng)厚度方向的強(qiáng)度，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，進(jìn)而克服了一維和二維預(yù)制件增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)缺陷，現(xiàn)已成為航天、航空等領(lǐng)域的重要候選材料之一[5-7]。本論文采用前驅(qū)體浸漬裂解法（PIP）將ZrC 陶瓷相引入到三維C/C 復(fù)合材料中，在重復(fù)多次浸漬后，制備出密度為2.05g/cm3的三維C/C-ZrC 復(fù)合材料。同時采用Instron-3369 型材料力學(xué)試驗機(jī)，對材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

2 實驗

2.1 樣品制備

選取預(yù)制體密度為（0.75±0.05）g·cm-3三維編制體，以丙烯為碳源氣體，在950℃、爐壓≤5Kpa 下進(jìn)行沉積增密。將經(jīng)過增密工藝處理，密度達(dá)到（1.35±0.05）g·cm-3三維碳/碳復(fù)合材料置入經(jīng)改裝的真空浸漬裝置內(nèi)，對裝置進(jìn)行抽真空后，將ZrC 先驅(qū)體浸漬液注入裝置內(nèi)，使碳碳復(fù)合材料完全浸沒于液體中，保持真空狀態(tài)下浸漬1h。待浸漬完成后，將樣品取出放置在溫度為80℃的烘箱中8h。隨后將樣品置入高溫石墨化爐中進(jìn)行裂解，裂解工藝參數(shù)為：氮氣保護(hù)下，溫度為1500～1600℃，升溫速率約為10℃/min，待溫度升至1500～1600℃，后保溫1h，隨爐冷卻至室溫。裂解完畢后，利用超聲波將樣品清理干凈，重復(fù)浸漬- 裂解過程，直至將樣品的密度增密至2.05g·cm-3。

2.2 力學(xué)性能測試

以Instron-3369 型材料力學(xué)試驗機(jī)為測試儀器，利用三點抗彎法測試復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度（圖1）。由于C/C 復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維預(yù)制體的編織方式密切相關(guān)，樣品的加載方向均與X-Y 面垂直，沿針刺方向（Z 方向）。測試樣品的規(guī)格為55×10×4mm，測試過程中的加載速度為0.5mm/min，測試樣品的加載跨距為40mm。每組數(shù)據(jù)取三個樣品計算平均值。

抗彎強(qiáng)度σf的計算公式如下：

式中：σf－抗彎強(qiáng)度，MPa；

P－試樣斷裂時的最大載荷，N；

L－彎曲試樣的跨距，mm；

b－試樣寬度，mm；

h－試樣厚度，mm。

圖1 彎曲強(qiáng)度測試置示意圖

利用Instron-3369 型材料力學(xué)試驗機(jī)測試樣品的抗壓性能，測試復(fù)合材料的尺寸為10mm×10mm×10mm，加載方向為針刺方向（Z 方向），加載速率為1mm/min，每組樣品取3 個計算平均值。

3 力學(xué)性能研究

采用三點彎曲測試了材料的抗彎性能，橫向斷裂強(qiáng)度為210 MPa，遠(yuǎn)高于二維針刺編織體C/C-ZrC 復(fù)合材料的150 MPa。三維C/C-ZrC 復(fù)合材料的斷裂“載荷- 位移”曲線如圖2所示，斷裂過程大致主要包括兩個階段：

（1）線性階段，在此階段材料發(fā)生彈性形變，復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力呈線性增加；

（2）“波折、臺階式”下降，當(dāng)載荷加大到一定數(shù)值后，復(fù)合材料開始發(fā)生斷裂，但載荷并未出現(xiàn)“陡坡式”降低，而是呈現(xiàn)出一定程度的“波折、臺階式”下降趨勢。與二維針刺C/C-ZrC 復(fù)合材料（圖3）不同的是，三維材料出現(xiàn)了兩個較為明顯的平臺過渡區(qū)，存在二次承載面。斷裂機(jī)制與脆性斷裂完全不同，與塑性斷裂也有著一定的差別，材料在斷裂前并未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。因此，三維C/C-ZrC 復(fù)合材料的斷裂機(jī)制遵循假塑性斷裂模式。

圖4 為三維C/C-ZrC 復(fù)合材料斷口微觀形貌。由于預(yù)制體編制方式的不同，三維復(fù)合材料具有較高的纖維體積含量和良好的整體性。從圖中可觀察到，不僅纖維束之間基體的填充較為緊密，而且纖維束內(nèi)纖維與基體之間的界面結(jié)合也較緊密,使炭纖維與基體之間結(jié)合成較為牢固的整體，因此只有少量的纖維拔出。

圖2 三維C/C-ZrC 復(fù)合材料斷裂“載荷- 位移”曲線

圖3 二維C/C-ZrC 復(fù)合材料斷裂“載荷- 位移”曲線

圖4 三維C/C-ZrC 復(fù)合材料斷口微觀形貌

圖5 為三維C/C-ZrC 復(fù)合材料的壓縮“載荷- 位移”曲線。由圖可見，加載過程主要分為兩個階段：

（1）準(zhǔn)線性階段，隨著加載過程的進(jìn)行，材料內(nèi)部的應(yīng)力呈線性增加，裂紋也在不斷延展；另外，ZrC 陶瓷相是采用PIP 工藝引入到基體內(nèi)的，在裂解的過程中會生成大量的氣體和體積收縮，造成材料內(nèi)部存在一些孔隙，在載荷加載的過程中這些孔隙會優(yōu)先消失，導(dǎo)致壓縮曲線前段呈準(zhǔn)線性。

（2）“陡坡式”下降，隨著載荷的不斷增加，當(dāng)達(dá)到最大載荷后曲線陡然下降，未出現(xiàn)明顯的緩沖平臺區(qū)，C/C-ZrC 復(fù)合材料的壓縮機(jī)制遵循脆性斷裂模式。由于預(yù)制體的編制方式不同，相比于二維針刺編織體，三維編織體中的Z 向纖維含量較高，當(dāng)載荷沿Z 向加載時能夠承受更大的應(yīng)力。因此三維C/C-ZrC復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為240MPa，高于二維C/C-ZrC 復(fù)合材料的190MPa。

4 結(jié)論

采用化學(xué)氣相滲透法和前驅(qū)體浸漬裂解法制備三維C/C-ZrC 復(fù)合材料，三維編織體中的Z 向纖維含量較高，當(dāng)載荷沿Z 向加載時能夠承受更大的應(yīng)力。三維C/C-ZrC 復(fù)合材料的力學(xué)性能高于二維針刺編織體C/C-ZrC 復(fù)合材料。

圖5 三維C/C-ZrC 復(fù)合材料壓縮“載荷- 位移”曲線