多軸向經(jīng)編預(yù)制體碳化硅陶瓷基復(fù)合材料鉚釘剪切性能研究*

陳永當(dāng) 李 楠 尉寄望 劉持棟 劉小沖

1. 西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710600；

2. 陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西 西安 710038；

3. 西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072

碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(SiC-Ceramic Matrix Composites，簡稱SiC-CMCs)具有低密度、高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗氧化和抗燒蝕、對裂紋不敏感及不發(fā)生災(zāi)難性損毀等優(yōu)良特性[1-3]，故SiC-CMCs(其中SiC通常包括C/SiC和SiC/SiC兩類)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。且隨著高性能、可重復(fù)使用的航空航天器的加速發(fā)展，大型復(fù)雜SiC-CMCs構(gòu)件成為了未來裝備發(fā)展的主要形式[4-5]，因此SiC-CMCs零部件的集成與裝配成為了制備大型復(fù)雜構(gòu)件的關(guān)鍵。

SiC-CMCs鉚釘是一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件，通常采用以碳纖維為增強(qiáng)體的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料制備，其在使用過程中主要發(fā)揮連接、固定、支撐、傳遞載荷等作用。典型的鉚釘鉚接結(jié)構(gòu)如圖1所示，鉚釘穿過上下兩個(gè)圓形試片中心的預(yù)制孔，兩個(gè)試片被鉚接并固定成一個(gè)整體。

圖1 典型的鉚釘鉚接結(jié)構(gòu)

已有眾多學(xué)者就C/SiC陶瓷基復(fù)合材料鉚釘剪切強(qiáng)度開展了研究?？虑缜嗟萚6]1500研究了由不同直徑的鉚釘鉚接的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的鉚釘拔出性能，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)鉚釘直徑小于4.5 mm時(shí)，鉚釘表現(xiàn)為斷裂現(xiàn)象，接頭為脆性破壞；當(dāng)鉚釘直徑大于4.5 mm時(shí)，鉚釘表現(xiàn)為拔出現(xiàn)象，接頭為韌性破壞，且直徑越大，被連接的復(fù)合材料的性能損失越大。劉永勝等[7]209-210對不同錐度C/SiC鉚釘?shù)你T接性能開展了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料鉚接接頭的幾何參數(shù)與其破壞形式之間存在固有的關(guān)系。當(dāng)鉚接接頭的錐度為2°，被連接板厚度為6.5 mm時(shí)，若鉚釘?shù)陌霃叫∮?.2 mm，則鉚釘被拉斷；若鉚釘?shù)陌霃酱笥?.2 mm，則鉚釘被拔出。張青等[8]采用數(shù)值模擬的方法研究了C/SiC鉚接結(jié)構(gòu)抗剪切性能，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)所有鉚接結(jié)構(gòu)都以鉚釘被剪斷的形式被破壞，斷口出現(xiàn)在連接板內(nèi)側(cè)，破壞模式與試驗(yàn)驗(yàn)證吻合。Zhang等[9]研究了單鉚釘鉚接結(jié)構(gòu)的氧化剪切強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)：氧化前后的二維疊層(2D)-C/SiC單鉚釘鉚接剪切強(qiáng)度等于纖維橋聯(lián)應(yīng)力強(qiáng)度與2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度之和，小于其拉伸強(qiáng)度；隨氧化失重率的逐步增大，2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、面內(nèi)剪切強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度呈線性下降規(guī)律，而2D-C/SiC單鉚釘鉚接剪切強(qiáng)度呈指數(shù)下降規(guī)律，研究者認(rèn)為這與鉚釘受彎剪耦合應(yīng)力有關(guān)。

綜合上述研究不難發(fā)現(xiàn)，鉚釘?shù)男阅苤苯雨P(guān)系到零部件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和目標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)[10]。目前，陶瓷基復(fù)合材料鉚接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能普遍偏低，鉚接失效情況時(shí)有發(fā)生，這嚴(yán)重影響了陶瓷基復(fù)合材料在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。已有的研究多關(guān)注鉚釘?shù)睦旌图羟行阅?，以及鉚接單元結(jié)構(gòu)性能，而有關(guān)不同預(yù)制體鉚釘性能差異性的研究仍是空白，這阻礙了工程技術(shù)人員對鉚釘及其鉚接性能的深入理解和更深層次的性能優(yōu)化[6]1497， [7]205。

多軸向經(jīng)編(Multi-axial Warp-Knitted，簡稱MWK)預(yù)制體具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢，如抗拉強(qiáng)力高，彈性模量高，懸垂性好，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，抗撕裂性能好，抗剪切性能好，適應(yīng)范圍廣，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高等[11-13]。MWK預(yù)制體復(fù)合材料在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用十分突出，如風(fēng)電葉片蒙皮設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)載荷類型和方向選擇單軸向或雙軸向或多軸向結(jié)構(gòu)纖維預(yù)制體，其中多軸向結(jié)構(gòu)可用于葉片根部，其利用多層織物的合理鋪設(shè)來承擔(dān)由扭矩產(chǎn)生的剪切力[14]。近年來，將多軸向經(jīng)編預(yù)制體與新型復(fù)合材料成型工藝相結(jié)合制成的高性能多軸向經(jīng)編復(fù)合材料，在航空航天、船舶制造、建筑工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[15]。

本研究將采用化學(xué)氣相滲透沉積工藝(Chemical Vapor Infiltration，簡稱 CVI)制備4軸向經(jīng)編(4-MWK)預(yù)制體和常規(guī)2D預(yù)制體增強(qiáng)的C/SiC鉚釘，通過比較這兩種C/SiC鉚釘?shù)募羟行阅埽沂舅鼈兊男阅懿町惡蛢?nèi)在機(jī)制，以期為陶瓷基復(fù)合材料鉚釘及鉚接結(jié)構(gòu)性能的提升提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 預(yù)制體的制備

本研究預(yù)制體用纖維選擇日本東麗公司的T300-1K碳纖維。2D預(yù)制體由普通平紋布疊層而成；4-MWK預(yù)制體由4軸向碳布疊層而成，其單元層內(nèi)的纖維采用0°、 45°、 -45°和90°這4種取向平鋪、疊層，不同取向的纖維采用聚酯單絲固定。預(yù)制體結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 預(yù)制體結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物照片

1.2 材料與試樣的制備

分別采用2D預(yù)制體和4-MWK預(yù)制體制備2D-C/SiC鉚釘和4-MWK-C/SiC鉚釘。制備工藝采用的是西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的等溫CVI制備工藝。具體制備流程：首先，在制備的預(yù)制體表面沉積熱解碳界面層，沉積溫度700 ℃，氣氛壓力0.2 kPa，丙烯流量30 mL/min，Ar氣流量300 mL/min，沉積時(shí)間20 h；隨后，沉積碳化硅基體，沉積溫度1 000 ℃，氣氛壓力2.0 kPa， H2氣流量200 mL/min， Ar氣流量300 mL/min，三氯甲基硅烷(MTS)溫度30 ℃， H2與MTS 的摩爾質(zhì)量比為10∶1，沉積時(shí)間100 h左右；待密度達(dá)到2.0 g/cm3及以上后，即獲得SiC-CMCs毛坯材料板；將SiC-CMCs毛坯材料板分割成棒料，再用無心磨將棒料磨圓，切割成所需長度，完成鉚釘成品的制備，清洗、干燥后儲(chǔ)存?zhèn)溆谩１狙芯克勉T釘直徑4.0 mm、長度40.0 mm。鉚釘鋪層示意如圖3所示，鉚釘軸向與纖維布的鋪層方向平行。

圖3 鉚釘鋪層示意(左為主視圖，右為截面圖)

1.3 剪切性能測試

鉚釘剪切性能測試裝置及測試原理如4所示，測試在Instron E10000測試平臺(tái)上進(jìn)行。首先，將待測鉚釘插入測試工裝的銷孔內(nèi)，工裝將鉚釘左右兩端固定；接著，測試設(shè)備對鉚釘中部位置施加向上的拉伸載荷，載荷加載速率0.05 mm/min，直至鉚釘兩端發(fā)生剪切破壞。測試設(shè)備同步記錄加載端位移和載荷數(shù)據(jù)，加載端的鉚釘剪切強(qiáng)度采用式(1)計(jì)算。

(1)

式中：τ——鉚釘剪切強(qiáng)度，MPa；

Fs——實(shí)際剪切力，N；

A——剪切面積，mm2；

S——鉚釘截面面積，mm2。

圖4 鉚釘剪切性能測試平臺(tái)及原理示意

1.4 微觀結(jié)構(gòu)表征

利用日立S-4700型掃描電子顯微鏡觀測剪切破壞后的鉚釘截面，旨在揭示其破壞模式和斷裂機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切性能

圖5a)和b)反映了2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘剪切測試前后的形貌，可以看出兩種鉚釘在剪切工裝左右兩個(gè)加載端面位置發(fā)生同時(shí)斷裂，說明兩種鉚釘質(zhì)地均勻，長度方向上材料模量一致、承力均衡。兩種材質(zhì)的鉚釘在剪切測試中的受力情況均如圖5c)所示，在載荷Fs的作用下，鉚釘在剪切工裝左右固支點(diǎn)位置斷裂，形成三個(gè)部分。結(jié)合兩種鉚釘斷口的形貌來看，斷裂點(diǎn)1與斷裂點(diǎn)2，斷裂點(diǎn)3與斷裂點(diǎn)4，斷口均相似，斷口處均有少量纖維拔出，兩種鉚釘都表現(xiàn)出脆性斷裂模式，這也與實(shí)際應(yīng)用中鉚釘尺寸都較小(直徑在5.0～10.0 mm)，連續(xù)纖維的增韌效應(yīng)不能顯著表現(xiàn)出來有關(guān)。

圖5 鉚釘剪切性能測試前后形貌及受力分析

表1所示為制備的2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘?shù)募羟行阅軘?shù)據(jù)。其中：2D-C/SiC鉚釘平均剪切強(qiáng)度為106.74 MPa，最低剪切強(qiáng)度為89.32 MPa，最高剪切強(qiáng)度為125.81 MPa；4-MWK-C/SiC鉚釘?shù)钠骄羟袕?qiáng)度為203.88 MPa，最低剪切強(qiáng)度為143.64 MPa，最高剪切強(qiáng)度為259.45 MPa。表1的測試數(shù)據(jù)說明：4-MWK-C/SiC鉚釘剪切強(qiáng)度明顯高于2D-C/SiC鉚釘剪切強(qiáng)度；且隨著剪切強(qiáng)度的升高，4-MWK-C/SiC鉚釘剪切強(qiáng)度的分散性也明顯增大，其剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差為34.96MPa。

表1 鉚釘剪切強(qiáng)度統(tǒng)計(jì) (MPa)

圖6是2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘?shù)奈灰?剪切強(qiáng)度曲線，發(fā)現(xiàn)：2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘?shù)臄嗔亚€形狀相似，都呈現(xiàn)出脆性斷裂特征，即當(dāng)載荷達(dá)到鉚釘?shù)某休d極限時(shí)鉚釘發(fā)生破壞，這是因?yàn)榧羟蟹较?即鉚釘直徑方向)上不存在連續(xù)長纖維，故而纖維增韌效果不明顯；4-MWK-C/SiC鉚釘極限剪切強(qiáng)度(平均203.88 MPa)遠(yuǎn)高于2D-C/SiC鉚釘(平均106.74 MPa)。

圖6 鉚釘位移-剪切強(qiáng)度曲線

2.2 微觀結(jié)構(gòu)形貌

2D-C/SiC鉚釘剪切破壞截面的微觀結(jié)構(gòu)形貌如圖7所示。試樣中垂直于鉚釘軸向的纖維(即0°方向纖維)呈現(xiàn)出剝離狀的破壞形貌，其對鉚釘?shù)募羟袕?qiáng)度貢獻(xiàn)不大；平行于鉚釘軸向的纖維(90°方向纖維)拔出效果明顯，說明90°方向纖維是抵抗剪切載荷的主承載單元，其體積約占纖維總體積的50%。

圖7 2D-C/SiC鉚釘剪切破壞截面微觀結(jié)構(gòu)形貌

4-MWK-C/SiC鉚釘剪切破壞截面的微觀結(jié)構(gòu)形貌如圖8所示。與鉚釘軸向垂直的0°方向的纖維呈現(xiàn)剝離狀損傷，而90°、±45°方向的纖維都可以看到有明顯的纖維絲束的拔出，即非0°方向的纖維的剪切破壞狀態(tài)都十分顯著。

圖8 4-MWK-C/SiC鉚釘剪切破壞截面微觀結(jié)構(gòu)形貌

2.3 鉚釘剪切機(jī)理

圖9所示是鉚釘剪切機(jī)理的示意。2D-C/SiC鉚釘?shù)目辜裟芰χ饕膳c鉚釘軸向平行的0°方向的碳纖維承擔(dān)，而90°方向的碳纖維束不能承擔(dān)剪切力的作用，其發(fā)生剝離狀損傷。4-MWK-C/SiC鉚釘?shù)募羟辛梢杂?°和±45°方向的碳纖維來承擔(dān)，承擔(dān)剪切載荷的纖維體積分?jǐn)?shù)高于2D-C/SiC鉚釘。因此，相同致密化程度的2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘，后者的剪切強(qiáng)度明顯高于前者。

圖9 鉚釘剪切機(jī)理示意

此外，4-MWK纖維布中存在45°和-45°方向的纖維，這兩種取向的纖維能夠增加4-MWK預(yù)制體的整體性能，避免類似2D預(yù)制體常見的分層破壞現(xiàn)象的發(fā)生。因此，4-MWK-C/SiC鉚釘?shù)目辜羟行阅芨谩?/p>

3 結(jié)論

本文揭示了碳化硅陶瓷基復(fù)合材料鉚釘抗剪切性能與鉚釘預(yù)制體參數(shù)之間的關(guān)系，可為碳化硅陶瓷基復(fù)合材料鉚釘?shù)墓こ袒瘧?yīng)用提供基本理論支撐：

(1) 2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘都表現(xiàn)出了脆性斷裂模式，這與實(shí)際應(yīng)用中較小的鉚釘尺寸(直徑5.0～10.0 mm)使得連續(xù)纖維的增韌效應(yīng)不能顯著表現(xiàn)出來有關(guān)；

(2) 2D-C/SiC鉚釘剪切強(qiáng)度較低，平均剪切強(qiáng)度約為106.74 MPa，平行于鉚釘軸向的纖維是承擔(dān)剪切載荷的主體，占纖維總體積的50%；

(3) 4-MWK-C/SiC鉚釘剪切強(qiáng)度較高，平均剪切強(qiáng)度約為203.88 MPa，90°和±45°方向纖維對鉚釘剪切強(qiáng)度都有直接貢獻(xiàn)，它們占纖維總體積的75%。

(4) 高強(qiáng)SiC-CMCs鉚釘?shù)脑O(shè)計(jì)原則是降低0°方向纖維的體積含量，增加90°方向纖維的體積含量。此外，-45°和45°方向的纖維可以增加鉚釘?shù)恼w性能，提升其抵抗分層破壞的能力，故相對于2D-C/SiC鉚釘而言，4-MWK-C/SiC鉚釘更不易產(chǎn)生分層破壞。

致謝：對陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司在陶瓷基復(fù)合材料鉚釘預(yù)制體設(shè)計(jì)與制備方面給予的協(xié)助表示感謝。