李 杰 閆聯(lián)生 張 強(qiáng) 虎 琳 郭曉波 王 毅

縫合密度對縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響

李 杰 閆聯(lián)生 張 強(qiáng) 虎 琳 郭曉波 王 毅

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

采用碳纖維無緯布縫合預(yù)制體，經(jīng)“CVI+PIP”混合工藝制備了縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料。比較不同縫合密度對C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察復(fù)合材料斷口的微觀形貌。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，隨著縫合密度的提升，縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有所下降，然而剪切強(qiáng)度有明顯提升，最大可達(dá)24.94MPa。從SEM結(jié)果可以看出，無緯布縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的拉伸破壞有明顯假塑性斷裂特性，在剪切載荷作用下，向纖維可有效抑制材料層間分層損傷。

縫合密度；C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料；力學(xué)性能

1 引言

陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，耐高溫、耐燒蝕，成為制造高超聲速飛行器燃燒室的熱防護(hù)材料之一。復(fù)雜形狀的陶瓷基復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)部件的制備工藝以及工程化應(yīng)用研究在近二十年來倍受各國關(guān)注，已經(jīng)成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[1～4]。目前應(yīng)用于復(fù)雜形狀的陶瓷基復(fù)合材料熱防護(hù)構(gòu)件已實現(xiàn)了工程化生產(chǎn)的纖維預(yù)制體主要有3D編織預(yù)制體、針刺預(yù)制體等[5～7]。其中，3D編織預(yù)制體增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的碳纖維體積分?jǐn)?shù)高，纖維的取向性較高，相比較于傳統(tǒng)的陶瓷基復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度有顯著的提升，同時也提高了構(gòu)件的結(jié)構(gòu)整體性。但3D編織復(fù)合材料也有不可忽視的缺點(diǎn)：致密化效率低，工藝成本太高，難以制備大型部件[8]。針刺預(yù)制體增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料有3D編織復(fù)合材料不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：致密化效率高，復(fù)合材料制備周期短，工藝成本較低，可制作大型構(gòu)件，同時針刺C/C-SiC復(fù)合材料比編織結(jié)構(gòu)（3D或2.5D）的C/C-SiC 復(fù)合材料的抗氧化燒蝕性能更好[9，10]；并且針刺預(yù)制體C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料適合制備復(fù)雜形狀構(gòu)件，易于工程化。西安航天復(fù)合材料研究所進(jìn)行多年針刺預(yù)制體增強(qiáng)C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料研究，并已在超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)層得到應(yīng)用，但是針刺結(jié)構(gòu)燃燒室承載能力較差，難以滿足更高的超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室熱構(gòu)件的承載需求，亟需更高強(qiáng)度的縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料。國內(nèi)至今尚未對縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的性能展開研究[11～14]。

本文采用turfing縫合方式將二維無緯碳布鋪層制備成不同縫合密度的縫合預(yù)制體，然后通過“CVI+PIP”混合工藝制備縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料。探究縫合密度對縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料拉伸性能和彎曲性能的影響規(guī)律，進(jìn)一步闡釋了縫合工藝參數(shù)對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響機(jī)理，為提高復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度提供設(shè)計依據(jù)和技術(shù)支持。

2 實驗

2.1 實驗原材料

a. T700SC-12K碳纖維無緯布，面密度為330g/m2,而縫合線采用吉碳生產(chǎn)的1K碳纖維，1K×4股加捻合股而成；

b. 采用國防科技大學(xué)新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實驗室合成的聚碳硅烷作為SiC陶瓷先驅(qū)體；

c. ZrC陶瓷先驅(qū)體由中科院工程研究所軍工材料課題組合成，規(guī)格型號CM120；

d. 無色透明液體的二甲苯作為聚碳硅烷與碳化鋯陶瓷先驅(qū)體樹脂的溶劑。

2.2 縫合預(yù)制體制備

將T700SC-12K連續(xù)碳纖維無緯布裁取三組尺寸為220mm×220mm的無緯碳布（每組28塊無緯碳布），將每組無緯碳布以0o/90o交替疊層形成二維無緯碳布，然后采用縫線按照縫合間距3mm×3mm、4mm×4mm、5mm×5mm將三組二維無緯碳布制備成本實驗所需要的三組不同縫合間距的無緯碳布縫合預(yù)制體（縫合預(yù)制體尺寸：220mm×220mm×13mm），如圖1所示。

本實驗制備的預(yù)制體參數(shù)如表1所示。

圖1 斜紋布縫合預(yù)制體

表1 三種不同預(yù)制體參數(shù)

2.3 C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料試樣制備

首先采用CVI工藝將已經(jīng)制備好的三種不同縫合密度的無緯碳布縫合預(yù)制體進(jìn)行致密，制備成密度約為1.2g/cm3多孔梯度C/C坯體；然后采用PIP工藝對多孔梯度C/C坯體進(jìn)行SiC-ZrC基體致密化，最終材料密度達(dá)2.0g/cm3左右，材料參數(shù)如表2所示。CVI致密過程：將已經(jīng)制備好的三種不同縫合密度的無緯碳布縫合預(yù)制體置于MTS-H2氣體體系中，將溫度升至1000～1100℃進(jìn)行碳化。PIP致密過程：將SiC陶瓷先驅(qū)體和ZrC陶瓷先驅(qū)體按照一定比例混合均勻，制備成C/C復(fù)合材料的浸漬劑，然后將密度約為1.2g/cm3的C/C復(fù)合材料置于浸漬劑中，經(jīng)過壓力浸漬常壓裂解最終制備成本實驗所需的縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料。

表2 三種C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料

2.4 性能表征

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/Gb95—92測試本文中三種材料的拉伸性能。拉伸試樣厚度=6mm，長為100mm，兩端寬為15mm；標(biāo)距段的長度為50mm，寬度為10mm。試樣的拉伸試驗在Instron1196萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，加載速率控制在1mm/min，拉伸試樣在兩端分別膠粘結(jié)1mm厚的鋁板加固。為拉伸最大載荷，拉伸強(qiáng)度E按下式計算表達(dá)式：

E?（1）

按照標(biāo)準(zhǔn)Q/QJA207—2014加工縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的剪切試樣，其尺寸為18mm×6mm×3mm，在室溫下，采用短梁三點(diǎn)彎曲法測試其剪切性能。電子萬能試樣機(jī)跨距為15mm，跨高比調(diào)整為5，加載速率為0.5mm/min。為最大外加載荷，彎曲強(qiáng)度計算公式如下：

3/4（2）

采用JSM-5800掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口形貌分析。采用排水法測試復(fù)合材料的密度，測試規(guī)范按照GBl994. 15—881。

3 結(jié)果與分析

3.1 材料的拉伸性能

表3為三種不同縫合密度的無緯碳布縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。無緯碳布縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著縫合密度的升高而降低，其拉伸模量隨縫合密度的變化趨勢相似。W5試樣拉伸強(qiáng)度和模量最高分別可達(dá)218MPa和95.8GPa；W4試樣的拉伸強(qiáng)度相比于W5試樣下降了2.2%，而W3試樣的拉伸強(qiáng)度相比于W4試樣卻下降了17.6%，可見當(dāng)縫合密度過大時無緯碳布縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度受縫合密度影響較大，顯著降低，且隨著縫合密度的提升，拉伸強(qiáng)度的下降幅度增大。

表3 縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料拉伸性能

由表3可知，隨著縫合密度的提高，縫合預(yù)制體的面內(nèi)纖維體積分?jǐn)?shù)增大，而縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度卻隨縫合密度而降低，產(chǎn)生這樣的復(fù)雜的變化，究其原因在于：a.一方面，由于縫合密度的提高，向纖維增多，其對復(fù)合材料內(nèi)部裂紋“釘扎”與“橋聯(lián)”的作用增強(qiáng)，對纖維鋪層的聯(lián)結(jié)與耦合作用增大，降低單層纖維鋪層的厚度，提高了面內(nèi)纖維體積分?jǐn)?shù)，可有效抑制復(fù)合材料分層損傷，進(jìn)而提高復(fù)合材料的完整性與拉伸強(qiáng)度；b.但是另一方面，由于在縫合預(yù)制體制備過程中引入的向纖維和縫針都會對面內(nèi)纖維造成一定程度的斷裂和屈曲，這些受損的纖維在外加載荷的作用下，無法充分發(fā)揮纖維的力學(xué)承載能力，因此會導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能的降低。故在一定的范圍內(nèi)，縫合密度的提升，面內(nèi)纖維在縫合過程中受到較為嚴(yán)重的變形甚至斷裂，導(dǎo)致拉伸性能有所降低，這一結(jié)論跟徐華杰[15]和聶景江[16]的研究結(jié)果相似。

從圖2可以看出，無緯碳布縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的宏觀斷面粗糙不平，有明顯的纖維束，拉伸斷口微觀形貌上有少量的單根纖維的拔出，體現(xiàn)其明顯的假塑性破壞行為的特征。

圖2 無緯碳布縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料拉伸破壞形貌SEM照片

3.2 材料的剪切性能

由表4可以看出，縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度隨著縫合密度的提高而增強(qiáng)，與W5試樣相比，W4試樣和W3試樣的層間剪切強(qiáng)度分別提高0.9%和7.6%，最高（W3）可達(dá)24.94MPa。

表4 三種材料的剪切強(qiáng)度

縫合密度越高，縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度越大。當(dāng)縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料在剪切載荷作用下，向纖維可以起到“釘扎”裂紋，橋聯(lián)裂紋兩端縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料鋪層的作用，可提高縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度。

圖3所示為縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料試樣在層間剪切載荷作用下的分層破壞SEM照片。由圖3中可見多條裂紋，裂紋可穿過縫合線繼續(xù)擴(kuò)展，或在縫合線處終止。基體強(qiáng)度較低，且層與層之間不易致密，因此層間基體內(nèi)存在許多孔隙缺陷，易在剪切作用下產(chǎn)生分層。當(dāng)復(fù)合材料中存在向縫合纖維時，縫合線貫穿了縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料厚度方向，促進(jìn)層間SiC基體和ZrC基體的沉積，聯(lián)結(jié)了復(fù)合材料各個鋪層，當(dāng)裂紋穿過縫合纖維繼續(xù)擴(kuò)展時，縫合纖維可以充分發(fā)揮“釘扎”裂紋和橋聯(lián)各層的作用，提高了縫合C/C-SiC-ZrC的層間剪切性能。在層間剪切載荷作用下勢必要有一部分向纖維束會出現(xiàn)切斷或撥出的現(xiàn)象（向纖維撥出將消耗更多的斷裂能）。在層間剪切載荷作用下，隨著縫合密度的增加即向纖維的增加，縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料發(fā)生分層破壞時就需要更多的向纖維切斷和拔出即消耗更多的斷裂能，所以縫合密度越高，縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料剪切強(qiáng)度越大。

圖3 無緯碳布縫合C/C-SiC-ZrC復(fù)合材料剪切破壞SEM照片

4 結(jié)束語

a. 縫合密度越大，單層纖維鋪層厚度更薄，向纖維和面內(nèi)體積分?jǐn)?shù)越高；

b. 雖然向纖維存在對材料的內(nèi)部裂紋“釘扎”作用與纖維鋪層“橋聯(lián)”作用，能夠在一定程度上有效抑制復(fù)合材料分層損傷，進(jìn)而提高復(fù)合材料的完整性與拉伸強(qiáng)度，但是在一定范圍內(nèi)隨著縫合密度的提升，面內(nèi)纖維在縫合過程中受到較為嚴(yán)重的變形甚至斷裂會導(dǎo)致拉伸性能有所降低；

c. 在層間剪切載荷下，隨向纖維密度增加，在剪切載荷作用下，會有更多的向纖維發(fā)揮“釘扎”裂紋，橋聯(lián)裂紋兩端鋪層的作用，材料破壞需要更多的向纖維切斷即需要消耗更多的斷裂能，故無緯碳布縫合C/C-SiC-ZrC的層間剪切強(qiáng)度增大，最大可達(dá)24.94MPa。

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Effects ofStitch Density on Mechanical Properties of Stitched C/C-SiC-ZrC Composites

Li Jie Yan Liansheng Zhang Qiang Hu Lin Guo Xiaobo Wang Yi

(Xi’an Aerospace Composite Material Institute, Xi’an 710025)

The stitched C/C-SiC-ZrC composites were prepared by the “CVI+PIP” mixing process using the carbon fiber non-staple fabric suture preform. The effects of different stitching densities on the mechanical properties of C/C-SiC-ZrC composites were compared, and the microstructure of composite fractures was observed by scanning electron microscopy (SEM). The results show that within a certain range, the tensile strength of the stitched C/C-SiC-ZrC composites slightly decreased and the shear strength has significantly increased (up to 24.94MPa) as the increase of the stitching density. It can be seen from the SEM results that the tensile failure of the non-weft-stitched C/C-SiC-ZrC composites has obvious pseudoplastic fracture characteristics. Under the action of shear load, the-direction fiber effectively inhibits interlayer delamination damage.

stitched density；C/C-SiC-ZrC composites；mechanical property

李杰（1990），碩士，高溫材料及制造專業(yè)；研究方向：陶瓷基復(fù)合材料。

2018-06-10