短切碳纖維C/SiC陶瓷基復合材料的動態劈裂拉伸實驗*

徐 穎邵彬彬許維偉楊建明

(1.安徽理工大學土木建筑學院,安徽淮南232001; 2.安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南232001)

短切碳纖維C/SiC陶瓷基復合材料的動態劈裂拉伸實驗*

徐 穎1,2,邵彬彬1,許維偉1,楊建明1

(1.安徽理工大學土木建筑學院,安徽淮南232001; 2.安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南232001)

為了探究C/SiC陶瓷基復合材料的動態斷裂力學行為和破壞形態,利用分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)裝置對3種不同短切碳纖維體積分數的C/SiC陶瓷基復合材料進行了動態劈裂實驗,并利用掃描電子顯微鏡掃描了C/SiC復合材料試件的破壞界面,分析了C/SiC陶瓷基復合材料的失效特征和增韌機理。實驗結果表明:C/SiC復合材料在沖擊劈裂實驗過程中,同一短切碳纖維體積分數下試件的動態抗拉強度隨著沖擊氣壓的增大而增大;短切碳纖維體積分數為16.0%時,材料的抗拉強度最低;沖擊后,試件的整體破壞情況與沖擊氣壓、短切碳纖維體積分數有關。

短切碳纖維;體積分數;陶瓷基復合材料;動態劈裂拉伸測試;分離式霍普金森壓桿

C/SiC陶瓷基復合材料由于具有各種優良的性能,被廣泛應用于航空航天等領域[1-2]。從20世紀七八十年代至今,對陶瓷基復合材料的力學及理化性能已進行了諸多探索。彭剛等[3]利用纖維增強復合材料,對SHPB動態拉伸實驗技術進行了研究,并對實驗過程中出現的干擾波加以分析,提出了減少實驗誤差、使實驗更精確的一些處理方法和建議。潘文革等[4]利用聲發射和顯微觀察技術對C/SiC復合材料的拉伸過程進行了監測,認為其損傷演化過程包含無損、損傷出現、損傷加速3個階段。梅輝等[5]利用電子萬能試驗機對二維C/SiC復合材料采取單向拉伸和加載-卸載(分段式)2種實驗,發現隨應力的增大,C/SiC復合材料內部損傷達到45%后,材料將發生失效。楊成鵬等[6]對平紋編織C/SiC復合材料進行了單調拉伸和循環加卸載實驗,發現材料內部的殘余應變、卸載模量和外加應力的關系曲線與拉伸應力應變曲線類似。索濤等[7]用高溫電子試驗機和SHPB對二維C/SiC復合材料進行了高應變率和高溫下的單軸壓縮力學實驗,發現當實驗溫度高于1 073 K時,二維C/SiC復合材料的壓縮強度對應變率的敏感性隨溫度的升高而顯著增大。邵彬彬等[8]對C/SiC復合材料進行了SHPB動態單軸抗壓實驗,發現C/SiC復合材料的單軸抗壓強度具有明顯的應變率效應。目前,對C/SiC復合材料的力學性能測試主要集中于靜態力學方面,對其動態壓縮力學性能、特別是動態巴西圓盤劈裂拉伸實驗的研究較少。短切碳纖維作為C/SiC復合材料的一種增強纖維,因為其生產技術及工藝較簡單,受到了越來越多的關注。本文中,選用短切碳纖維作為纖維增強材料,利用SHPB裝置對短切碳纖維C/SiC陶瓷基復合材料進行動態劈裂拉伸力學實驗,并利用掃描電子顯微鏡對C/SiC復合材料試件的破壞界面進行掃描,分析C/SiC陶瓷基復合材料巴西圓盤實驗后的動態斷裂力學行為和破壞形態。

1 C/S i C復合材料的動態劈裂實驗

1.1 實驗材料

采用先驅體浸漬裂解(precursor infiltration pyrolysis)法[9]制備了C/SiC陶瓷基復合材料試件。制備過程中使用了長度為3～5 mm的短切碳纖維、聚碳硅烷、粒度300目的SiC微粉、酚醛樹脂、二甲苯和無水乙醇等材料。

1.2 實驗原理及方法

1.2.1 SHPB動態劈裂實驗基本原理

C/SiC陶瓷基復合材料是一種脆性材料。在測試脆性材料的拉伸力學性能方面,巴西實驗由于試樣制作簡單、加載方便、理論成熟等優點而為許多學者所接受。巴西實驗是一種抗拉強度的間接測試方法,該方法基于Griffith強度準則,認為試樣在中心處首先滿足破裂條件[10],中心裂紋不斷擴展最終導致整個試樣劈裂成兩半。由彈性理論可知,巴西圓盤試樣在準靜態對徑壓縮下,如圖1所示,試樣加載直徑上(施力點附近除外)的應力狀態為:

式中:σc為壓縮應力,σt為拉伸應力,d、h分別為圓盤的直徑和厚度,r為從加載點到微單元點的距離。試樣的拉伸強度可將實驗中測得的最大載荷代入式(1)中的第2式計算得到。

當高壓氮氣促使撞擊子彈以一定的速度沖撞入射桿時,應力脈沖將在入射桿中沿桿件向前傳播,此應力脈沖即是入射波εi(t);入射波到達入射桿的桿件端部時,部分脈沖將再次反射回入射桿,形成反射波εr(t);另一部分則繼續向前,高速地壓縮試件,穿過試樣的脈沖達到透射桿后則產生透射波εt(t)。通過應變片記錄下桿件上的應力脈沖。

根據SHPB實驗技術的一維應力波假定和應力均勻性假定,并結合牛頓第三定律,可計算試件承受的徑向作用荷載P(t)、試件的應變ε(t)和平均應變率等動態力學數據,即:

圖1 巴西圓盤對徑壓縮Fig.1 Diametrical compression on the Brazilian disc

式中:E0為桿件的彈性模量;A0為桿件的橫截面面積;C0為壓桿縱波波速為試件直徑,即壓桿間夾持的試件長度;t為應力波持續時間。

在材料的動態劈裂實驗中,當所測試件的內部應力狀態趨于穩定,則試件的動態應力狀態與靜態應力分布特征可視為相同,僅在試件加載端有極微小、可忽略的差別,因此,SHPB動態劈裂拉伸實驗中試件的動態拉伸應力σdt(t)可采用彈性力學方法計算:

式中:B為試件的厚度。

當C/SiC陶瓷基復合材料試件因為動態劈裂破壞時,透射波的幅值也將達到最大,此時,與之相對試件破壞的最大拉伸應力即為C/SiC復合材料試件的動態拉伸應力強度σdt。

1.2.2 實驗方法

利用直徑為37 mm的等截面鋼桿SHPB裝置作為加載設備,對3種短切碳纖維體積分數的C/SiC陶瓷基復合材料試件,分別采用0.18、0.25和0.40 MPa的沖擊氣壓,依次進行不同加載速率下的動態沖擊劈裂實驗,每組實驗重復3次。實驗時在入射桿和透射桿及試件的兩端涂抹一層凡士林,以此減小端面摩擦效應[11]。同時調整入射桿、透射桿,使試件放在中間時能使三者軸線位于同一水平面[12],如圖2所示。針對實驗加載過程中C/SiC陶瓷基復合材料試件內部應力均勻性問題,在入射桿端貼一塊尺寸為?10 mm×1 mm的紫銅片,采用波形整形技術對入射脈沖進行預處理,減小應力波的高頻振蕩,使其平緩上升,由矩形波變成平緩光滑的半正弦波,整形后的波形如圖3所示。圖4為典型動態拉伸實驗試樣兩端動態強度與時間的關系圖,圖中顯示試樣一端的入射波和反射波的應力總與另一端的透射波應力相等,這說明試樣兩端的應力已達到平衡。所有實驗試樣都經證實達到動態應力平衡。

圖2 動態劈裂實驗試件安裝方式Fig.2 Specimen installation mode in dynamic splitting tests

圖3 SHPB劈裂拉伸實驗應力波形Fig.3 Stress waves in SHPB tensile test

圖4 試件的動態應力平衡檢驗Fig.4 Dynamic stress equilibrium test of specimen

1.3 實驗結果及分析

采用上述SHPB裝置,對不同短切碳纖維體積分數的C/SiC復合材料試件,進行不同應變率下的動態劈裂實驗。短切碳纖維體積分數為24.8%的C/SiC陶瓷基復合材料的典型沖擊破壞形態如圖5所示。從圖5可以看出,C/SiC復合材料試件破碎形態主要表現為劈裂后的層裂和沿徑向加載方向的劈裂,基本符合常規巴西圓盤實驗的有效性條件[13]。當氣壓較低時,撞擊子彈的速率也較低,試件劈裂為較完整的兩部分或層裂為四部分的破壞形態。在同一短切碳纖維體積分數下,隨著沖擊氣壓的增大,短切碳纖維增強碳化硅陶瓷復合材料試件的破碎程度明顯提高,塊數增多。

圖5 短切碳纖維體積分數為24.8%的C/SiC復合材料試件動態劈裂破碎形態Fig.5 Dynamic Splitting crushing forms of C/SiC composite specimens with the short cut carbon fiber volume fraction of 24.8%

圖6 不同短切碳纖維體積分數下典型應力時程曲線Fig.6 Typical stress-time curves at different short cut carbon fiber volume fractions

圖7 動態拉伸強度與沖擊氣壓的關系Fig.7 Dynamic tensile strength varying with impact pressure

圖8 不同氣壓強度下典型應力時程曲線Fig.8 Typical stress-time curves at different impact pressures

圖9 動態拉伸強度與短切碳纖維體積分數的關系Fig.9 Dynamic tensile strength varying with short cut carbon fiber volume fraction

由于重復性實驗的動態應力時程曲線趨勢相似,特當短切碳纖維體積分數分別為16.0%、21.0%和24.8%時,取一組,將C/SiC復合材料在不同加載氣壓下的典型動態應力時程曲線列出,見圖6。將含有短切碳纖維的C/SiC復合材料的動態拉伸強度和沖擊氣壓數據列出,見圖7。

從圖6～7可以發現,短切碳纖維體積分數相同的C/SiC復合材料試件,在不同沖擊氣壓下其峰值應力不同,且隨著沖擊氣壓的增大,其峰值應力也增大。尤其當沖擊氣壓為0.40 MPa時,短切碳纖維體積分數為24.8%的C/SiC復合材料峰值應力超過24 MPa,而短切碳纖維體積分數為21.0%和16.0%的C/SiC復合材料峰值應力均低于24 MPa。且隨沖擊氣壓的增大,含有短切碳纖維的C/SiC復合材料達到峰值應力的時間也逐漸縮短,表現出一定的敏感性特征。出現這種現象的主要原因是:隨著沖擊氣壓的增大,即加載率的增加,試件內部的微裂紋來不及開裂并貫通,出現了試件變形滯后現象,并且這種滯后現象隨著加載速率的大幅提高,越來越明顯,從而試樣的拉伸強度隨之增大,且達到峰值時間縮短。另外,從圖7可以看出,在不同的沖擊氣壓下,短切碳纖維體積分數的變化會影響C/SiC復合材料的動態拉伸強度,且當短切碳纖維體積分數為16.0%時,C/SiC復合材料在各種沖擊氣壓下的動態拉伸強度都是最低的。

為確定合理的短切碳纖維體積分數,對比不同短切碳纖維含量的SiC陶瓷基復合材料在常溫狀態下的動態劈裂力學特性。實驗中每一種沖擊氣壓下各取了一組短切碳纖維體積分數不同的SiC陶瓷基復合材料的典型動態應力時程曲線,見圖8。圖8表明,當沖擊氣壓一定時,短切碳纖維體積分數為24.8%的C/SiC復合材料的動態拉伸強度較高,短切碳纖維體積分數為21%的試件的動態拉伸強度其次,短切碳纖維體積分數為16.0%的試件的動態拉伸強度最低。將不同沖擊氣壓下含有短切碳纖維的SiC陶瓷基復合材料的動態拉伸強度與短切碳纖維體積分數數據列出,見圖9。從圖9可以看出,在不同沖擊氣壓下,含有短切碳纖維的C/SiC復合材料的動態拉伸強度與短切碳纖維的體積分數有關:以沖擊氣壓為0.18 MPa時為例,短切碳纖維體積分數為16.0%的C/SiC復合材料的動態拉伸強度介于20～22 MPa,短切碳纖維體積分數為21.0%的C/SiC復合材料的動態拉伸強度介于22～24 MPa,短切碳纖維體積分數為24.8%的C/SiC復合材料的動態拉伸強度大于26 MPa,表現為含有短切碳纖維的C/SiC復合材料的動態拉伸強度隨短切碳纖維體積分數的提高而升高的變化趨勢。

2 破壞斷口的微觀結構分析

通過掃描電子顯微鏡[14],得到了短切碳纖維C/SiC陶瓷基復合材料,劈拉斷裂后斷口外觀的顯微圖,見圖10～13。

圖10～12可以看出,在相同沖擊氣壓(0.40 MPa)下,隨著短切碳纖維體積分數的提高,各試件斷口處短切碳纖維被拔出的數量增多。當短切碳纖維體積分數為16.0%時,短切碳纖維在圖片范圍內的分布均勻性較差;當短切碳纖維體積分數增大到24.8%時,試件斷口表面的短切碳纖維數量明顯增多,均勻性變好。短切碳纖維體積分數為16.0%時出現較多纖維交叉的情況,這使得碳纖維與碳化硅基體之間的結合不夠緊致,在空間上形成“架橋”結構,因此導致在此試件中短切碳纖維增韌效果不好,復合材料的整體力學性能較差。短切碳纖維即便沒有出現損傷,但是碳纖維之間因致密不足而產生的孔隙和裂紋,使得試件整體性能不足,所以要確保C/SiC復合材料的致密度,必須嚴格控制短切碳纖維在復合材料中的含量。

圖10 短切碳纖維體積分數為16.0%的C/SiC復合材料斷口形貌Fig.10 Fracture surface of C/SiC composites with the short cut carbon fiber volume content of 16.0%

圖11 短切碳纖維體積分數為21.0%的C/SiC復合材料斷口形貌Fig.11 Fracture surface of C/SiC composites with the short cut carbon fiber volume content of 21.0%

圖12 短切碳纖維體積分數為24.8%的C/SiC復合材料斷口形貌Fig.12 Fracture surface of C/SiC composites with the short cut carbon fiber volume content of 24.8%

圖13 不同沖擊氣壓下,短切碳纖維體積分數為24.8%的C/SiC復合材料斷口形貌Fig.13 Fracture surface of C/SiC composites with the short cut carbon fiber volume content of 24.8% at different impact pressures

由圖13可看出,隨著沖擊氣壓的增大,纖維拔出量也增大:沖擊氣壓為0.18 MPa時,纖維拔出與纖維斷裂的面積比β約為1/2,其動態拉伸強度約為21.0 MPa;沖擊氣壓為0.25 MPa時,纖維拔出與纖維斷裂的面積比約為2/3,其動態拉伸強度約為24.0 MPa;沖擊氣壓為0.40 MPa時,纖維拔出與纖維斷裂的面積比約為4/5,其動態拉伸強度約為26.5 MPa;纖維拔出與動態拉伸強度有明顯相關性,如圖14所示。由此可以推斷,纖維拔出是短切碳纖維C/SiC陶瓷基復合材料的主要吸能和增韌機制。

圖14 面積比與拉伸強度的關系Fig.14 Area ratio and dynamic tensile strength

3 結 論

針對摻有不同體積分數的短切碳纖維的C/SiC陶瓷基復合材料,利用SHPB實驗裝置進行了動態劈裂拉伸實驗,并利用掃描電子顯微鏡觀察了C/SiC復合材料試件的斷口破壞形態,得到如下結論:

(1)短切碳纖維體積分數一定時,含有短切碳纖維的C/SiC復合材料的動態拉伸應力隨沖擊氣壓的增大而提高,且達到峰值應力的時間也逐漸縮短,表現出一定的敏感性特征。當沖擊氣壓一定時,短切碳纖維體積分數為24.8%的C/SiC試件的動態拉伸強度較高,其次是短切碳纖維體積分數為21.0%的試件,短切碳纖維體積分數為16.0%的試件動態拉伸強度則最低。

(2)隨著短切碳纖維體積分數的不斷提高,各試件斷口處短切碳纖維被拔出的數量也在不斷變多。當短切碳纖維體積分數為16.0%時,試件斷口表面的均勻性明顯很差;當短切碳纖維體積分數增加到24.8%時,短切碳纖維的在分布圖片范圍內比較均勻。

(3)通過掃描電子顯微鏡觀察,得出當短切碳纖維體積分數為16.0%時,試件的動態劈裂強度較低。在試件劈裂破壞的斷口處有明顯的纖維拔出,被拔出的纖維數量和長度均與短切碳纖維體積分數有關,且纖維拔出與動態拉伸強度有明顯的相關性。

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Dynamic splitting tensile test of short carbon fiber C/SiC ceramic matrix composites

Xu Ying1,2,Shao Binbin1,Xu Weiwei1,Yang Jianming1
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology,Huainan232001,Anhui,China; 2.Research Center of Mine Underground Engineering of Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology,Huainan232001,Anhui,China)

In order to investigate the dynamic fracture mechanics behavior and damage morphology of C/SiC ceramic matrix composites,dynamic splitting tensile tests on the C/SiC composites with three different volume fractions of short carbon fiber(16.0%,21.0%,24.8%)were carried out by the split Hopkinson pressure bar,the destructive interface part of C/SiC composites was scanned by using scanning electron microscopy and the failure characteristics and toughening mechanism of C/SiC composites were analyzed.The experimental results show that the dynamic tensile strengths of the C/SiC composite specimens with the same short carbon fiber volume fraction increase with the increasing of the impact pressure in the dynamic splitting tensile failure process,the failure of the specimens is significantly correlated with impact pressure and short carbon fiber volume fraction.When the short carbon fiber volume fraction is 16.0%,the tensile strength of the C/SiC composite specimens is the lowest.After the impact,the overall destruction of the C/SiC composite specimens is related to impact pressure and short carbon fiber volume fraction.

short cut carbon fiber;volume fraction;ceramic matrix composites;dynamic splitting tensile test;split Hopkinson pressure bar

O347.3國標學科代碼:13015

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0315-08

(責任編輯 張凌云)

2015-09-30;

:2016-03-07

國家自然科學基金項目(51374012);高等學校博士學科點專項科研基金項目(20123415110001)

徐 穎(1965— ),男,博士,教授,博士生導師;

:邵彬彬,shao_aust@163.com。