三維針刺SiO2f/SiO2復合材料高溫拉-拉疲勞特性

王恒,張培偉*,徐培飛,陳強,費慶國

（1.東南大學 機械工程學院，南京 211189；2.高速飛行器結構與熱防護教育部重點實驗室，南京 211189）

天線罩作為飛行器的重要構件，其主要作用是保持天線系統能夠正常工作，在高速飛行過程中面臨復雜嚴酷的高溫環境、動載荷環境，因此其材料性能的主要衡量標準包括介電性能、抗熱振性能和力學性能，分別對應著透波、防熱和承載的功能[1]。為了保證天線罩結構安全，不僅需要衡量材料的靜態力學性能，還需要評估材料在長期高溫疲勞載荷作用下的力學性能變化規律。從20世紀60年代至今，天線罩材料的發展經歷了有機玻璃-單相陶瓷-連續纖維增強陶瓷基復合材料的發展歷程[2]。被認為適用于天線罩的特種耐高溫纖維主要有石英纖維(SiO2)、氮化硼纖維(BN)、氮化硅纖維(Si3N4)。目前，氮化物纖維技術尚不成熟，無法滿足大尺寸天線罩的制備需要，而石英纖維則是目前比較成熟的增強相，石英織物增強二氧化硅基(SiO2f/SiO2)復合材料已經在多個天線罩型號上得到應用[3]。

現有的對SiO2f/SiO2復合材料的研究主要集中在熱物理性能[4]、介電性能[5-6]和靜態力學性能[7]，而對SiO2f/SiO2復合材料疲勞力學性能的研究鮮有報道。劉勇[8]比較了2.5D淺交彎聯和直聯(經/緯紗密度相同且纖維體積分數相近)、3D四向和五向(編織工藝參數和纖維體積分數相近) 4種SiO2f/SiO2復合材料的拉伸性能、彎曲性能、剪切性能和斷裂韌性等力學性能，結果表明：經紗傾斜角的大小對2.5D SiO2f/SiO2復合材料的拉伸性能具有關鍵影響，傾斜角越小，拉伸強度和斷裂應變越大；3D五向SiO2f/SiO2復合材料的拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度和剪切強度均高于3D四向SiO2f/SiO2復合材料，而彎曲模量和剪切模量低于3D四向SiO2f/SiO2復合材料。Xiang等[9]開展了2.5D SiO2f/SiO2復合材料在常溫和1 200℃高溫下的彎曲試驗，結果表明：2.5D SiO2f/SiO2復合材料常溫下的斷裂機制為脆性斷裂和韌性斷裂相結合，在斷裂面，纖維束被大量拔出；高溫下的斷裂機制轉變為典型的脆性/突然斷裂，斷裂面少量纖維被拔出；1 200℃下的彎曲強度較常溫下大幅減小，但彎曲彈性模量幾乎不變。Yu等[10]利用數字圖像相關技術(Digital image correlation)觀測比較了常溫下2D和2.5D SiO2f/SiO2復合材料的拉伸力學性能。結果表明，2D和2.5D SiO2f/SiO2復合材料的全場位移和應變分布存在顯著差異，表明織構結構對SiO2f/SiO2復合材料的變形演化和承載機制有較大影響。Shi等[11]完成了二維斜紋SiO2f/SiO2復合材料在常溫和900℃高溫下的拉伸試驗。在室溫下，應力-應變曲線在早期表現出明顯的非線性，界面的裂紋偏轉和明顯的纖維拔出導致了復合材料的非脆性斷裂；在900℃下，應力-應變曲線保持線性直到纖維斷裂，其最終失效表現為脆性；900℃時的彈性模量(4.05 GPa)和極限強度(22.04 MPa)低于室溫時的彈性模量(4.36 GPa)和極限強度(36.16 MPa)。

目前對SiO2f/SiO2復合材料的疲勞研究鮮有報道，因此考察與其有類似結構體系的陶瓷基復合材料的疲勞研究現狀。Li等[12]開展了2.5D針刺C/C-SiC復合材料拉-拉疲勞和剩余強度試驗，證實了疲勞循環導致基體裂紋增加，降低了材料內的應力集中；疲勞加載后的剩余強度比其原始拉伸強度高出許多，且疲勞循環數對疲勞剩余強度有很大影響。方光武等[13]研究了室溫下針刺C/SiC復合材料的拉-拉疲勞特性和拉-壓疲勞特性，在拉-拉循環載荷作用下，針刺C/SiC復合材料的遲滯環隨著循環數的增大而整體右移，其殘余應變不斷增大；而在拉-壓循環載荷作用下，遲滯環在壓縮到特定載荷后會發生偏轉，偏轉后模量近似等于其靜拉伸的初始段模量，且隨著循環數的增大其遲滯環的頂部不斷右移，而底部則基本保持穩定。Wang等[14]采用聲發射技術研究了2.5D C/SiC復合材料靜拉伸和疲勞破壞過程，所有損傷特征的演化都表明了基體裂紋的飽和現象。顯微組織觀察發現，由于獨特的組織結構，紗線的斷裂和基體裂紋大多發生在紗線交叉區。Dalmaz等[15]研究了2.5D C/SiC復合材料在不同溫度下的循環疲勞試驗，在細觀尺度上考慮紗線/紗線相互作用，發現循環疲勞在一定程度上取決于纖維/基體界面的剪切強度。

本文在600℃和800℃高溫環境下開展三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的低周拉-拉疲勞試驗，通過對疲勞過程期間應力-應變的實時監測，得到疲勞期間的試件模量隨循環次數的變化規律，分析三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的高溫疲勞力學行為。

1 實驗材料及方法

1.1 原材料

試驗材料是采用溶膠-凝膠法(Sol-Gel)制造的三維針刺SiO2f/SiO2復合材料。針刺SiO2f/SiO2復合材料主要原料是以長石英纖維織造而成的基布和短纖維制造而成的網胎。通過機械刺針的上下運動，對交替鋪層的基布和網胎進行逐層針刺，將網胎中的纖維引入鋪層方向，使編織層與網胎層相互纏結，使面內和層間都有一定強度。具體的制備工藝如下：首先將石英纖維預制體放入密閉容器中，然后將容器抽氣使壓力至0.1 Pa。將高純度硅溶膠(體積比為25%，平均粒徑為10 nm，pH值為9)吸進容器中，在0.1 Pa的壓力下浸漬6 h，然后在150℃下干燥4 h，逐漸去除凝膠溶液中的水分，然后在800℃下燒結1 h，去除偶聯劑和結合水。重復此過程10個循環以獲得最終的復合材料。

參考Q/AVIC 06185.1-2015標準[16]的推薦試樣形式，確定拉-拉疲勞的具體尺寸和實物圖，如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖1 SiO2f/SiO2復合材料拉伸疲勞試樣外形尺寸和截面CT掃描圖Fig.1 Dimensions of tensile fatigue samples of SiO2f/SiO2 composite and cross section CT scan

材料的截面微觀形貌CT掃描如圖1(c)所示，圖中白色部分為纖維預制體，黑色部分為二氧化硅基體?？梢钥吹?，經過反復針刺，大量纖維被刺入纖網，纖網中許多纖維束被針刺引入的纖維分開，整體織物結構不均勻。表1展現了三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的部分性能。

表1 三維針刺SiO2f/SiO2復合材料性能Table 1 Properties of three-dimensional needled SiO2f/SiO2 composites

1.2 試驗條件及方法

疲勞試驗設備選用中機試驗裝備股份有限公司的SDS-100電液伺服疲勞試驗機，加熱設備采用南京通合科技有限公司自行研制的HTF06-1400調速高溫爐，采用碳化硅發熱體，并配備S型熱電偶。根據SiO2f/SiO2復合材料試件形式，設計加工配套的楔形夾具。具體的裝夾形式如圖2(b)和圖2(d)所示，試件的上下夾持端被楔形夾具加持，加熱爐將試件的中部引伸計測量段包圍，加熱爐預留孔洞供引伸計探頭進入加熱爐內部測量試件應變。楔形夾具的具體形式如圖2(c)所示。楔形夾具分為底端和頂端兩部分，將試件放入底端并進行對中，再用固定螺栓將夾具頂端與底端連接，這一過程會產生一定的彎曲變形，不完全擰緊夾具，后續施加0.1 kN拉伸預緊力抵消裝夾所產生的彎曲變形并一直保持確保試件不因加熱導致的熱應力斷裂。

圖2 SDS-100 電液伺服疲勞試驗機Fig.2 SDS-100 electro-hydraulic servo fatigue testing machine

裝夾完成后開始試驗，加熱爐按照200℃/min的加熱速率升至設定溫度并保溫20～30 min后開始疲勞加載，采用力控制，加載波形為正弦波。

采用升降法來探索試件在設定的溫度下能夠達到指定循環次數所能承載的最大疲勞應力，測試溫度為600℃選用6個試件，測試溫度為800℃選用7個試件。為了避免材料的自熱反應，加載頻率設定為5 Hz，應力比R=0.1；設置疲勞循環次數加載上限值為105。對于那些疲勞加載105次循環后存活的試件，為避免二次裝夾對試件造成不必要的損傷，在疲勞加載停止后不進行拆卸，仍保持在疲勞加載時的溫度，直接在疲勞機上進行剩余強度拉伸測試，采用位移控制加載，加載速率為2 mm/min，獲取疲勞加載后試件的拉伸應力-應變曲線。高溫拉伸強度實驗及高溫疲勞實驗均用MTS系統公司的632.54F-11氣冷型高溫引伸計測量變形，引伸計標距段為25 mm。在整個疲勞加載過程中，疲勞加載為5 Hz，引伸計的采樣頻率為500 Hz，因此在每個循環內能采集100個應力-應變數據點，供后續分析。

2 結果與分析

2.1 SiO2f/SiO2復合材料拉-拉疲勞試驗結果

表2展現了13個試件在600℃和800℃的疲勞性能測試結果。編號從SiO2f/SiO2-S1到SiO2f/SiO2-S6的試件進行了600℃疲勞性能試驗，疲勞應力為34.8 MPa和44.8 MPa的試件在首次疲勞加載就直接斷裂，沒有疲勞壽命。疲勞應力為28.7 MPa和28.9 MPa的試件達到105次疲勞，疲勞應力為31.7 MPa的試件達到45 504次循環，疲勞應力為35.9 MPa的試件僅有1 412次循環，600℃下的疲勞性能測試結果符合金屬上常見的“疲勞應力越大，疲勞循環次數越短”的疲勞應力-疲勞循環次數(S-N)關系；編號從SiO2f/SiO2-E1到SiO2f/SiO2-E7的試件進行了800℃疲勞性能試驗，疲勞應力為38.8 MPa的試件達到764次循環，疲勞應力為33 MPa的試件達到3 948次循環，而疲勞應力為35.8 MPa的試件則有45 599次循環，疲勞應力為31.0 MPa、36.0 MPa、37.7 MPa與38.6 MPa的試件均達到了105次疲勞；在本文中，每個循環內的模量被定義為滯回環上大應力處和最小應力處對應的兩個應力-應變數據點連接而成的直線斜率。將每個試件前30次的模量平均值定義為這個試件的初始模量，可以看到，測試溫度為600℃的4個試件初始模量分別為22.8 GPa、24 GPa、27 GPa和26.7 GPa；測試溫度為800℃的7個試件有3個試件的初始模量稍低，分別為20.2 GPa、23 GPa、24.7 GPa，其他4個試件的初始模量則比較高，分別為30 GPa、30.5 GPa、34 GPa和35 GPa；由于復合材料在制備時會有隨機孔隙的產生，試件本身離散性比較大，因此測試溫度為800℃下的7個試件初始模量分布較分散。將600℃和800℃下的試件初始模量進行平均計算，測試溫度為600℃的試件的平均初始模量是25.13 GPa，測試溫度為800℃下的試件的平均初始模量是28.2 GPa，即測試溫度為800℃的試件的平均初始模量比測試溫度為600℃的試件的平均初始模量高出3.07 GPa。根據試驗流程，在疲勞加載開始前，試件會在設定的溫度下保溫20～30 min。經過20～30 min的保溫過程，800℃下試件的平均初始模量相較600℃下高出3.07 GPa，也就是說溫度對材料的初始模量也有著顯著的影響。這是由于玻璃態的SiO2在600～800℃時黏度隨溫度的升高而減小，流動性變好，填補材料的微裂紋，阻止其繼續擴展，可使材料產生一定程度的“自愈合”，從而使試件的模量增加[17]。疲勞試驗的疲勞應力和壽命(S-N)曲線如圖3所示。材料在800℃能夠達到105次循環時所承載的疲勞應力比在600℃下高出許多，因此可以說溫度對三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的疲勞性能影響較大，從600℃升到800℃，材料所能承受的疲勞應力提高，但同時離散型也更加顯著。試件在600℃和800℃下針對105次循環的疲勞應力極限無法確定，由于在600℃和800℃下的S-N曲線都沒有表現壽命隨著疲勞應力的降低而逐漸增長的穩定趨勢。

表2 SiO2f/SiO2復合材料試件疲勞性能數據Table 2 Fatigue performance data of SiO2f/SiO2 composites

圖3 600℃和800℃下SiO2f/SiO2復合材料疲勞應力和壽命示意圖Fig.3 Diagram of fatigue stress and life of SiO2f/SiO2 compositeat 600℃ and 800℃

圖4展示了疲勞加載后剩余強度拉伸試驗的應力-應變曲線。結合圖3與圖4，可以看到測試溫度為800℃的SiO2f/SiO2-E4、SiO2f/SiO2-E5、SiO2f/SiO2-E6這3個試件達到105次壽命，試件SiO2f/SiO2-E6承載的疲勞應力最大，對應的剩余強度也最大，且剩余彈性模量也是最大；試件SiO2f/SiO2-E4承載的疲勞應力最小，對應的剩余強度也最小，且剩余彈性模量也是最小。相比較之下，測試溫度為600℃的試件SiO2f/SiO2-S1和SiO2f/SiO2-S2所承載的疲勞應力接近，兩者的剩余強度和剩余彈性模量也幾乎接近。此外，測試溫度為800℃的試件剩余彈性模量普遍比測試溫度為600℃的試件大，這與前面提到的600～800℃玻璃態的SiO2黏度隨溫度的升高而降低從而提高了試件的彈性模量相對應。觀察可以看到，試件的剩余強度拉伸應力-應變曲線可以分為兩個階段：線性階段和損傷階段。在拉伸應力低于試件承載的疲勞應力時的力學行為可以近似為線彈性，這與疲勞階段中裂紋已經生成并擴展至飽和的事實相一致。在達到之前的疲勞應力后產生新的裂紋并擴展，進入非線性損傷階段，之后達到峰值并斷裂。也就是說，疲勞加載后的拉伸行為和疲勞最大應力有著密切的關聯，即應力-記憶效應[18-19]。5個試樣斷裂時應力-應變曲線均呈“斷崖式”下降，即脆性斷裂。這是由于在之前的疲勞過程中已經達到裂紋飽和，主要起承載作用的纖維通過基體的剪切作用傳遞載荷的能力降到最低，界面脫粘和纖維拔出較少，因此試件表現出脆性斷裂。

圖4 SiO2f/SiO2復合材料剩余強度應力-應變曲線Fig.4 Residual strength stress-strain curves of SiO2f/SiO2 composite

2.2 疲勞試驗中的材料力學行為

圖5(a)展示了試件SiO2f/SiO2-S2在測試溫度600℃時不同循環次數下的滯回環曲線，圖5(b)展示了試件SiO2f/SiO2-E5在測試溫度800℃時不同循環次數下的滯回環曲線。滯回環現象的出現通常歸因于纖維與基體之間沿粘結界面的摩擦，滯回環越大，說明纖維與基體的界面磨損越大?？梢钥吹?，不論是在600℃還是800℃測試溫度下，試件在40 000次前的循環中，滯回環位置變化都較大(類似棘輪效應)，滯回環包含的面積也較大，說明基體裂紋增長和界面脫粘的速率較快，材料損耗較快。而在40 000次循環之后，滯回環表現出明顯的線性，包含的面積幾乎為零，說明很少有裂紋生成，內部損傷已經逐漸達到了飽和的狀態。在應力最小處的模量相對疲勞平均應力處的模量較大，這是由于在低應力水平下基體會出現裂紋閉合效應。在低應力水平下，基體裂紋/纖維有向原始位置移動的傾向，形成的裂紋部分閉合，界面的接觸與摩擦增大，從而提高了界面處的摩擦剪應力，在滯回環上表現出模量增加。

圖5 在600℃ (a)和800℃ (b)下SiO2f/SiO2復合材料試件滯回環曲線Fig.5 Hysteretic loop curves of SiO2f/SiO2 composites at 600℃ (a) and 800℃ (b)

滯回環的斜率(也就是模量)隨循環次數變化也是加載過程中損傷積累的特征表現。典型的變化特征是模量逐步下降，如圖6所示。當進行疲勞加載時，制備時留下的孔隙會首先破裂，造成基體開裂損傷速率較快，即PA段；當基體的裂紋延伸到基體與纖維的界面時，纖維與基體便發生滑移，纖維阻擋了裂紋的擴展，基體裂紋趨于飽和狀態，纖維在循環摩擦損耗，模量緩慢下降，此時損傷速率變低，即AB段；隨循環次數增加，界面脫粘區纖維相對基體往復滑移導致界面磨損加劇，進一步導致纖維束斷裂，造成巨大損傷，試件最終失效，即BC段。由于纖維失效的隨機性，很多時候，試件在AB階段就突然失效，即沒有BC階段。因此，對于復合材料的疲勞壽命來說，全壽命周期并不總是3個壽命段都包括在內，部分只表現出前兩個階段。

圖6 疲勞損傷及模量退化示意圖Fig.6 Schematic diagram of fatigue damage and modulus degradation

圖7(a)和圖7(b)分別展示了測試溫度為600℃和800℃下所有試件的模量隨循環次數的變化?？梢钥吹?，測試溫度不論是600℃還是800℃，在中等或較低的疲勞應力水平下，試件在105循環內通常都不會發生失效。但同時觀測到，三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的離散性較大，試件的模量變化規律不都是模量隨著循環次數逐漸降低。在圖7(b)中，試件SiO2f/SiO2-E5的模量在達到極小值后呈上升趨勢，而在上升期又會出現峰值或拐點，然后再次下降，模量隨著循環加載而波動。試件SiO2f/SiO2-E3也表現出同樣的模量波動行為，模量在第10 000次循環時達到最大，之后下降到極小值后又上升。這種模量的部分上升是由于裂紋中的碎屑的堆積和脫粘的纖維被拖拽至與載荷軸的方向一樣[20]，使應力集中現象得以在局部范圍內獲得重新分布，從而提高了試件的模量。而在極低疲勞應力水平下，像試件SiO2f/SiO2-E1，則沒有表現出這種情況，而是表現出了模量隨著循環加載一直持續上升，接近設定的105次循環時又有些許下降。

圖7 SiO2f/SiO2復合材料在600℃ (a)和800℃ (b)下模量退化曲線Fig.7 Modulus degradation curves of SiO2f/SiO2 composites at 600℃ (a) and 800℃ (b)

2.3 SiO2f/SiO2復合材料剩余模量退化模型

為了完整描述三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的疲勞損傷過程及模量退化規律，本文選用了一種可完整描述復合材料I、II和III階段的剩余模量退化模型[21]，用于三維針刺SiO2f/SiO2復合材料剩余模量的預報。

對于全壽命周期的試件(本文設定壽命達到105次)，采用以下的模量退化模型：

定義剩余模量的疲勞損傷為

式中：E0為初始模量；En為剩余模量；Erc為臨界剩余模量。

DE可表示為壽命比n/N的函數，即

當n=N時，f(n/N)=1。定義聯合式(1)和式(2)，可得正則化剩余模量的表達式為

本文采用一種非線性損傷累積模型：

其中，a、b、c為擬合參數，可通過最小二乘法擬合得到。

聯合式(3)和式(4)，得全壽命周期的剩余模量退化模型化曲線：

使用上述模型對本試驗模量數據進行擬合，模量試驗值及擬合曲線如圖8所示，所擬合的模型參數及與試驗數據的擬合優度R2見表3。

表3 SiO2f/SiO2復合材料試件模量退化模型擬合參數及擬合優度Table 3 Fitting parameters and correlation coefficients of modulus degradation model for SiO2f/SiO2 composites

圖8 600℃ (a)和800℃ (b)下SiO2f/SiO2復合材料試件模量試驗值及擬合曲線Fig.8 Life cycle modulus test value and fitting curves of SiO2f/SiO2 composites at 600℃ (a) and 800℃ (b)

可以看到，雖然試件的試驗條件不同，但在模量和壽命正則化之后，模量退化幾乎都保持著一致的趨勢，除試件SiO2f/SiO2-S2以外，其他試件的擬合優度R2都保持在0.96以上，模型曲線和試驗數據的吻合性良好。

3 結 論

研究了三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的高溫疲勞行為及試樣在預先設定的應力和循環條件下疲勞加載后的剩余強度。此外，在試驗結果的基礎上，應用剩余模量退化模型估算了三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的模量隨疲勞次數的變化規律。根據所進行的研究，可以得出以下結論：

(1) 三維針刺SiO2f/SiO2表現出優異的高溫疲勞性能。溫度對三維針刺SiO2f/SiO2復合材料所承載疲勞應力大小有很大影響，試件在600℃和800℃下表現出不同的疲勞性能；

(2) 三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的裂紋產生及擴展主要發生在疲勞加載的前期循環。在前期滯回環面積較大，且不規則，說明產生的損傷較多。而后期滯回環幾乎呈線性，包含面積為0，說明裂紋的產生及擴展都趨于飽和，損傷較少；

(3) 三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的疲勞力學行為表現出既有規律性又有隨機性。模量的典型變化是逐漸下降。除此之外，部分試件在經歷過模量下降后又經歷恢復期，而在低應力水平下的材料模量則表現出逐漸上升；

(4) 三維針刺SiO2f/SiO2復合材料在疲勞加載后的拉伸試驗中表現出線性和損傷兩階段，最終斷裂方式為脆性斷裂；

(5) 600℃和800℃下的三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的試驗結果與本文所提出的剩余模量退化模型吻合較好，說明此模型適用于描述三維針刺SiO2f/SiO2復合材料的高溫疲勞模量下降規律，對于疲勞壽命的預估具有一定參考價值。