多向軸編C/C復合材料微結構Micro-CT原位掃描與拉伸破壞機理①

許承海，徐德昇，宋樂穎，徐 凱

(哈爾濱工業大學特種環境復合材料技術國防科技重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 引言

C/C復合材料同時結合了纖維增強復合材料高性能、可設計性和炭素材料優異的高溫性能和化學穩定性等優點，具有突出的超高溫結構強度和穩定性、優異的抗燒蝕/侵蝕、抗熱震等性能，已成為洲際戰略導彈彈頭端頭、固體火箭發動機噴管等關鍵熱結構部件無可替代的防熱/結構材料［1－4］。

多向編織C/C復合材料進一步提高了材料的綜合性能，在熱、力學和抗燒蝕特性上，較好地符合固體發動機的熱結構要求，而被世界各國廣泛的作為固體發動機喉襯首選材料［5－7］。多向編織復合材料技術的應用，在提高了材料綜合性能同時，也導致了材料體系的復雜化，隨著編織方向的增加，編織工藝使纖維受損，而導致力學性能降低的可能性也就越大，影響材料力學性能的因素也就變得愈加復雜。

近年來，國內外研究者對C/C復合材料的拉伸性能開展了較多的實驗研究。Dumont［8］指出，C/C復合材料應力-應變行為與材料編織結構有關，層合C/C復合材料和braid編織C/C復合材料沿纖維方向在拉伸和壓縮載荷作用下，應力-應變關系呈線性，而weave編織C/C復合材料由于基體和纖維的損傷，應力-應變關系完全非線性。Baker［9］針對軸編炭/炭材料研究了其軸向、徑向和與徑向呈30°夾角方向的力學性能和熱物理性能，為進行該材料的表征規范研究提供了借鑒，認為該材料具有力學性能好、燒蝕率低的特點，并認為粗糙度、密度和纖維體積含量對燒蝕率具有重要影響。Aubard［10］實驗研究了4D C/C復合材料在不同溫度下的力學行為，構建了該材料非線性本構關系模型。曹翠微［11－12］對三維四向C/C復合材料的拉伸、壓縮及彎曲性能開展了系統研究，表明材料的破壞方式以假塑形斷裂為主。唐敏［13］對4D軸編C/C復合材料進行了拉伸、壓縮和剪切實驗研究，發現4D軸編C/C復合材料具有顯著各向異性、拉壓雙模量及非線性特征。綜合來看，在4D軸編C/C復合材料拉伸性能研究中，材料多呈現為纖維束棒拔脫的失效方式，獲得的材料強度指標稍低。

4D軸編C/C復合材料的力學性能與其微結構特征密切相關，本文采用高分辨X射線斷層掃描技術，實現對材料內部微細觀結構特征的統計表征，以微結構特征統計信息為基礎，開展拉伸力學性能實驗研究，獲得較有效的材料拉伸性能參數，并分析其失效過程與破壞機理。

1 材料

本文研究的C/C復合材料采用拉擠成型的細炭纖維剛性棒構成軸向增強網絡，并采用軟纖維紗編織成預成型體，其預制體結構如圖1所示。通過瀝青浸漬/炭化混合增密工藝，向纖維預成型體中引入基體炭，最終經石墨化處理后，獲得密度大于1.95 g/cm3的高密度三維四向C/C復合材料。

2 試驗

2.1 材料細觀結構

從母材內切取1 cm×1 cm×1 cm的立方體，借鑒金相試樣制造方法，對試樣進行打磨、拋光與超聲波清洗。GE Explore Locus SP Micro-CT、KEYENCE VHX-900偏光顯微鏡、OLYMPUS OLS-3100激光共聚焦顯微鏡和FEI Quant200掃描電鏡(SEM)觀察多向編織C/C復合材料的細觀結構特征。

2.2 拉伸試驗

借鑒GJB 6475—2008《連續纖維增強陶瓷基復合材料常溫拉伸性能試驗方法》和QJ 2305—1992《三向炭-炭復合材料拉伸性能試驗方法》，根據本材料的編織方式和制品尺寸，設計拉伸試樣的形式與尺寸。試樣名義尺寸:16 mm×5 mm×120 mm，徑向(R向)試樣保證R1向纖維束貫穿試樣，參考纖維束與中心軸線夾角不大于6°。試驗測試結果表明，纖維束棒拉伸強度約為 900 MPa，纖維束棒/基體界面剪切強度為9.24 MPa［14］。設計試樣夾持段長度不小于 30 mm，以保證纖維束棒/基體界面載荷傳遞能力。

實驗在哈爾濱工業大學特種環境復合材料技術國防科技重點實驗室ZWICK Z050材料雙軸力學性能試驗機上進行，選用恒定位移加載，設定加載速度為0.5 mm/min。應變采用電阻法和非接觸光學法相結合的方式測試。

3 結果與討論

3.1 復合材料細觀結構特征

圖2所示為多向編織C/C復合材料的細觀顯微形貌。如圖2所示，軸向(Z向)增強纖維采用已固化成型的硬質纖維束棒，纖維束棒橫截面形狀近似為圓形，直徑約為1.2 mm，呈正六邊形(或正三角形)周期排列;徑向纖維束(以下簡稱纖維束)穿過纖維束棒之間的通道，呈周期對稱排列，橫截面近似矩形，內部存在貫穿性裂紋。不同方向纖維束之間的間隙由瀝青炭填充，基體炭內部布滿孔洞;在2個不同方向的纖維束交界處，纖維束并不是直接接觸，存在雙層界面，即每根纖維束的界面層都基本保持存在。

圖3為沿軸向纖維束一個鋪層循環的Micro-CT圖片。在圖3中可清楚地發現，圓形沒有孔洞的區域，這個區域對應為軸向纖維束棒。X-Y平面內各向(R1、R2和R3方向)纖維束分層鋪設，層與層之間沒有相互編織交替。纖維束尺寸較大，不同方向纖維束交替位置擠壓影響不明顯，纖維束走向呈直線型。徑向纖維束與軸向纖維束棒之間形成一個近似的矩形區域，該區域被基體炭所填充形成一個較大塊炭基體。瀝青炭基體內部含有較多的孔洞，孔洞的形狀、尺寸及分布均是不規則的，具有一定的非均勻、隨機性特征。借助射線斷層掃描儀自帶圖像分析軟件，采用數字圖像分析方法，統計材料內部的孔隙特征，平均孔徑約85 μm，孔隙率3%～5%［15］。受Micro-CT觀測精度的限制，并不能觀察到纖維束內部的微觀結構。

圖4為多向編織C/C復合材料纖維束/基體界面層顯微像貌。從圖4可看出，多向編織C/C復合材料在纖維束/基體界面處存在一定厚度的環形過渡區(界面層)，厚度約20～50 μm;界面層內存在大量孔洞與脫層，孔洞形貌可近似為圓幣形，平均孔徑約為138 μm，孔隙率在25%～30%范圍。

多向C/C復合材料預成型結構尺寸大、增強纖維方向較多，致密化時在纖維束內部和纖維束交接處，容易導致基體炭分布不密實，內部存在大量的閉合孔洞;另外，石墨化升溫后冷卻時，炭纖維與炭基體熱膨脹系數不匹配，導致材料內部產生大量的孔洞與脫層，主要分布在纖維束/基體界面處。當材料在載荷的作用下，上述裂紋和孔洞周圍極易產生應力集中，容易造成纖維束拔出斷裂，將會影響到增強纖維束性能的充分發揮。

3.2 復合材料拉伸性能與失效機理

多向編織C/C復合材料拉伸性能試驗數據如表1所示。從表1可看出，材料軸向拉伸強度均值為84.59 MPa，拉伸模量均值為 45.73 GPa;徑向拉伸強度均值為 80.24 MPa，徑向拉伸均值為 16.48 GPa，軸向拉伸性能略高于徑向，軸向拉伸性能離散性比徑向顯著。軸向與徑向拉伸性能的差異與預制體的編織結構及材料制備工藝密切相關。

圖5為材料軸向拉伸應力-應變曲線。

表1 C/C復合材料拉伸力學性能Table 1 Tensile mechanical properties of C/C composite

從圖5可看出，多向編織C/C復合材料的軸向拉伸大致可分為3個階段，每一階段對應于不同的損傷和破壞過程。第一階段對應的是沒有微觀結構損傷的材料線彈性行為，該階段沒有損傷變形出現，纖維束與基體協調變形共同承載，卸載后變形完全恢復;第二階段對應于基體及界面層內的微裂紋擴展，界面逐漸脫粘，由基體與纖維束的共同承載，逐漸向纖維束獨自承載過渡，材料表現為非線性行為;第三階段表現為纖維束在薄弱處斷裂拔出。

圖6為C/C復合材料軸向拉伸斷裂形貌。從圖6可看出，拉伸試樣包含7根完整的硬質纖維束棒，試樣破壞位置發生在尺寸過渡區內。分析材料的失效過程，過渡區由于試樣截面尺寸的突變，必將在該位置形成應力集中，在應力集中作用下，基體及徑向纖維束界面層極易破壞，而形成貫穿試樣的通透裂紋。根據軸向纖維束的斷裂狀態，主要表現出2種失效形式:一種失效形式是纖維束整體拔脫，分析認為，纖維束與基體間界面層內脫粘及孔隙等含量較高，界面層剪切較低，在外載荷作用下發生界面層剪切破壞，導致纖維束被拔脫;另一種失效形式是纖維束斷裂后拔脫，相關研究表明，纖維束強度符合威布爾分布，強度較低的纖維束先斷裂，其他纖維束隨后漸次斷裂，纖維束的斷裂位置具有隨機性，并未發生在圖示的試樣斷裂位置，纖維束在斷裂位置被逐漸拔出。軸向硬質纖維束棒內部纖維含量較高，纖維單絲與基體間界面結合強度較高，纖維束發生脆性斷裂，斷口較平齊。第一種失效模式發生的概率占優，但獲得的強度指標比第二種稍低。

圖7為C/C復合材料徑向拉伸應力-應變曲線。從圖7可看出，材料徑向拉伸曲線僅有2個階段，相比于軸向拉伸缺失了纖維束的斷裂拔出階段，載荷在達到最大值后迅速下降，試樣立即喪失承載能力，表現為脆性斷裂。

圖8為C/C復合材料徑向拉伸斷裂形貌。從圖8可看出，在拉伸載荷作用下，材料的破壞位置發生在試樣的標距區，纖維束被完全拉斷，并伴隨纖維束棒和基體分裂。

分析認為，在外載荷作用下，裂紋在基體及界面層內萌生并擴展，受纖維束編織結構的限制，裂紋在擴展過程中遇到縱向(R2或R3向)或軸向纖維的阻擋，發生偏轉或釘扎，難以形成類似于軸向拉伸試樣的貫穿性裂紋。總體來看，裂紋的這種擴展趨勢變相增加了纖維束與基體的界面結合強度，斷裂纖維束所承擔的載荷能較好地傳遞到相鄰纖維束，直到某個薄弱區域失去承載能力，導致整個材料的破壞拉伸試樣斷口不平齊，纖維拔出尺寸較短。受成型工藝的影響，徑向纖維束內部纖維單絲界面結合強度比軸向硬質纖維束棒稍低，因而纖維斷裂拔出長度稍長。

4 結論

(1)多向編織C/C復合材料具有多樣的細觀結構，軸向硬質纖維束棒近似為圓形，徑向軟編纖維束呈矩形，纖維束形狀規則，走向平直，未見相互擠壓變形。

(2)多向編織C/C復合材料內部隨機分布大量孔隙，特別是纖維束/基體界面區域存在的孔隙相互貫通而形成大面積脫層，界面區域的孔隙結構特征對界面剪切性能影響顯著。

(3)材料軸向拉伸以纖維束棒拔脫和纖維束棒斷裂為主要破壞模式，表現假塑性斷裂，非線性特性較顯著;軸向拉伸破壞模式與纖維束/基體界面剪切性能相關，界面結合強度高，呈現纖維束拉伸斷裂破壞，強度相對較高;界面結合強度較低，表現為纖維束拔脫。

(4)材料徑向拉伸以纖維束斷裂主要破壞形式，呈現脆性斷裂特性，非線性特性比軸向拉伸稍弱;材料的破壞模式與纖維預制體編織結構有關，受纖維束/基體界面剪切性能影響不明顯。

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