2.5維自愈合C/SiC復合材料的拉伸損傷及強度

梁仕飛，矯桂瓊（.中航空天發動機研究院有限公司試驗設備技術中心，北京0304；.西北工業大學力學與土木建筑學院，西安709）

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2.5維自愈合C/SiC復合材料的拉伸損傷及強度

梁仕飛1，矯桂瓊2
（1.中航空天發動機研究院有限公司試驗設備技術中心，北京101304；2.西北工業大學力學與土木建筑學院，西安710129）

摘要：試驗研究了2.5維自愈合C/SiC復合材料的單軸拉伸損傷特征，發現拉應力小于50 MPa時經向和緯向模量基本無變化，50 MPa后殘余應變逐漸增大。根據主裂紋面受力情況，建立了單向增強自愈合C/SiC復合材料的脆性斷裂模型和韌性斷裂模型，并利用其預測了2.5維自愈合C/SiC復合材料的經向和緯向強度。結果表明，2.5維自愈合C/SiC復合材料的經向和緯向拉伸發生脆性斷裂，脆性斷裂模型預測值與試驗值吻合較好。

關鍵詞：航空發動機；2.5維自愈合C/SiC復合材料；脆性斷裂；殘余應變；拉伸損傷；斷裂模型

1　引言

C/SiC復合材料具有耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優異性能，是重點開發的航空航天熱結構材料［1］。但其內部的微裂紋為氧化氣體提供了進入內部的通道，氧化氣體與碳纖維和熱解碳界面發生氧化反應，使材料的使用壽命大大縮短［2-3］。為此，研究者研發了自愈合C/SiC復合材料。

國外研究表明，自愈合C/SiC復合材料能滿足航空發動機的高溫氧化環境要求，將其用于航空發動機的燃燒室、渦輪、噴管等熱端部件，能有效降低航空發動機的質量，并顯著提高航空發動機的推重比［4-8］。目前，國內關于自愈合C/SiC復合材料的研究主要集中在生產制備階段［9-11］，鮮有自愈合C/SiC復合材料力學性能方面的報道。

自愈合C/SiC復合材料用于熱端部件通常采用2.5維編織結構。相對于2維編織陶瓷基復合材料，2.5維自愈合C/SiC復合材料具有面內結構的不對稱性和更高的層間性能。其用于制作薄壁件，能夠一體成型，并保證纖維的連續性和結構的完整性。國外對陶瓷基復合材料力學性能進行了大量研究，國內關于2維、2.5維和3維編織陶瓷基復合材料力學性能的研究也已較多，但主要集中在模量和應力應變方面，強度預測模型方面的研究相對較少［12-16］，目前還未見關于2.5維自愈合C/SiC復合材料強度模型的研究，而這對于材料的開發和工程應用具有積極意義。基于此，本文通過對2.5維自愈合C/SiC復合材料進行拉伸試驗，研究其損傷特征并建立其強度預測模型，以期為材料的開發及其在發動機上的應用提供基礎，從而實現材料和結構的優化。

2　試驗及損傷分析

將2.5維自愈合C/SiC復合材料板裁剪成狗骨狀拉伸試件，試件尺寸及試驗裝置分別如圖1、圖2所示，試件厚度為3 mm。經向和緯向拉伸試驗均在INSTRON 5567試驗機上進行，采用位移控制加載，加載速率為0.2 mm/min。利用東華3815應變采集器采集試件加載方向的應變。

圖1 拉伸試件示意圖Fig.1 Sketch of tensile specimen

圖2 拉伸試驗圖Fig.2 The Photo of tensile test

緯向拉伸破壞斷口如圖3所示，2.5維自愈合C/SiC復合材料的細觀編織結構如圖4所示，圖中x向為經紗方向，y向為緯紗方向。從圖中可以看到，緯向纖維束有少量簇狀拔出，纖維斷裂在y向兩層經紗之間。緯紗斷裂后拔出對經紗的剪應力導致經紗橫向開裂。經紗的斜線部分（Ⅱ部分）基本無損傷，斷裂模式為脆性破壞。

圖3 緯向拉伸斷口Fig.3 Fracture in weft direction

圖4 2.5維自愈合C/SiC復合材料的細觀結構Fig.4 Micro-structure of 2.5D self-healing C/SiC composite

圖5為y向拉伸的加卸載應力-應變曲線。可見，應力小于50 MPa時，殘余應變很小，切線模量基本無變化。50 MPa后損傷不斷發生，殘余應變逐漸增大，切線模量逐漸降低，拉伸強度為148.71 MPa。

圖5 y向拉伸應力-應變曲線Fig.5 The stress-strain curve under tensile load in y direction

圖6為x向拉伸的加卸載應力-應變曲線。可見，應力小于50 MPa時，殘余應變很小，切線模量變化很小。隨著應力的增大，殘余應變逐漸增大，應力在100～150 MPa范圍內時殘余應變增加最多，此段的切線模量較低。x向拉伸試驗發生了脆性破壞，拉伸強度為209.57 MPa。

圖6 x向拉伸應力-應變曲線Fig.6 The stress-strain curve under tensile load in x direction

3　緯紗方向拉伸強度預測

碳纖維增強陶瓷基復合材料的破壞通常會有一個主斷裂面，主斷裂面對材料的最終失效起決定性作用。所以可專門研究主裂紋面的受力情況，進而預測材料的拉伸強度。

主裂紋面的損傷形式有基體開裂、界面開裂滑動、纖維斷裂拔出等，以主裂紋為中心，界面開裂滑動長度范圍內的全部區域稱為主裂紋損傷帶［17］。

纖維基體之間的界面較強時材料發生脆性斷裂，界面較弱時材料發生韌性斷裂。韌性斷裂的斷口處纖維拔出較長，脆性斷裂的斷口較平齊、纖維拔出較短。根據斷裂模式的不同，可建立相應的斷裂模型。

建立模型前，需先確定纖維的拉伸斷裂強度。由于滑動段的界面受剪應力作用產生損傷裂紋，導致纖維強度下降。根據文獻［18］的研究結果，T300纖維的強度σfs（MPa）與涂層厚度ρ（m）的關系式為：

纖維基體間界面厚度約為（0.1～0.2）×10-6m，根據式（1）求得纖維的強度為834.05～1 179.53 MPa。

表1列出了強度模型所用的幾何參數及物理參數——根據文獻［19］所用的材料數據和模型得到。

表1 符號列表Table 1 List of symbols

3.1韌性斷裂模型

韌性斷裂因有較長纖維拔出，假設斷裂平均發生在界面開裂滑動段的中間位置。設纖維的應力集中系數為K，當纖維的遠場拉應力為σffar時，界面開裂滑動中間位置的纖維拉應力為σffar（K + 1）/2。發生韌性斷裂時，此值應與纖維強度σfs相等，則：

利用等應變方法，纖維斷裂時的基體遠場拉應力為：

緯紗內的基體占2.5維自愈合C/SiC復合材料總體積的百分比為：

由于y向拉伸的最弱截面為y向兩層經紗之間，此截面處僅有緯紗承受拉應力，因此2.5維自愈合C/SiC復合材料的y向拉伸強度σys為：

完全脆性斷裂時，裂紋處纖維承擔遠場基體和纖維的總載荷，計算得到K為3.0。韌性斷裂的主裂紋面K的范圍應為1.0～3.0。K取3.0時，根據式（5）得到的2.5維自愈合C/SiC復合材料的y向拉伸強度為166.37～235.28 MPa。此結果為韌性斷裂模型預測值的下限。y向拉伸強度的試驗值為148.71 MPa，韌性斷裂模型的下限值大于試驗值。原因是韌性斷裂更充分地發揮了纖維的性能，強度要比脆性斷裂高，而2.5維自愈合C/SiC復合材料的y向拉伸試驗破壞方式為脆性斷裂。

3.2脆性斷裂模型

脆性斷裂時斷口較平齊，假設斷裂發生在主裂紋面上。K = 3.0，纖維的遠場應力為：

根據式（3）、式（4）得到基體的遠場應力σmfar和體積分數Vmft，利用式（5）得到2.5維自愈合C/SiC復合材料的y向拉伸強度為110.91～156.85 MPa。試驗值為148.71 MPa，在模型預估范圍內。

4　經紗方向拉伸強度預測

x向拉伸破壞發生在如圖4所示的Ⅱ段內，此處經紗處于拉剪復雜應力狀態，經紗的偏軸拉伸強度可由蔡-希爾強度準則確定，有：

5　結論

（1）2.5維自愈合C/SiC復合材料的拉伸試驗損傷特征研究表明，經緯向拉應力小于50 MPa時，殘余應變均很小，切線模量基本無變化；拉應力達到50 MPa后開始發生損傷。

（2）建立的單向增強自愈合C/SiC復合材料的兩種強度模型（脆性斷裂模型和韌性斷裂模型）的預測結果表明，相比于韌性斷裂模型預測結果，2.5維自愈合C/SiC復合材料脆性斷裂模型預測結果與試驗值吻合較好。

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The tensile damage and strength of 2.5D self-healing C/SiC composite

LIANG Shi-fei1，JIAO Gui-qiong2
（1. AVIC Academy of Aeronautic Propulsion Technology，Beijing 101304，China；2. School of Mechanics，Civil Engineering and Architecture，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

Abstract：The tensile damage behaviors of 2.5D self-healing C/SiC composite were studied by experi?ments. And the results show that the modulus of weft and warp directions almost have no change until the tensile stress reaches 50 MPa. After that，the residual strain increases with the tensile stress gradually. Based on the stress distribution of the major crack plane，two strength models（brittle fracture model and ductile fracture model）of unidirectional reinforced self-healing C/SiC composite were built，and the strength of 2.5D self-healing C/SiC composite in weft and warp directions were predicted. The results show that the failure mode is brittle fracture and the predicted result of brittle fracture agrees well with the experi?ment result.

Key words：aero-engine；2.5D self-healing C/SiC composite；brittle fracture；residual strain；tensile damage；fracture model

中圖分類號：V250.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）02-0047-04

收稿日期：2015-09-14；修回日期：2016-04-13

作者簡介：梁仕飛（1982-），男，滿族，河北秦皇島人，工程師，博士，主要從事復合材料力學研究。