彎曲纖維對SiO2f/SiO2復合材料拉伸強度的影響

張敬義 范錦鵬 杜雪菲 趙建設 張大海

(航天材料及工藝研究所，先進功能復合材料技術重點實驗室，北京 100076)

彎曲纖維對SiO2f/SiO2復合材料拉伸強度的影響

張敬義 范錦鵬 杜雪菲 趙建設 張大海

(航天材料及工藝研究所，先進功能復合材料技術重點實驗室，北京 100076)

文 摘 以SiO2f織物作為增強相，采用循環浸漬固化工藝，制備了SiO2f/SiO2復合材料。在制備過程中，通過對SiO2f織物進行模壓處理，使SiO2f呈現出不同程度的彎曲，測定了纖維彎曲后復合材料的拉伸強度，研究了纖維彎曲時復合材料的斷裂過程。結果表明：彎曲纖維將導致復合材料的拉伸強度下降，最低拉伸強度僅為5.5 MPa，纖維彎曲時復合材料的斷裂過程為逐層斷裂，斷裂應變增加，最大斷裂應變達到1.19%。

SiO2f，彎曲纖維，復合材料，拉伸強度

0 引言

以SiO2f作為增強相、無定形SiO2為基體[1-3]的SiO2f/SiO2復合材料，既具有石英優異的介電性能，同時具備良好的結構可靠性和抗熱沖擊性能[4-5]，是高溫透波復合材料領域的研究重點，目前已在高溫透波領域獲得了工程應用[6-8]。在復合材料構件成型過程中，SiO2f會出現彎曲現象，對材料的力學性能造成影響。本文對纖維彎曲狀態下復合材料的拉伸強度和斷裂過程進行了研究。

1 實驗

1.1 復合材料的制備

將SiO2f織物放入具有一定弧形結構的模具中進行模壓，如圖1所示，使纖維發生彎曲，之后通過循環浸漬固化工藝，制備出纖維處于彎曲狀態的復合材料。通過改變模具的弧度，得到纖維彎曲程度不同的復合材料。

圖1 復合材料的制備工藝過程

1.2 性能測試

對試樣的拉伸強度和斷裂應變進行了測試(DqES396—2002)。將被測試樣加工成直條體，長度150 mm，截面尺寸為16 mm×16 mm，在試樣兩端夾持段粘接加強片，加強片用1～2 mm厚的硬鋁，加強片尺寸為16 mm×50 mm。選用的膠黏劑和膠接工藝不改變被測材料的性能，試驗過程中膠接面不脫粘。試樣施加軸向拉伸載荷，直至試樣破壞。根據最大載荷計算拉伸強度；根據載荷縱向應變曲線上初始直線段的載荷與變形增量計算拉伸模量，由曲線上最大載荷對應的總變形量計算斷裂應變。拉伸強度按公式(1)計算，拉伸模量按公式(2)計算，斷裂應變按公式(3)計算。

(1)

式中,σt為拉伸強度，F為試樣破壞時的最大載荷，b為試樣工作段寬度，δ為試樣工作段厚度。

(2)

式中,Et為彈性模量，F為載荷縱向變形曲線上初始直線段的載荷增量，Lo為引伸計標距，L為載荷縱向變形曲線上與F相對應的縱向變形增量。

(3)

式中,εt為斷裂應變，Lt為載荷縱向變形曲線上與最大載荷相對應的總變形量。

2 結果與討論

2.1 彎曲纖維對SiO2f/SiO2拉伸強度的影響

圖2為不同彎曲程度的纖維拉伸試樣的斷裂情況，虛線標記了纖維的彎曲程度。可以看出，隨著纖維彎曲程度的增加，斷口變得不平整，同時斷口方向不再與試樣長度方向垂直。表1為纖維不同彎曲程度試樣的拉伸強度，試樣a中纖維未出現明顯彎曲，拉伸強度為75.3 MPa，試樣b中纖維呈現出一定程度的彎曲，拉伸強度為50.7 MPa，試樣c中纖維的彎曲程度相對試樣b更加嚴重，拉伸強度下降到18.2 MPa，同時斷口方向不再與試樣長度方向垂直，試樣d纖維的彎曲程度最嚴重，拉伸強度僅有5.5 MPa，同時斷口方向也不與試樣長度方向垂直。根據上述分析可知，纖維的彎曲程度越大，試樣的拉伸強度越低，從斷口形貌和斷裂應變來看，纖維的彎曲引起了試樣斷裂模式的變化。

圖2 彎曲纖維試樣照片

表1 彎曲纖維試樣的拉伸強度

2.2 彎曲纖維試樣斷裂模式

對于彎曲纖維的SiO2f/SiO2復合材料試樣，在加工過程中會造成試樣表面纖維的斷裂，使部分纖維不連續，如圖3所示。試樣a中纖維未出現明顯彎曲，在整個試樣厚度方向纖維都是連續的，試樣d中纖維出現嚴重彎曲，在試樣厚度方向接近二分之一的纖維處于不連續狀態。

圖3 試樣斷口照片

對于連續纖維增強復合材料，纖維是主要的受力載體，不連續的纖維無法有效地傳遞載荷，反而成為材料缺陷，在測試過程中，試樣破壞始于邊緣部位不連續纖維層，如圖3中箭頭所示，之后裂紋沿試樣厚度方向向內逐漸擴展，當裂紋擴展至連續纖維層處時，測試應力達到最大，連續纖維層破壞之后裂紋繼續擴展至對側不連續纖維層處，測試應力逐漸減小。所以，對于纖維彎曲的復合材料而言，試樣中連續纖維層數越多，試樣的拉伸強度越高。上述斷裂過程從圖4可以清晰的反應出來。

圖4 應力-應變曲線

試樣a的應力-應變曲線為典型的脆性斷裂，斷裂過程中各層纖維同時斷裂，試樣的位移較小，斷裂應變為0.79%；試樣b中由于纖維彎曲在試樣表面產生了少量的不連續纖維層，成為試樣破壞的起始位置，不連續纖維層破壞過程中會產生一定的位移，之后載荷施加于連續纖維層上直至破壞，因此，試樣b整個破壞過程的位移量相對試樣a有所增加，斷裂應變達到0.92%；同理，試樣c由于纖維彎曲程度的增加導致不連續纖維層數增加，相應的斷裂過程產生了更多的位移，斷裂應變達到1.19%；對于試樣d，由于纖維彎曲最為嚴重，連續纖維層數較少，在不連續纖維層破壞過程中，試樣由于部分斷裂而偏離拉力方向，纖維層的受力由拉應力轉變為了剪應力，導致連續纖維層出現逐層斷裂現象，試樣的拉伸強度僅為5.5 MPa，斷裂應變為0.46%。

3 結論

(1)纖維的彎曲將導致SiO2f/SiO2復合材料拉伸強度的下降，纖維的彎曲程度越大，復合材料的拉伸強度越低，最低僅為5.5 MPa。

(2)纖維的彎曲造成復合材料中產生不連續纖維層，斷裂過程以此為起始點逐層斷裂，導致復合材料斷裂應變增加，最大斷裂應變達到1.19%。

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Effect of Bending Fiber on Tensile Strength of SiO2f/SiO2Composites

ZHANG Jingyi FAN Jinpeng DU Xuefei ZHAO Jianshe ZHANG Dahai

(Science and Technology on Advanced Functional Composites Laboratory,Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology,Beijing 100076)

SiO2f/SiO2composites were prepared through repeated infiltration and solidification process, using quartz fabric. Quartz fiber waviness was generated by molding. The tensile strength of SiO2f/SiO2composites with bending fibers were tested. The fracture process was studied. The results showed that bending fiber will lead to the decrease of tensile strength. The minimum tensile strength was 5.5 MPa. The composites with curved fibers fractured layer by layer. The bending fiber will lead to the increase of fracture strain, the maximum fracture strain was 1.19%.

Quartz fiber, Bending fiber, Composite, Tensile strength

2017-03-28

張敬義，1981年出生，高級工程師，主要從事高溫透波材料研究。E-mail：zhangjingyi712@163.com

TB33

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.010