2D-C/SiC膠鉚連接拉剪試驗研究

李明彬　何斌

摘要：2D-C/SiC陶瓷基復合材料是一種新型耐高溫復合材料，在航空航天等領域有很廣闊的應用前景。而連接技術是其應用的一大短板，很大程度上決定了陶瓷基復合材料的應用。進行了2D-C/SiC膠鉚連接結構的拉剪試驗研究，分析了試驗條件、試驗數據、失效模式，詮釋了2D-C/SiC膠鉚連接結構的拉剪力學性能，對工程應用有著重要的參考意義。

關鍵詞：陶瓷基;復合材料;機械連接;拉剪試驗

中圖分類號：TB332

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.009

連續纖維增強陶瓷基復合材料具備低密度、耐高溫、絕熱、耐磨損、抗燒蝕和抗氧化等優異性能，在航空航天、國防、化工、能源等領域有十分廣闊的應用前景。而大型結構中不可避免地需要采用各種連接方法將不同的結構部件相互連接、裝配。不同于金屬材料可以采用焊接、機械連接等簡單、可靠的連接方式，陶瓷基復合材料的連接方式更為復雜，連接部位也是陶瓷基復合材料結構的薄弱環節，工程實際中有相當多陶瓷基復合材料結構從連接部位產生初始損傷失效，連接技術是其應用的一大短板，很大程度上決定了陶瓷基復合材料的應用。

本文包含了2D-C/SiC膠鉚連接結構的拉伸試驗，力求詮釋2D-C/SiC膠鉚連接結構的連接力學性能。本文中的拉剪試驗形式是膠鉚連接結構在工程實際中涵蓋的各種連接形式的基礎，研究這種連接形式下膠鉚連接結構的力學性能、破壞模式與影響因素等問題，對于工程應用有著重要的意義。

1 試件與試驗條件

拉剪試驗件的材料為PIP工藝制備的2D-C/SiC復合材料，試件照片如圖1所示。試件共分三組，分別為單釘鉚接、橫排雙釘鉚接、豎排雙釘鉚接的結構形式，每組各三件。鉚釘直徑均為φ5 mm，孔邊距與孔間距為15 mm，孔端距為10 mm。拉剪試驗在DNS-300長春試驗機上進行，采用位移控制方式加載，加載速率為0.2 mm/min。拉剪試驗件的裝夾照片如圖2所示。

2 載荷分析

三組試件的典型載荷一位移曲線如圖3所示。通過對比發現三組載荷一位移曲線有以下特征：①三組載荷一位移曲線在試驗前期斜率逐漸降低，表示試件剛度下降，表現為較明顯的非線性形式;②在試件最終破壞之前均有不同次數、不同程度的載荷突降;③三組試件中第一組單釘試件的極限載荷最小，第二組橫排雙釘與第三組豎排雙釘試件的極限載荷較為接近，后兩組的極限載荷約為第一組極限載荷的兩倍。

造成曲線非線性的原因是多方面的：在試驗前期，搭接界面處逐漸產生局部脫粘并隨載荷增加逐漸擴展是主要原因;2D-C/SiC復合材料本身在拉伸載荷作用下也表現為類似的非線性;上、下兩塊C/SiC搭接板所承受的拉伸載荷并不在同一條直線上，試驗形式類似于偏心拉伸，而兩塊板中間還通過鉚釘和界面層相互連接，就會產生彎曲效應，從而導致載荷非線性上升。試驗過程中拍攝的試件彎曲效應的照片如圖4所示，在搭接中間部位還相互連接時，上下邊緣處的搭接區域已產生明顯的分離，兩搭接板彎曲成弧形，在中間段近似相切。

試件在最終破壞之前的載荷突降是由于搭接區域界面層的局部脫粘積累到一定程度，發生界面張開，導致了載荷的一次次突降，圖4的彎曲效應也印證了這一點。當鉚釘上下兩側的界面裂開到一定程度后，鉚釘變為主要的承載部位，當鉚釘發生斷裂時試件完全破壞。豎向雙釘的第三組試件表現出更強的韌性，因為在加載方向上有兩顆鉚釘防止界面張開，所以第三組試件的界面開裂與鉚釘斷裂可以分多次進行，這也解釋了第三組試件的載荷一位移曲線會發生多次載荷突降的問題。

后兩組的極限載荷約為第一組極限載荷的兩倍，這一現象有兩方面原因：搭接區域的面積和鉚釘的數量。將圖3中的每條載荷一位移曲線看作兩個峰值的話，第一個峰值是界面與鉚釘共同承載提供的，而試件完全破壞時的峰值則是由鉚釘提供的。可以看到，第一組試件產生第一峰值的載荷遠低于后兩組，這是由搭接界面的面積不同導致的，所以搭接界面的面積是極限載荷的第一影響因素。在產生第一峰值、載荷突降后載荷一移曲線又開始緩慢上升，這時承擔承載任務的主要是鉚釘，而后兩組的第二峰值較為接近，同時遠大于第一組的第二峰值，這是由鉚釘的數量決定的，因此鉚釘數量是極限載荷的第二影響因素。

用搭接極限載荷除以搭接面積獲得搭接區域的剪切強度，搭接拉伸數據匯總如表1所示。三組試件的剪切強度較為接近。第三組的剪切強度相對前兩組較低，原因在于第三組試件的搭接長度較長，試驗件兩端被試驗機夾持固定，中間搭接段長度越長則越容易發生彎曲效應，在彎曲效應下，無論是搭接界面還是鉚釘都會承受剪切與拉伸的耦合載荷，從而導致第三組試件的平均剪切強度略低于前兩組。

3 失效模式分析

三組試件搭接區域的典型破壞斷口照片如圖5所示。可以看出，每組試件的失效模式都是界面分離加鉚釘斷裂。除了這種失效模式外，試驗前預想的其他可能出現的失效模式有：①粘接界面牢固，搭接板在搭接區域以外發生材料失效;②界面分離，鉚釘不發生破壞，但陶瓷基搭接板被鉚釘擠壓破壞;③界面分離，鉚釘不發生破壞，但陶瓷基搭接板在孔邊橫截面被拉斷。這三種失效模式目前均難以實現，但可以提供一種提高搭接拉伸強度的思路加以研究，假如可以找到提高界面強度與鉚釘強度的方法，就可以實現搭接界面、孔邊界面、鉚釘材料、搭接板材料等依次出現的多重損傷阻抗，從而提高鉚接區域的損傷容限。

4 結論

拉剪試驗載荷一位移曲線表現為明顯非線性，其原因有界面的損傷累積與擴展、C/SiC材料本身的非線性性能、彎曲效應等;載荷在最終破壞之前存在多次突降，其原因有界面層開裂和鉚釘剪切破壞;雙鉚釘試件的極限載荷約為單鉚釘試件的兩倍，這是由搭接面積的大小以及鉚釘數量共同決定的。

拉剪試驗的失效模式均為界面開裂與鉚釘剪切斷裂，通常會先發生界面的開裂，當界面完全開裂后由鉚釘主要承載，當鉚釘的直徑與結構形式等能夠承擔剪切載荷，則鉚接結構會表現為較強的韌性，而假如鉚釘難以承受剪力的作用，連接結構則會表現為明顯的脆性斷裂。

參考文獻：

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