多軸向經編預制體碳化硅陶瓷基復合材料鉚釘剪切性能研究*

陳永當 李 楠 尉寄望 劉持棟 劉小沖

1. 西安工程大學機電工程學院，陜西 西安 710600；

2. 陜西省紡織科學研究院，陜西 西安 710038；

3. 西北工業大學材料學院，陜西 西安 710072

碳化硅陶瓷基復合材料(SiC-Ceramic Matrix Composites，簡稱SiC-CMCs)具有低密度、高比強、高比模、耐高溫、抗氧化和抗燒蝕、對裂紋不敏感及不發生災難性損毀等優良特性[1-3]，故SiC-CMCs(其中SiC通常包括C/SiC和SiC/SiC兩類)在航空航天領域應用日趨廣泛。且隨著高性能、可重復使用的航空航天器的加速發展，大型復雜SiC-CMCs構件成為了未來裝備發展的主要形式[4-5]，因此SiC-CMCs零部件的集成與裝配成為了制備大型復雜構件的關鍵。

SiC-CMCs鉚釘是一種標準結構件，通常采用以碳纖維為增強體的C/SiC陶瓷基復合材料制備，其在使用過程中主要發揮連接、固定、支撐、傳遞載荷等作用。典型的鉚釘鉚接結構如圖1所示，鉚釘穿過上下兩個圓形試片中心的預制孔，兩個試片被鉚接并固定成一個整體。

圖1 典型的鉚釘鉚接結構

已有眾多學者就C/SiC陶瓷基復合材料鉚釘剪切強度開展了研究。柯晴青等[6]1500研究了由不同直徑的鉚釘鉚接的C/SiC陶瓷基復合材料的鉚釘拔出性能，發現：當鉚釘直徑小于4.5 mm時，鉚釘表現為斷裂現象，接頭為脆性破壞；當鉚釘直徑大于4.5 mm時，鉚釘表現為拔出現象，接頭為韌性破壞，且直徑越大，被連接的復合材料的性能損失越大。劉永勝等[7]209-210對不同錐度C/SiC鉚釘的鉚接性能開展了數值模擬研究，發現復合材料鉚接接頭的幾何參數與其破壞形式之間存在固有的關系。當鉚接接頭的錐度為2°，被連接板厚度為6.5 mm時，若鉚釘的半徑小于2.2 mm，則鉚釘被拉斷；若鉚釘的半徑大于2.2 mm，則鉚釘被拔出。張青等[8]采用數值模擬的方法研究了C/SiC鉚接結構抗剪切性能，并進行了試驗驗證，發現所有鉚接結構都以鉚釘被剪斷的形式被破壞，斷口出現在連接板內側，破壞模式與試驗驗證吻合。Zhang等[9]研究了單鉚釘鉚接結構的氧化剪切強度，發現：氧化前后的二維疊層(2D)-C/SiC單鉚釘鉚接剪切強度等于纖維橋聯應力強度與2D-C/SiC陶瓷基復合材料的層間剪切強度之和，小于其拉伸強度；隨氧化失重率的逐步增大，2D-C/SiC陶瓷基復合材料的拉伸強度、面內剪切強度和層間剪切強度呈線性下降規律，而2D-C/SiC單鉚釘鉚接剪切強度呈指數下降規律，研究者認為這與鉚釘受彎剪耦合應力有關。

綜合上述研究不難發現，鉚釘的性能直接關系到零部件結構的穩定和目標功能的實現[10]。目前，陶瓷基復合材料鉚接結構力學性能普遍偏低，鉚接失效情況時有發生，這嚴重影響了陶瓷基復合材料在高技術領域的應用。已有的研究多關注鉚釘的拉伸和剪切性能，以及鉚接單元結構性能，而有關不同預制體鉚釘性能差異性的研究仍是空白，這阻礙了工程技術人員對鉚釘及其鉚接性能的深入理解和更深層次的性能優化[6]1497， [7]205。

多軸向經編(Multi-axial Warp-Knitted，簡稱MWK)預制體具有許多獨特的優勢，如抗拉強力高，彈性模量高，懸垂性好，可設計性強，抗撕裂性能好，抗剪切性能好，適應范圍廣，生產成本低，生產效率高等[11-13]。MWK預制體復合材料在風電領域應用十分突出，如風電葉片蒙皮設計時可根據載荷類型和方向選擇單軸向或雙軸向或多軸向結構纖維預制體，其中多軸向結構可用于葉片根部，其利用多層織物的合理鋪設來承擔由扭矩產生的剪切力[14]。近年來，將多軸向經編預制體與新型復合材料成型工藝相結合制成的高性能多軸向經編復合材料，在航空航天、船舶制造、建筑工程等領域有著廣泛的應用[15]。

本研究將采用化學氣相滲透沉積工藝(Chemical Vapor Infiltration，簡稱 CVI)制備4軸向經編(4-MWK)預制體和常規2D預制體增強的C/SiC鉚釘，通過比較這兩種C/SiC鉚釘的剪切性能，揭示它們的性能差異和內在機制，以期為陶瓷基復合材料鉚釘及鉚接結構性能的提升提供基礎理論支撐。

1 試驗

1.1 預制體的制備

本研究預制體用纖維選擇日本東麗公司的T300-1K碳纖維。2D預制體由普通平紋布疊層而成；4-MWK預制體由4軸向碳布疊層而成，其單元層內的纖維采用0°、 45°、 -45°和90°這4種取向平鋪、疊層，不同取向的纖維采用聚酯單絲固定。預制體結構示意及實物照片如圖2所示。

圖2 預制體結構示意及實物照片

1.2 材料與試樣的制備

分別采用2D預制體和4-MWK預制體制備2D-C/SiC鉚釘和4-MWK-C/SiC鉚釘。制備工藝采用的是西北工業大學超高溫結構復合材料實驗室研發的等溫CVI制備工藝。具體制備流程：首先，在制備的預制體表面沉積熱解碳界面層，沉積溫度700 ℃，氣氛壓力0.2 kPa，丙烯流量30 mL/min，Ar氣流量300 mL/min，沉積時間20 h；隨后，沉積碳化硅基體，沉積溫度1 000 ℃，氣氛壓力2.0 kPa， H2氣流量200 mL/min， Ar氣流量300 mL/min，三氯甲基硅烷(MTS)溫度30 ℃， H2與MTS 的摩爾質量比為10∶1，沉積時間100 h左右；待密度達到2.0 g/cm3及以上后，即獲得SiC-CMCs毛坯材料板；將SiC-CMCs毛坯材料板分割成棒料，再用無心磨將棒料磨圓，切割成所需長度，完成鉚釘成品的制備，清洗、干燥后儲存備用。本研究所用鉚釘直徑4.0 mm、長度40.0 mm。鉚釘鋪層示意如圖3所示，鉚釘軸向與纖維布的鋪層方向平行。

圖3 鉚釘鋪層示意(左為主視圖，右為截面圖)

1.3 剪切性能測試

鉚釘剪切性能測試裝置及測試原理如4所示，測試在Instron E10000測試平臺上進行。首先，將待測鉚釘插入測試工裝的銷孔內，工裝將鉚釘左右兩端固定；接著，測試設備對鉚釘中部位置施加向上的拉伸載荷，載荷加載速率0.05 mm/min，直至鉚釘兩端發生剪切破壞。測試設備同步記錄加載端位移和載荷數據，加載端的鉚釘剪切強度采用式(1)計算。

(1)

式中：τ——鉚釘剪切強度，MPa；

Fs——實際剪切力，N；

A——剪切面積，mm2；

S——鉚釘截面面積，mm2。

圖4 鉚釘剪切性能測試平臺及原理示意

1.4 微觀結構表征

利用日立S-4700型掃描電子顯微鏡觀測剪切破壞后的鉚釘截面，旨在揭示其破壞模式和斷裂機制。

2 結果與討論

2.1 剪切性能

圖5a)和b)反映了2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘剪切測試前后的形貌，可以看出兩種鉚釘在剪切工裝左右兩個加載端面位置發生同時斷裂，說明兩種鉚釘質地均勻，長度方向上材料模量一致、承力均衡。兩種材質的鉚釘在剪切測試中的受力情況均如圖5c)所示，在載荷Fs的作用下，鉚釘在剪切工裝左右固支點位置斷裂，形成三個部分。結合兩種鉚釘斷口的形貌來看，斷裂點1與斷裂點2，斷裂點3與斷裂點4，斷口均相似，斷口處均有少量纖維拔出，兩種鉚釘都表現出脆性斷裂模式，這也與實際應用中鉚釘尺寸都較小(直徑在5.0～10.0 mm)，連續纖維的增韌效應不能顯著表現出來有關。

圖5 鉚釘剪切性能測試前后形貌及受力分析

表1所示為制備的2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘的剪切性能數據。其中：2D-C/SiC鉚釘平均剪切強度為106.74 MPa，最低剪切強度為89.32 MPa，最高剪切強度為125.81 MPa；4-MWK-C/SiC鉚釘的平均剪切強度為203.88 MPa，最低剪切強度為143.64 MPa，最高剪切強度為259.45 MPa。表1的測試數據說明：4-MWK-C/SiC鉚釘剪切強度明顯高于2D-C/SiC鉚釘剪切強度；且隨著剪切強度的升高，4-MWK-C/SiC鉚釘剪切強度的分散性也明顯增大，其剪切強度標準偏差為34.96MPa。

表1 鉚釘剪切強度統計 (MPa)

圖6是2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘的位移-剪切強度曲線，發現：2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘的斷裂曲線形狀相似，都呈現出脆性斷裂特征，即當載荷達到鉚釘的承載極限時鉚釘發生破壞，這是因為剪切方向(即鉚釘直徑方向)上不存在連續長纖維，故而纖維增韌效果不明顯；4-MWK-C/SiC鉚釘極限剪切強度(平均203.88 MPa)遠高于2D-C/SiC鉚釘(平均106.74 MPa)。

圖6 鉚釘位移-剪切強度曲線

2.2 微觀結構形貌

2D-C/SiC鉚釘剪切破壞截面的微觀結構形貌如圖7所示。試樣中垂直于鉚釘軸向的纖維(即0°方向纖維)呈現出剝離狀的破壞形貌，其對鉚釘的剪切強度貢獻不大；平行于鉚釘軸向的纖維(90°方向纖維)拔出效果明顯，說明90°方向纖維是抵抗剪切載荷的主承載單元，其體積約占纖維總體積的50%。

圖7 2D-C/SiC鉚釘剪切破壞截面微觀結構形貌

4-MWK-C/SiC鉚釘剪切破壞截面的微觀結構形貌如圖8所示。與鉚釘軸向垂直的0°方向的纖維呈現剝離狀損傷，而90°、±45°方向的纖維都可以看到有明顯的纖維絲束的拔出，即非0°方向的纖維的剪切破壞狀態都十分顯著。

圖8 4-MWK-C/SiC鉚釘剪切破壞截面微觀結構形貌

2.3 鉚釘剪切機理

圖9所示是鉚釘剪切機理的示意。2D-C/SiC鉚釘的抗剪能力主要由與鉚釘軸向平行的0°方向的碳纖維承擔，而90°方向的碳纖維束不能承擔剪切力的作用，其發生剝離狀損傷。4-MWK-C/SiC鉚釘的剪切力可以由0°和±45°方向的碳纖維來承擔，承擔剪切載荷的纖維體積分數高于2D-C/SiC鉚釘。因此，相同致密化程度的2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘，后者的剪切強度明顯高于前者。

圖9 鉚釘剪切機理示意

此外，4-MWK纖維布中存在45°和-45°方向的纖維，這兩種取向的纖維能夠增加4-MWK預制體的整體性能，避免類似2D預制體常見的分層破壞現象的發生。因此，4-MWK-C/SiC鉚釘的抗剪切性能更好。

3 結論

本文揭示了碳化硅陶瓷基復合材料鉚釘抗剪切性能與鉚釘預制體參數之間的關系，可為碳化硅陶瓷基復合材料鉚釘的工程化應用提供基本理論支撐：

(1) 2D-C/SiC和4-MWK-C/SiC鉚釘都表現出了脆性斷裂模式，這與實際應用中較小的鉚釘尺寸(直徑5.0～10.0 mm)使得連續纖維的增韌效應不能顯著表現出來有關；

(2) 2D-C/SiC鉚釘剪切強度較低，平均剪切強度約為106.74 MPa，平行于鉚釘軸向的纖維是承擔剪切載荷的主體，占纖維總體積的50%；

(3) 4-MWK-C/SiC鉚釘剪切強度較高，平均剪切強度約為203.88 MPa，90°和±45°方向纖維對鉚釘剪切強度都有直接貢獻，它們占纖維總體積的75%。

(4) 高強SiC-CMCs鉚釘的設計原則是降低0°方向纖維的體積含量，增加90°方向纖維的體積含量。此外，-45°和45°方向的纖維可以增加鉚釘的整體性能，提升其抵抗分層破壞的能力，故相對于2D-C/SiC鉚釘而言，4-MWK-C/SiC鉚釘更不易產生分層破壞。

致謝：對陜西元豐紡織技術研究有限公司在陶瓷基復合材料鉚釘預制體設計與制備方面給予的協助表示感謝。