二維疊層C/SiC復(fù)合材料低能量沖擊損傷實(shí)驗(yàn)

劉斌，高一迪，譚志勇，葉昉，成來飛,*

1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072 2. 北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所，北京 100070 3. 西北工業(yè)大學(xué) 超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072

陶瓷基復(fù)合材料以其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、低密度、良好的抗氧化性和耐磨性，已成功應(yīng)用于航空航天高溫部件。比如C/SiC復(fù)合材料應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)可簡化結(jié)構(gòu)、降低重量并顯著提高發(fā)動機(jī)綜合性能和飛行器有效載荷，同時已成為臨近空間高超聲速飛行器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的耐高溫關(guān)鍵材料之一[1]。隨著航空發(fā)動機(jī)對高推重比及高工作溫度的迫切需求，陶瓷基復(fù)合材料也逐漸作為航空發(fā)動機(jī)熱端部件材料使用，如葉片等。

對于航天飛行器外部結(jié)構(gòu)，其服役和維護(hù)過程中不可避免會受到外來物沖擊的作用，從而對其服役性能產(chǎn)生影響。雖然二維疊層C/SiC復(fù)合材料具有較好的靜力性能，但在外來物的沖擊損傷(Foreign Object Damage, FOD)作用下的較差性能可能會限制其作為主要承載結(jié)構(gòu)的適用性[2]。例如，“哥倫比亞號”航天飛機(jī)在SiC-C/C板撞擊下形成裂隙造成的破壞和解體，就與陶瓷基復(fù)合材料零件的缺陷和機(jī)械損傷有關(guān)[3]。因此，陶瓷基復(fù)合材料的沖擊損傷、抗沖擊性能等方面的研究尤為重要且具有挑戰(zhàn)性[4-5]。對于航空發(fā)動機(jī)熱端部件，其服役過程中最有可能遭受的沖擊源就是中高速、低能量沖擊，這可能導(dǎo)致材料內(nèi)部損傷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。近期有文獻(xiàn)關(guān)注沙子、金屬及其他顆粒的沖擊損傷及沖擊后承載能力。2010年，Ogi等[6]對2D及3D編織CMC(Ceramic Matrix Composite)平板在沖擊能量0.7～20 J工況下的沖擊損傷進(jìn)行了研究(沖擊速度200～1 200 m/s)，對不同撞擊速度產(chǎn)生的表面和內(nèi)部損傷進(jìn)行了觀察對比。2019年，Michael等[7]采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法對1.59 mm 鋼球以340 m/s速度沖擊SiC/SiC復(fù)合材料平板及彎曲板前緣問題(沖擊能量6.5 J)進(jìn)行了研究。

目前，陶瓷基復(fù)合材料的低速沖擊大都以航天器外部熱防護(hù)結(jié)構(gòu)為背景，探討其受外來物的沖擊損傷，如修理中工具跌落、運(yùn)送過程的碰撞、甚至起飛降落時跑道砂石、冰雹的影響等。2006年，Trabandt等[8]在可重復(fù)使用熱防護(hù)體系在地面和軌道環(huán)境的天氣適應(yīng)性(WEPROT)的研究計(jì)劃中，對C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了0.7～12 J的低速沖擊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在沖擊能量0.7 J以下時材料損傷不嚴(yán)重，對于材料的環(huán)境性能沒有太大的影響，不需要更換部件，沖擊能量超過1 J后，材料內(nèi)部有嚴(yán)重的分層。因此，陶瓷基復(fù)合材料受到較低能量沖擊時，會產(chǎn)生一定的內(nèi)部損傷，這種損傷可能是在材料外表無法肉眼觀測到的，需要對其進(jìn)行表征[9-10]。2012年，Herb等[11]研究了3D編織SiC/SiC復(fù)合材料的低速沖擊損傷、響應(yīng)及剩余拉伸強(qiáng)度。2016年，Mei等[12]對2D編織C/SiC復(fù)合材料不同縫線密度進(jìn)行了低速沖擊及沖擊后拉伸承載能力進(jìn)行了研究。2017年，Mei等[13]研究了C/SiC復(fù)合材料在不同沖擊能量下的沖擊阻抗及剩余拉伸強(qiáng)度。2016年，Li等[14]基于改進(jìn)的Hashin-Rotem準(zhǔn)則及內(nèi)聚力模型建立了漸進(jìn)損傷模型，并對2D編織SiC/SiC復(fù)合材料的沖擊進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。由此看出，近年來關(guān)于陶瓷基復(fù)合材料的抗低速低能量沖擊性能及損傷研究逐漸增多，但涉及沖擊響應(yīng)與沖擊損傷的描述不夠深入，很少討論鋪層厚度對復(fù)合材料抗沖擊能力的貢獻(xiàn)，定量關(guān)聯(lián)沖擊響應(yīng)規(guī)律、沖擊損傷與沖擊能量的研究較為缺乏，需要進(jìn)一步系統(tǒng)深入地補(bǔ)充研究。

綜上所述，關(guān)于航天器熱防護(hù)陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的外來物沖擊問題主要是低速低能量沖擊，航空發(fā)動機(jī)陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片抗微小顆粒損傷的問題主要是中高速低能量水平的沖擊問題。本文聚焦低速低能量沖擊服役環(huán)境對C/SiC復(fù)合材料的影響，通過低速低能量鈍頭沖擊實(shí)驗(yàn)研究2D疊層C/SiC復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)、沖擊損傷、凹坑等，以得到該類材料的典型沖擊損傷模式與損傷機(jī)理。雖然高速低能量沖擊與低速低能量沖擊的機(jī)理不甚相同，但本研究結(jié)果或許可為高速低能量沖擊提供參考。

1 材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

平板試樣是二維疊層碳纖維預(yù)制體材料與熱解碳界面相及碳化硅基體的C/SiC復(fù)合材料。該材料由T300碳纖維正交編織成碳布預(yù)制體，采用化學(xué)滲透工藝沉積熱解碳界面層(Pyrolytic Carbon，PyC)，在低壓爐內(nèi)基于CVI(Chemical Vapor Infiltration)技術(shù)沉積SiC基體形成。三種試樣孔隙率分別為19.0%、13.6%、20.5%。最終加工成型后，切割為大小80 mm×70 mm，厚度分別為3 mm、3 mm、4 mm的薄板。圖1(a)表示了二維疊層C/SiC復(fù)合材料的經(jīng)向編織帶和緯向編織帶方向，用光鏡觀察到C/SiC平板的宏觀結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。圖1(c)和圖1(d)依次顯示了在掃描電子顯微鏡下觀察到試樣的細(xì)觀和微觀結(jié)構(gòu)，可以觀察到纖維束、基體、單根纖維、界面和孔隙的存在。

經(jīng)測量，3種材料的單層厚度依次約為229 μm、 149 μm和242 μm。層數(shù)依次為13層、20層和17層。

圖1 二維疊層C/SiC復(fù)合材料示意圖Fig.1 Diagram of 2D braided C/SiC composites

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用落錘方法進(jìn)行低能量沖擊實(shí)驗(yàn)。采用ASTM D7136-05標(biāo)準(zhǔn)[15]，利用實(shí)驗(yàn)室沖擊夾具將試樣固定在沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)的底座上。撞擊頭為半球形，沖頭直徑為16 mm，落錘質(zhì)量為5.67 kg，沖擊能量由落錘高度控制，分別產(chǎn)生1、3、5、7、10、15、20 J的沖擊能量。落錘頂部安裝加速度傳感器，可測量沖擊過程中的加速度、速度、位移，同時安裝力傳感器用于測量沖擊載荷。采用的夾具[16]包括蓋板、導(dǎo)板和支承塊，如圖2所示。橡膠墊片置于蓋板與試件之間，保證完整貼合及邊界條件均勻。

1.3 沖擊實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)研究C/SiC復(fù)合材料平板的抗沖擊性，沖擊瞬間采集沖擊載荷、變形，并通過計(jì)算推導(dǎo)出吸收能量和速度變化等沖擊響應(yīng)，借此分析C/SiC復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)規(guī)律和沖擊損傷模式。沖擊后的材料凹坑深度采用圓頭深度千分尺測量。同時在本文第3節(jié)通過改變單層厚度和總厚度來探討其對C/SiC復(fù)合材料抗沖擊性能的影響。工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)可以檢測材料的局部橫截面密度差異、孔洞和分層等缺陷的細(xì)節(jié)特征[17]。為了得到試件沖擊損傷，采用CT對沖擊后的試樣沿中面進(jìn)行內(nèi)部無損探傷及分析研究。本研究使用的三類試樣實(shí)驗(yàn)矩陣如表1所示。

圖2 經(jīng)改裝的落錘夾具Fig.2 Dropped tip fixture by re-designing

表1 實(shí)驗(yàn)矩陣Table 1 Experimental matrix

2 沖擊響應(yīng)分析

沖擊響應(yīng)包括沖擊載荷-位移關(guān)系和試樣吸收能量-時間關(guān)系。以C/SiC-01沖擊能量5 J的試件為例(如圖3所示)，沖擊載荷隨位移的變化曲線大致可分為3個典型階段：

圖3 沖擊載荷隨位移的變化關(guān)系(C/SiC-01， 沖擊能量5 J)Fig.3 Relationship between impact load and displacement (C/SiC-01, impact energy: 5 J)

1) 線彈性階段，沖擊載荷在最初階段(面外位移0～1.8 mm)隨時間的變化基本成線性關(guān)系，此時試件處于彈性階段。

2) 載荷嚴(yán)重下降階段，隨著沖擊載荷的增加(面外位移1.8～4.2 mm)，沖擊載荷不斷出現(xiàn)嚴(yán)重卸載現(xiàn)象，這可能是C/SiC復(fù)合材料在沖擊作用下沖擊部位局部壓潰所致。

3) 沖擊能量超過峰值后進(jìn)入回彈階段，在位移4.2～2.0 mm過程中，沖擊載荷減小，沖頭被逐漸彈回直至離開試樣表面。

沖擊過程中試樣吸收的能量、沖擊載荷隨時間的關(guān)系如圖4所示，吸收能量-時間曲線表明整個沖擊過程中材料吸收能量是非線性的。在卸載階段結(jié)束時，沖擊過程試樣吸收的能量達(dá)到峰值，之后逐漸降低，當(dāng)沖頭反彈離開試樣表面，試樣在整個沖擊過程所吸收的總能量保持恒定。

圖4 沖擊載荷、試樣吸收能量隨時間的變化關(guān)系(C/SiC-01，沖擊能量5 J)Fig.4 Relationship between impact load/absorped energy and time (C/SiC-01, impact energy: 5 J)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 預(yù)制體單層厚度影響

選用結(jié)構(gòu)總厚度相同、單層厚度不同的C/SiC復(fù)合材料平板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，孔隙率分別為19.0%(C/SiC-01)和13.6%(C/SiC-02)，單層厚度分別為229 μm 和149 μm。

3.1.1 沖擊載荷-撓度

首先，對比同等總厚度、不同單層厚度的C/SiC復(fù)合材料的沖擊載荷(接觸力)-撓度(位移)關(guān)系，如圖5所示。由圖可知：① 沖擊載荷-位移曲線可分為明顯的3個階段，即線彈性段、損傷屈服段以及回彈階段；② 相同沖擊能量之下，結(jié)構(gòu)總厚度不變，預(yù)制體單層厚度越小(即層數(shù)越多)，沖擊載荷-位移線性段斜率越高，即剛度越大；③ 相 同沖擊能量下，單層厚度越小，預(yù)制體層數(shù)多纖維含量越高的，其損傷屈服階段越少，沖擊載荷峰值越高，說明其沖擊阻抗越高。

對傳統(tǒng)文化和中國古代人文學(xué)科研究成果的普及有其特殊背景。由于20世紀(jì)以降傳統(tǒng)文化受到?jīng)_擊，教育的工具化、實(shí)用化傾向，重理輕文之風(fēng)，造成幾代人知識結(jié)構(gòu)和人文素質(zhì)的缺陷。而本來應(yīng)該在幼時、小學(xué)、中學(xué)階段具備的傳統(tǒng)文化基礎(chǔ)和基本人文素養(yǎng)，我們這一代與更年輕的人，即使有了碩士、博士學(xué)位，當(dāng)了領(lǐng)導(dǎo)，成了專家、教授，卻未必能具備。在不少方面都需要接受普及，甚至需要掃盲。

圖5 兩種單層厚度下沖擊載荷-位移曲線的對比Fig.5 Comparison of impact load-displacement curves with two monolayer thicknesses

對于以上不同單層厚度材料在不同沖擊能量之下的載荷-位移曲線，取最大沖擊載荷值進(jìn)行對比，如圖6所示。結(jié)果顯示：沖擊載荷峰值隨材料單層厚度減小35%，升高21%～31%。在相同沖擊能量之下，材料和結(jié)構(gòu)的沖擊載荷峰值越高，說明其承載能力越強(qiáng)，抗沖擊性能越高。因此，降低2D疊層C/SiC復(fù)合材料的單層厚度可顯著提高其沖擊阻抗。

圖6 兩種預(yù)制體厚度下沖擊載荷峰值與 受沖擊能量的關(guān)系Fig.6 Relationship between peak impact load and impact energy with two prefabricated body thicknesses

3.1.2 能量吸收

由沖頭的動能計(jì)算出當(dāng)前沖頭動能與初始動能之間的差，即為材料受沖擊所吸收能量。當(dāng)前吸收能量包括彈性應(yīng)變能和損傷耗散能，其中損傷耗散能包括基體開裂能、界面脫粘能、纖維拔出能以及纖維斷裂能。最終沖擊結(jié)束時刻則為最終吸收能量，如圖7所示。材料吸收能量-時間曲線呈拋物線式上升，達(dá)到最高點(diǎn)后再下降，且下降速度較上升階段減緩。曲線最終達(dá)到一穩(wěn)定值(平臺)，將此值作為材料最終吸收能量進(jìn)行對比，如圖8所示。由最終吸收能量-受沖擊能量關(guān)系可知，最終吸收能量呈線性增長趨勢，且2種材料十分接近，說明材料最終所吸收能量對預(yù)制體單層厚度變化不敏感，其原因可能是相同總厚度的材料在沖擊過程中，損傷耗能相同。

圖7 兩種單層厚度下吸收能量-時間曲線的對比Fig.7 Comparison of absorped energy-time curves with two monolayer thicknesses

圖8 C/SiC-01和C/SiC-02在不同沖擊能量下的 材料最終吸收能量Fig.8 Final absorbed energy with different impact energy of C/SiC-01 and C/SiC-02

3.2 鋪層數(shù)影響

選用單層厚度與孔隙率不變、鋪層數(shù)不同的兩種C/SiC復(fù)合材料，即結(jié)構(gòu)厚度變化。試樣的總厚度分別是3 mm(C/SiC-01)和4 mm(C/SiC-03)，孔隙率19.0%～20.5%。

3.2.1 沖擊載荷-撓度

對比兩種同等單層厚度不同層數(shù)的C/SiC復(fù)合材料沖擊載荷(接觸力)-撓度(位移)如圖9所示。由圖9可知，相同沖擊能量下，材料面外變形隨總厚度的增大而減小，說明其沖擊阻抗有所提高。在實(shí)驗(yàn)中，隨著預(yù)制體層數(shù)由13層提高到17層，面外變形減小約27.6%，沖擊載荷峰值增大60%～70%。因此適當(dāng)增加2D疊層C/SiC復(fù)合材料的預(yù)制體層數(shù)，可提高其沖擊阻抗。兩種鋪層數(shù)下的沖擊載荷峰值見圖10。

圖9 兩種鋪層數(shù)下沖擊載荷-位移曲線的對比Fig.9 Comparison of impact load-displacement curves with two layers

圖10 兩種鋪層數(shù)下沖擊載荷峰值與受沖擊能量的關(guān)系Fig.10 Relationship between peak impact load and impact energy with two layers

3.2.2 能量吸收

如圖11所示，給出了不同鋪層數(shù)的沖擊吸收能量-時間曲線。發(fā)現(xiàn)在相同沖擊能量下，C/SiC-03材料較C/SiC-01鋪層數(shù)由13層增多到17層，最終吸收能量降低10%，并無太大差異，如圖12所示。

3.3 凹坑深度

經(jīng)測量統(tǒng)計(jì)不同材料、不同沖擊能量下的所有凹坑深度，發(fā)現(xiàn)隨著沖擊能量越大，試樣的凹坑深度越大。如圖13所示，不同材料在相同沖擊能量下，凹坑深度(C/SiC-03)<凹坑深度(C/SiC-02)<凹坑深度(C/SiC-01)，說明單層厚度越小，預(yù)制體層數(shù)越多，結(jié)構(gòu)厚度越大的C/SiC材料相對于單層厚度大，預(yù)制體層數(shù)少，結(jié)構(gòu)厚度小的材料受到?jīng)_擊后的損傷更小。在沖擊能量為10 J時，對比C/SiC-01和02的試樣，單層厚度由229 μm 減小到149 μm時，減小34.9%，鋪層數(shù)增加7層，總厚度保持不變，凹坑深度由5.23 mm減小到3.34 mm， 減小了36.1%。在沖擊能量為10 J 時，對比C/SiC-01和03的試樣，預(yù)制體層數(shù)由13層增加到17層，增加30.8%，總厚度增加1 mm (33.3%)，單層厚度基本保持不變，凹坑深度由5.23 mm減小到1.99 mm(平均值)，減小了62.0%。 因此，增加單層厚度和預(yù)制體層數(shù)可以顯著地提高其沖擊承載能力，與前文沖擊載荷-撓度曲線分析結(jié)論一致。

圖11 兩種單層厚度下吸收能量-時間曲線的對比Fig.11 Comparison of absorbed energy-time curve with two layers

圖12 C/SiC-01和C/SiC-03在不同沖擊 能量下的材料最終吸收能量Fig.12 Final absorbed energy with different impact energy of C/SiC-01 and C/SiC-03

圖13 所有試樣的凹坑深度Fig.13 Damage depths of all specimens

3.4 內(nèi)部細(xì)觀損傷

通過X射線技術(shù)對受10 J能量沖擊后材料中心截面進(jìn)行無損CT掃描，如圖14所示。可見如下現(xiàn)象：沖頭下方材料受沖擊形成圓弧狀凹坑；試樣背部鼓起；凹坑下方局部材料壓潰；原本的孔隙被壓實(shí)；部分材料粉末化；沖頭正下方出現(xiàn)了明顯的纖維斷裂；有較多的層間分層損傷存在且多出現(xiàn)在背部，分層損傷沿面內(nèi)超出凹坑以外。

沖擊能量的大小是影響C/SiC復(fù)合材料低速損傷特性的關(guān)鍵因素[18]。分析試樣無損CT掃描結(jié)果，本文認(rèn)為2D疊層C/SiC復(fù)合材料在受到載荷沖擊后大致由以下4種典型的損傷模式：① 在沖擊面附近基體出現(xiàn)微裂紋；② 基體局部壓潰，隨著載荷的增加，原來的裂紋開始擴(kuò)展，新的裂紋也已經(jīng)產(chǎn)生，材料下端未受到明顯沖擊；③ 微裂紋的擴(kuò)展引起基體開裂，同時，裂紋也會沿界面層的方向擴(kuò)展，導(dǎo)致界面脫粘，進(jìn)而出現(xiàn)分層；④ 纖維束完全斷裂，材料分層明顯。

圖14 10 J沖擊能量下孔隙率13.6%試樣的CT圖像Fig.14 CT images of porosity of 13.6% with 10 J impact energy

4 結(jié) 論

本文對3組2D疊層C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行低速低能量沖擊實(shí)驗(yàn)，在1～20 J的沖擊能量下對其進(jìn)行抗沖擊性能測試。對比不同單層厚度以及不同預(yù)制體層數(shù)對2D疊層C/SiC復(fù)合材料抗沖擊性能的影響并進(jìn)行分析。得出如下主要結(jié)論：

1) 2D疊層C/SiC復(fù)合材料受低速沖擊過程中，沖擊載荷變化可分為3個典型階段：線性階段、屈服卸載階段和非線性回彈階段。屈服卸載段沖擊載荷不斷出現(xiàn)嚴(yán)重卸載現(xiàn)象，可能由于C/SiC復(fù)合材料沖擊部位出現(xiàn)基體開裂、界面脫粘、纖維拔出、纖維斷裂和分層所致。

2) 結(jié)構(gòu)厚度保持不變，材料最終所吸收能量對預(yù)制體單層厚度變化并不敏感。單層厚度不變，總鋪層數(shù)增大、結(jié)構(gòu)厚度增加30.8%，其吸收能量降低10.0%。

3) 2D疊層C/SiC復(fù)合材料的單層厚度與預(yù)制體層數(shù)對低能量沖擊源較為敏感。提高C/SiC復(fù)合材料抗沖擊性能的方式一是減小預(yù)制體的單層厚度(即增加層數(shù))。材料單層厚度減小35.0%， 沖擊載荷峰值升高21.0%～31.0%，凹坑深度減小36.1%左右。方式二是增多總鋪層數(shù)以增大其結(jié)構(gòu)厚度。隨著預(yù)制體層數(shù)增加30.8%， 沖擊載荷峰值增大60.0%～70.0%，凹坑深度約減小62.0%。

4) 2D疊層C/SiC復(fù)合材料受低能量沖擊時，材料內(nèi)部的細(xì)觀損傷模式為：沖擊面附近基體開裂；基體局部壓潰，出現(xiàn)分層損傷；沖擊能量過大導(dǎo)致部分纖維束完全斷裂，分層更加明顯。