2D-C/SiC復合材料軸向加載泊松效應

郭洪寶，洪智亮，李開元，梅文斌

(1 中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 201108；2 上海商用飛機發動機工程技術研究中心，上海 201108)

以2D-C/SiC復合材料為代表的平紋編織陶瓷基復合材料，具有高比強度、比模量，耐高溫和熱穩定性好等優點，已經被選作替代高溫合金材料的新一代高溫熱結構材料，在航空航天領域逐漸獲得了廣泛的應用[1-3]。由于上述材料在加載過程中具有特有的細觀損傷機制和損傷失效進程，導致其具有不同于其他常規材料的宏觀力學行為。全面研究并掌握材料的力學行為及對應的細觀損傷失效機制，包括泊松力學行為，是促進并實現其工程實際應用的必備研究基礎。

目前關于2D-C/SiC復合材料宏觀力學行為和細觀損傷失效機制的研究主要集中在材料的加載方向上，例如材料加載方向上拉伸[4-5]、壓縮[6-7]、剪切[8-9]等力學行為性能和細觀損傷失效機制的研究，對于材料在垂直加載方向上的泊松力學行為研究還不多見。Vanswijgenhoven等[10-11]通過對單向SiC/CAS復合材料軸向拉伸應力-應變行為進行研究發現，加載過程中材料的橫向應變數值呈現出先減小再增大的變化趨勢，材料表現出顯著的階段性負泊松比力學行為；在考慮了纖維與基體的泊松效應和熱殘余應力的基礎上建立的計算分析模型能夠很好地預測實驗結果。Habib等[12]在進行單向和0°/90°疊層SiC/CAS復合材料軸向拉伸性能測試過程中發現，兩種材料在拉伸損傷加劇過程中均表現出負泊松比力學行為，同時材料的泊松比數值隨著疲勞加載次數的增加而發生顯著下降。Camus等[13]在對2D-C/SiC復合材料軸向拉壓損傷力學行為進行研究時發現，材料在軸向拉伸加載過程中會表現出顯著的負泊松比力學行為，并指出基體開裂損傷和熱殘余應力釋放是導致材料出現負泊松比力學行為的主要原因，但是文中并未針對材料的負泊松比力學行為及其對應的細觀損傷失效機理展開針對性研究。上述工作雖然通過軸向拉伸加載研究了連續纖維增強陶瓷基復合材料的橫向應變行為并且都涉及了材料的負泊松比力學行為，但是大都針對SiC/CAS復合材料，缺乏對2D-C/SiC復合材料泊松力學行為及對應損傷演化機理的針對性研究，此方面研究工作還有待進一步展開和深入。

本工作通過對2D-C/SiC復合材料試件進行軸向單調拉伸、單調壓縮和拉伸加卸載實驗表征分析了材料纖維束軸向方向上的拉伸和壓縮泊松效應，并結合不同加載過程中材料的細觀損傷行為，對比分析了軸向損傷演化進程對材料泊松效應的影響。結合試件拉伸斷口掃描電鏡結果和損傷失效模式分析，揭示了不同加載過程中材料表現出不同泊松效應的細觀損傷影響機制。上述工作對補充完善2D-C/SiC復合材料的宏觀力學行為和細觀損傷機理研究并促進其工程應用具有重要意義。

1 試件和實驗

1.1 試件

本工作所用2D-C/SiC復合材料采用化學氣相滲透(CVI)工藝制得。首先通過平紋編織碳纖維布疊層制得材料的纖維預制體，疊放過程中每層纖維布的經向和緯向未加以區分而隨機分布。然后利用CVI工藝對纖維預制體依次沉積熱解炭界面層和SiC基體；在基體致密化過程中對材料板材進行裁剪加工獲得實驗用拉伸和壓縮試件，最終基體致密化完成后獲得的試件材料纖維體積分數和平均密度分別約為40%和2.0 g/cm3。拉伸和壓縮試件分別采用狗骨型和直條型，測試均勻段長度均為25 mm，被測矩形截面寬度和厚度分別為10 mm和3.5 mm。圖1給出了拉伸和壓縮試件尺寸、材料纖維束方向和應變片粘貼分布示意圖，其中x，y方向分別代表加載方向(縱向)和垂直加載方向(橫向)，σx為施加應力。實驗過程中在試件測試均勻段中心位置表面以背靠背的形式粘貼了兩枚0°/90°應變花(BE120-4BC)用于與施加載荷同步監測材料x和y方向上的線應變。

圖1 試件幾何尺寸、纖維束分布方向和應變片粘貼位置(a)拉伸試件；(b)壓縮試件Fig.1 Geometric sizes and fiber architecture of specimens and locations of strain gauges(a)tensile specimen;(b)compressive specimen

1.2 實驗

單調拉伸、單調壓縮和拉伸加卸載實驗均在INSTRON 5567電子萬能試驗機上進行，每組實驗所用試件數量分別為5件、5件、3件，實驗加載速率均為0.2 mm/min，數據采樣頻率為2 Hz。實驗過程中通過試件表面粘貼的應變花，配合DH3815 N靜態應變采集系統，與施加載荷同步對材料x和y方向上的應變數值進行實時采集。

2 泊松比力學行為

2.1 單調加載

2D-C/SiC復合材料縱向單調拉伸和單調壓縮典型應力-應變曲線和泊松曲線如圖2所示。由圖2(a)可見，在單調拉伸加載過程中，材料內部不斷產生的基體開裂、界面脫粘滑移和纖維斷裂拔出等拉伸細觀損傷機制導致材料的拉伸應力-應變曲線呈現出非線性特征[13]；曲線只有在拉伸損傷演化速率還比較緩慢的初始加載階段(0<εx<290 με)呈現出較短的近似線性段[13]。在上述初始加載階段內橫向應變εy隨著縱向應變εx的增大整體呈現出減小的變化規律，材料表現出短暫的正泊松比力學行為；但是后續隨著εx的增大，εy也呈現出不斷增大的變化規律，直至試件材料發生斷裂破壞，材料表現出顯著的非線性負泊松比力學行為。由圖2(b)可見，在單調壓縮加載過程中，由于材料在壓縮載荷作用下的損傷失效主要集中發生在最終破壞時刻，所以在壓縮破壞前材料的壓縮應力-應變曲線整體呈現為線彈性[14]。在壓縮加載過程中橫向應變εy隨著縱向壓縮應變εx的減小呈現出近似線性增大的變化規律，材料呈現出近似線性正泊松比力學行為。

圖2 2D-C/SiC復合材料縱向單調加載應力-應變和泊松曲線(a)單調拉伸；(b)單調壓縮Fig.2 Longitudinal monotonic loading stress-strain and Poisson curves of 2D-C/SiC composite(a)monotonic tension;(b)monotonic compression

相比于加載應力-應變曲線，泊松曲線具有明顯的小幅縱向抖動，這主要是因為應變采集系統引起的數值波動相比于橫向應變εx數值的比值較大，所以上述數值波動在曲線上會表現得更為顯著。另外，相比于單調壓縮泊松曲線，材料的單調拉伸泊松曲線具有更為顯著的縱向抖動特征，這可能是由于材料在單調拉伸和單調壓縮加載過程中具有不同的損傷演化行為。

2.2 拉伸加卸載

通過拉伸加卸載實驗測試獲得的材料縱向加卸載典型應力-應變和泊松曲線如圖3所示。由圖3可見，由于受到加卸載過程中材料內部發生的細觀損傷能量耗散機制和熱殘余應力釋放機制的影響，材料的拉伸加卸載應力-應變曲線具有明顯的遲滯環寬度δu和殘余應變ε0特征[15]。在每個加卸載循環中，當施加應力σx小于卸載峰值應力σp時，材料的拉伸損傷進程基本停滯；當σx>σp時，材料的拉伸損傷隨著σx的增大而不斷加劇和累積直至發生斷裂破壞[16]。對于泊松曲線，在初次加載過程中，材料在應力-應變曲線初始近似線性段(0<εx<240 με)仍表現出短暫的正泊松比力學行為，隨后(240 με<εx<500 με)則逐漸轉變為負泊松比力學行為。在后續的加卸載循環中，當σx<σp時，卸載過程中εy隨著εx的減小近似呈線性增大，重加載過程中εy隨著εx的增大近似呈線性減小，材料表現出近似線性正泊松比力學行為；當σx>σp時，重加載過程中εy隨著εx的增大也不斷增大，材料則表現出非線性負泊松力學行為。

圖3 2D-C/SiC復合材料縱向拉伸加卸載應力-應變和泊松曲線Fig.3 Longitudinal cyclic tensile stress-strain and Poisson’s ratio curves of 2D-C/SiC composite

基于上述實驗結果可知，軸向加載過程中，2D-C/SiC復合材料只有在拉伸損傷加劇過程中才會表現出顯著的負泊松比力學行為；在加載損傷停滯狀態下，材料則表現出近似線性正泊松比力學行為。通過計算獲得的不同加卸載循環中“σx>σp”階段對應的材料泊松比數值(圖3中紅色虛線段斜率)隨卸載峰值應力σp的數值變化曲線如圖4所示。由拉伸加卸載過程中材料內部的拉伸損傷程度與σp數值呈單調正相關對應關系可知[15]，2D-C/SiC復合材料的泊松比數值隨著材料拉伸損傷程度的增加而不斷減小，即材料的泊松效應不斷減弱。

圖4 2D-C/SiC復合材料泊松比隨卸載峰值應力的數值變化規律Fig.4 Variation of Poisson’ ratio with unloading peak stress σp for 2D-C/SiC composite

3 細觀損傷機制

3.1 斷口形貌分析

為了進一步分析驗證軸向加載過程中造成2D-C/SiC復合材料表現出上述泊松比力學行為的細觀損傷作用機制，利用掃描電鏡觀察得到的拉伸試件材料斷口照片如圖5所示，圖片四周的平行箭頭表示為施加應力σx的加載方向。觀察發現，在縱向拉伸載荷作用下，材料內部的拉伸損傷機制除了基體橫向開裂以及縱向纖維界面脫粘、滑移、拔出和拉伸斷裂之外，還包括基體的縱向開裂損傷。同時，拉伸斷口上縱向纖維束和基體橫向開裂位置參差不齊的分布特征也說明了損傷過程中基體縱向開裂損傷的存在，另外縱向纖維的界面脫粘損傷也屬于縱向開裂損傷。

圖5 拉伸試件斷口掃描電鏡照片 (a)低倍；(b)高倍Fig.5 SEM images of the fractured surfaces on tensile specimens (a)low magnification;(b)high magnification

3.2 損傷機理分析

基于2D-C/SiC復合材料在縱向拉伸載荷作用下的損傷失效力學行為繪制的損傷失效機理示意圖如圖6所示。拉伸損傷加劇過程中，材料內部的橫向和縱向裂紋隨著損傷程度的增加而不斷產生，受材料內部熱殘余應力釋放的影響，上述裂紋產生后將會保持“張開”狀態，并在垂直裂紋走向方向上引起整體材料的膨脹變形。縱向裂紋的不斷出現將會導致材料持續產生橫向膨脹變形，當上述膨脹變形大于并掩蓋縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形時，則會有εy隨著εx的增大也不斷增大，材料即表現出負泊松比力學行為。另外，橫向裂紋的不斷產生逐漸降低了基體材料沿縱向的連續性，降低了裂紋附近基體材料的縱向拉伸應力水平(轉移至橋連纖維承擔)和由泊松效應引起的橫向彈性收縮變形，進而促使材料整體的泊松效應隨著損傷程度的增加而不斷減弱[10]。此外，由于拉伸加載過程中材料內部開裂損傷速率的間歇性變化[17]導致的材料整體變形速率的短時變化，以及上述橫向膨脹變形和橫向彈性收縮變形間的相互疊加抵消作用，可能是造成材料縱向拉伸泊松曲線相比于縱向壓縮泊松曲線具有更顯著抖動特征的主要原因。

圖6 2D-C/SiC復合材料縱向拉伸損傷失效機理示意圖Fig.6 Schematic diagram for longitudinal tensile damage mechanisms of 2D-C/SiC composite

綜上所述，軸向加載過程中2D-C/SiC復合材料的泊松效應主要是由材料縱向開裂損傷和熱殘余應力釋放造成的材料橫向膨脹變形和縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形的共同影響來控制；拉伸損傷加劇過程中當上述橫向膨脹變形大于并掩蓋上述橫向彈性收縮變形時，材料即表現出負泊松力學行為。在拉伸損傷進程停滯狀態下，材料的橫向應變主要由縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形控制，所以材料表現出近似線性正泊松比力學行為。在拉伸加載初始階段，由于材料的拉伸損傷速率較低，此階段內縱向開裂損傷造成的材料橫向膨脹變形較小并且不能掩蓋縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形，所以材料表現出短暫的正泊松比力學行為；后續隨著拉伸損傷速率的增加材料則逐漸表現為顯著的負泊松比力學行為。縱向壓縮加載過程中，由于材料內部幾乎沒有顯著損傷的發生，所以材料的橫向應變主要由縱向壓縮載荷引起的橫向彈性膨脹變形所控制，材料表現為近似線性正泊松比力學行為。分析可知，2D-C/SiC復合材料在拉伸損傷加劇過程中如果更容易產生縱向開裂損傷并且橫向熱殘余應力水平越高，其發生負泊松比力學行為的概率越高并且程度越顯著。

4 結論

(1)在纖維束軸向拉壓加載過程中，2D-C/SiC復合材料在拉伸損傷加劇過程中會表現出顯著的負泊松比力學行為；但是在加載損傷停滯狀態下，材料則表現出近似線性正泊松比力學行為。拉伸損傷加劇過程中材料內部越容易產生縱向開裂損傷并且橫向熱殘余應力水平越高，其產生顯著負泊松比力學行為的概率越高。

(2)2D-C/SiC復合材料在纖維束軸向方向上的拉伸泊松效應主要是由材料縱向開裂損傷和熱殘余應力釋放造成的材料橫向膨脹變形和縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形共同控制，壓縮泊松效應主要由縱向壓縮載荷引起的材料橫向彈性膨脹變形所控制。

(3)拉伸損傷加劇過程中，材料內部不斷產生的橫向裂紋導致的基體材料縱向連續性的降低以及裂紋附近基體材料縱向拉伸應力水平和橫向彈性收縮變形的減小，是導致2D-C/SiC復合材料加載泊松效應隨損傷程度增加而不斷減弱的主要影響機制。