梁仕飞，矫桂琼（.中航空天发动机研究院有限公司试验设备技术中心，北京0304；.西北工业大学力学与土木建筑学院，西安709）



2.5维自愈合C/SiC复合材料的拉伸损伤及强度

梁仕飞1，矫桂琼2
（1.中航空天发动机研究院有限公司试验设备技术中心，北京101304；2.西北工业大学力学与土木建筑学院，西安710129）

摘要：试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料的单轴拉伸损伤特征，发现拉应力小于50 MPa时经向和纬向模量基本无变化，50 MPa后残余应变逐渐增大。根据主裂纹面受力情况，建立了单向增强自愈合C/SiC复合材料的脆性断裂模型和韧性断裂模型，并利用其预测了2.5维自愈合C/SiC复合材料的经向和纬向强度。结果表明，2.5维自愈合C/SiC复合材料的经向和纬向拉伸发生脆性断裂，脆性断裂模型预测值与试验值吻合较好。

关键词：航空发动机；2.5维自愈合C/SiC复合材料；脆性断裂；残余应变；拉伸损伤；断裂模型

1　引言

C/SiC复合材料具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，是重点开发的航空航天热结构材料［1］。但其内部的微裂纹为氧化气体提供了进入内部的通道，氧化气体与碳纤维和热解碳界面发生氧化反应，使材料的使用寿命大大缩短［2-3］。为此，研究者研发了自愈合C/SiC复合材料。

国外研究表明，自愈合C/SiC复合材料能满足航空发动机的高温氧化环境要求，将其用于航空发动机的燃烧室、涡轮、喷管等热端部件，能有效降低航空发动机的质量，并显著提高航空发动机的推重比［4-8］。目前，国内关于自愈合C/SiC复合材料的研究主要集中在生产制备阶段［9-11］，鲜有自愈合C/SiC复合材料力学性能方面的报道。

自愈合C/SiC复合材料用于热端部件通常采用2.5维编织结构。相对于2维编织陶瓷基复合材料，2.5维自愈合C/SiC复合材料具有面内结构的不对称性和更高的层间性能。其用于制作薄壁件，能够一体成型，并保证纤维的连续性和结构的完整性。国外对陶瓷基复合材料力学性能进行了大量研究，国内关于2维、2.5维和3维编织陶瓷基复合材料力学性能的研究也已较多，但主要集中在模量和应力应变方面，强度预测模型方面的研究相对较少［12-16］，目前还未见关于2.5维自愈合C/SiC复合材料强度模型的研究，而这对于材料的开发和工程应用具有积极意义。基于此，本文通过对2.5维自愈合C/SiC复合材料进行拉伸试验，研究其损伤特征并建立其强度预测模型，以期为材料的开发及其在发动机上的应用提供基础，从而实现材料和结构的优化。

2　试验及损伤分析

将2.5维自愈合C/SiC复合材料板裁剪成狗骨状拉伸试件，试件尺寸及试验装置分别如图1、图2所示，试件厚度为3 mm。经向和纬向拉伸试验均在INSTRON 5567试验机上进行，采用位移控制加载，加载速率为0.2 mm/min。利用东华3815应变采集器采集试件加载方向的应变。

图1 拉伸试件示意图Fig.1 Sketch of tensile specimen

图2 拉伸试验图Fig.2 The Photo of tensile test

纬向拉伸破坏断口如图3所示，2.5维自愈合C/SiC复合材料的细观编织结构如图4所示，图中x向为经纱方向，y向为纬纱方向。从图中可以看到，纬向纤维束有少量簇状拔出，纤维断裂在y向两层经纱之间。纬纱断裂后拔出对经纱的剪应力导致经纱横向开裂。经纱的斜线部分（Ⅱ部分）基本无损伤，断裂模式为脆性破坏。

图3 纬向拉伸断口Fig.3 Fracture in weft direction

图4 2.5维自愈合C/SiC复合材料的细观结构Fig.4 Micro-structure of 2.5D self-healing C/SiC composite

图5为y向拉伸的加卸载应力-应变曲线。可见，应力小于50 MPa时，残余应变很小，切线模量基本无变化。50 MPa后损伤不断发生，残余应变逐渐增大，切线模量逐渐降低，拉伸强度为148.71 MPa。

图5 y向拉伸应力-应变曲线Fig.5 The stress-strain curve under tensile load in y direction

图6为x向拉伸的加卸载应力-应变曲线。可见，应力小于50 MPa时，残余应变很小，切线模量变化很小。随着应力的增大，残余应变逐渐增大，应力在100～150 MPa范围内时残余应变增加最多，此段的切线模量较低。x向拉伸试验发生了脆性破坏，拉伸强度为209.57 MPa。

图6 x向拉伸应力-应变曲线Fig.6 The stress-strain curve under tensile load in x direction

3　纬纱方向拉伸强度预测

碳纤维增强陶瓷基复合材料的破坏通常会有一个主断裂面，主断裂面对材料的最终失效起决定性作用。所以可专门研究主裂纹面的受力情况，进而预测材料的拉伸强度。

主裂纹面的损伤形式有基体开裂、界面开裂滑动、纤维断裂拔出等，以主裂纹为中心，界面开裂滑动长度范围内的全部区域称为主裂纹损伤带［17］。

纤维基体之间的界面较强时材料发生脆性断裂，界面较弱时材料发生韧性断裂。韧性断裂的断口处纤维拔出较长，脆性断裂的断口较平齐、纤维拔出较短。根据断裂模式的不同，可建立相应的断裂模型。

建立模型前，需先确定纤维的拉伸断裂强度。由于滑动段的界面受剪应力作用产生损伤裂纹，导致纤维强度下降。根据文献［18］的研究结果，T300纤维的强度σfs（MPa）与涂层厚度ρ（m）的关系式为：

纤维基体间界面厚度约为（0.1～0.2）×10-6m，根据式（1）求得纤维的强度为834.05～1 179.53 MPa。

表1列出了强度模型所用的几何参数及物理参数——根据文献［19］所用的材料数据和模型得到。

表1 符号列表Table 1 List of symbols

3.1韧性断裂模型

韧性断裂因有较长纤维拔出，假设断裂平均发生在界面开裂滑动段的中间位置。设纤维的应力集中系数为K，当纤维的远场拉应力为σffar时，界面开裂滑动中间位置的纤维拉应力为σffar（K + 1）/2。发生韧性断裂时，此值应与纤维强度σfs相等，则：

利用等应变方法，纤维断裂时的基体远场拉应力为：

纬纱内的基体占2.5维自愈合C/SiC复合材料总体积的百分比为：

由于y向拉伸的最弱截面为y向两层经纱之间，此截面处仅有纬纱承受拉应力，因此2.5维自愈合C/SiC复合材料的y向拉伸强度σys为：

完全脆性断裂时，裂纹处纤维承担远场基体和纤维的总载荷，计算得到K为3.0。韧性断裂的主裂纹面K的范围应为1.0～3.0。K取3.0时，根据式（5）得到的2.5维自愈合C/SiC复合材料的y向拉伸强度为166.37～235.28 MPa。此结果为韧性断裂模型预测值的下限。y向拉伸强度的试验值为148.71 MPa，韧性断裂模型的下限值大于试验值。原因是韧性断裂更充分地发挥了纤维的性能，强度要比脆性断裂高，而2.5维自愈合C/SiC复合材料的y向拉伸试验破坏方式为脆性断裂。

3.2脆性断裂模型

脆性断裂时断口较平齐，假设断裂发生在主裂纹面上。K = 3.0，纤维的远场应力为：

根据式（3）、式（4）得到基体的远场应力σmfar和体积分数Vmft，利用式（5）得到2.5维自愈合C/SiC复合材料的y向拉伸强度为110.91～156.85 MPa。试验值为148.71 MPa，在模型预估范围内。

4　经纱方向拉伸强度预测

x向拉伸破坏发生在如图4所示的Ⅱ段内，此处经纱处于拉剪复杂应力状态，经纱的偏轴拉伸强度可由蔡-希尔强度准则确定，有：

5　结论

（1）2.5维自愈合C/SiC复合材料的拉伸试验损伤特征研究表明，经纬向拉应力小于50 MPa时，残余应变均很小，切线模量基本无变化；拉应力达到50 MPa后开始发生损伤。

（2）建立的单向增强自愈合C/SiC复合材料的两种强度模型（脆性断裂模型和韧性断裂模型）的预测结果表明，相比于韧性断裂模型预测结果，2.5维自愈合C/SiC复合材料脆性断裂模型预测结果与试验值吻合较好。

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The tensile damage and strength of 2.5D self-healing C/SiC composite

LIANG Shi-fei1，JIAO Gui-qiong2
（1. AVIC Academy of Aeronautic Propulsion Technology，Beijing 101304，China；2. School of Mechanics，Civil Engineering and Architecture，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

Abstract：The tensile damage behaviors of 2.5D self-healing C/SiC composite were studied by experi⁃ments. And the results show that the modulus of weft and warp directions almost have no change until the tensile stress reaches 50 MPa. After that，the residual strain increases with the tensile stress gradually. Based on the stress distribution of the major crack plane，two strength models（brittle fracture model and ductile fracture model）of unidirectional reinforced self-healing C/SiC composite were built，and the strength of 2.5D self-healing C/SiC composite in weft and warp directions were predicted. The results show that the failure mode is brittle fracture and the predicted result of brittle fracture agrees well with the experi⁃ment result.

Key words：aero-engine；2.5D self-healing C/SiC composite；brittle fracture；residual strain；tensile damage；fracture model

中图分类号：V250.3

文献标识码：A

文章编号：1672-2620（2016）02-0047-04

收稿日期：2015-09-14；修回日期：2016-04-13

作者简介：梁仕飞（1982-），男，满族，河北秦皇岛人，工程师，博士，主要从事复合材料力学研究。