徐 颖邵彬彬许维伟杨建明

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001; 2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南232001)

短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态劈裂拉伸实验*

徐 颖1,2,邵彬彬1,许维伟1,杨建明1

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001; 2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南232001)

为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验,并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面,分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明:C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中,同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大;短切碳纤维体积分数为16.0%时,材料的抗拉强度最低;冲击后,试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。

短切碳纤维;体积分数;陶瓷基复合材料;动态劈裂拉伸测试;分离式霍普金森压杆

C/SiC陶瓷基复合材料由于具有各种优良的性能,被广泛应用于航空航天等领域[1-2]。从20世纪七八十年代至今,对陶瓷基复合材料的力学及理化性能已进行了诸多探索。彭刚等[3]利用纤维增强复合材料,对SHPB动态拉伸实验技术进行了研究,并对实验过程中出现的干扰波加以分析,提出了减少实验误差、使实验更精确的一些处理方法和建议。潘文革等[4]利用声发射和显微观察技术对C/SiC复合材料的拉伸过程进行了监测,认为其损伤演化过程包含无损、损伤出现、损伤加速3个阶段。梅辉等[5]利用电子万能试验机对二维C/SiC复合材料采取单向拉伸和加载-卸载(分段式)2种实验,发现随应力的增大,C/SiC复合材料内部损伤达到45%后,材料将发生失效。杨成鹏等[6]对平纹编织C/SiC复合材料进行了单调拉伸和循环加卸载实验,发现材料内部的残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力应变曲线类似。索涛等[7]用高温电子试验机和SHPB对二维C/SiC复合材料进行了高应变率和高温下的单轴压缩力学实验,发现当实验温度高于1 073 K时,二维C/SiC复合材料的压缩强度对应变率的敏感性随温度的升高而显著增大。邵彬彬等[8]对C/SiC复合材料进行了SHPB动态单轴抗压实验,发现C/SiC复合材料的单轴抗压强度具有明显的应变率效应。目前,对C/SiC复合材料的力学性能测试主要集中于静态力学方面,对其动态压缩力学性能、特别是动态巴西圆盘劈裂拉伸实验的研究较少。短切碳纤维作为C/SiC复合材料的一种增强纤维,因为其生产技术及工艺较简单,受到了越来越多的关注。本文中,选用短切碳纤维作为纤维增强材料,利用SHPB装置对短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料进行动态劈裂拉伸力学实验,并利用扫描电子显微镜对C/SiC复合材料试件的破坏界面进行扫描,分析C/SiC陶瓷基复合材料巴西圆盘实验后的动态断裂力学行为和破坏形态。

1 C/S i C复合材料的动态劈裂实验

1.1 实验材料

采用先驱体浸渍裂解(precursor infiltration pyrolysis)法[9]制备了C/SiC陶瓷基复合材料试件。制备过程中使用了长度为3～5 mm的短切碳纤维、聚碳硅烷、粒度300目的SiC微粉、酚醛树脂、二甲苯和无水乙醇等材料。

1.2 实验原理及方法

1.2.1 SHPB动态劈裂实验基本原理

C/SiC陶瓷基复合材料是一种脆性材料。在测试脆性材料的拉伸力学性能方面,巴西实验由于试样制作简单、加载方便、理论成熟等优点而为许多学者所接受。巴西实验是一种抗拉强度的间接测试方法,该方法基于Griffith强度准则,认为试样在中心处首先满足破裂条件[10],中心裂纹不断扩展最终导致整个试样劈裂成两半。由弹性理论可知,巴西圆盘试样在准静态对径压缩下,如图1所示,试样加载直径上(施力点附近除外)的应力状态为:

式中:σc为压缩应力,σt为拉伸应力,d、h分别为圆盘的直径和厚度,r为从加载点到微单元点的距离。试样的拉伸强度可将实验中测得的最大载荷代入式(1)中的第2式计算得到。

当高压氮气促使撞击子弹以一定的速度冲撞入射杆时,应力脉冲将在入射杆中沿杆件向前传播,此应力脉冲即是入射波εi(t);入射波到达入射杆的杆件端部时,部分脉冲将再次反射回入射杆,形成反射波εr(t);另一部分则继续向前,高速地压缩试件,穿过试样的脉冲达到透射杆后则产生透射波εt(t)。通过应变片记录下杆件上的应力脉冲。

根据SHPB实验技术的一维应力波假定和应力均匀性假定,并结合牛顿第三定律,可计算试件承受的径向作用荷载P(t)、试件的应变ε(t)和平均应变率等动态力学数据,即:

图1 巴西圆盘对径压缩Fig.1 Diametrical compression on the Brazilian disc

式中:E0为杆件的弹性模量;A0为杆件的横截面面积;C0为压杆纵波波速为试件直径,即压杆间夹持的试件长度;t为应力波持续时间。

在材料的动态劈裂实验中,当所测试件的内部应力状态趋于稳定,则试件的动态应力状态与静态应力分布特征可视为相同,仅在试件加载端有极微小、可忽略的差别,因此,SHPB动态劈裂拉伸实验中试件的动态拉伸应力σdt(t)可采用弹性力学方法计算:

式中:B为试件的厚度。

当C/SiC陶瓷基复合材料试件因为动态劈裂破坏时,透射波的幅值也将达到最大,此时,与之相对试件破坏的最大拉伸应力即为C/SiC复合材料试件的动态拉伸应力强度σdt。

1.2.2 实验方法

利用直径为37 mm的等截面钢杆SHPB装置作为加载设备,对3种短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料试件,分别采用0.18、0.25和0.40 MPa的冲击气压,依次进行不同加载速率下的动态冲击劈裂实验,每组实验重复3次。实验时在入射杆和透射杆及试件的两端涂抹一层凡士林,以此减小端面摩擦效应[11]。同时调整入射杆、透射杆,使试件放在中间时能使三者轴线位于同一水平面[12],如图2所示。针对实验加载过程中C/SiC陶瓷基复合材料试件内部应力均匀性问题,在入射杆端贴一块尺寸为∅10 mm×1 mm的紫铜片,采用波形整形技术对入射脉冲进行预处理,减小应力波的高频振荡,使其平缓上升,由矩形波变成平缓光滑的半正弦波,整形后的波形如图3所示。图4为典型动态拉伸实验试样两端动态强度与时间的关系图,图中显示试样一端的入射波和反射波的应力总与另一端的透射波应力相等,这说明试样两端的应力已达到平衡。所有实验试样都经证实达到动态应力平衡。

图2 动态劈裂实验试件安装方式Fig.2 Specimen installation mode in dynamic splitting tests

图3 SHPB劈裂拉伸实验应力波形Fig.3 Stress waves in SHPB tensile test

图4 试件的动态应力平衡检验Fig.4 Dynamic stress equilibrium test of specimen

1.3 实验结果及分析

采用上述SHPB装置,对不同短切碳纤维体积分数的C/SiC复合材料试件,进行不同应变率下的动态劈裂实验。短切碳纤维体积分数为24.8%的C/SiC陶瓷基复合材料的典型冲击破坏形态如图5所示。从图5可以看出,C/SiC复合材料试件破碎形态主要表现为劈裂后的层裂和沿径向加载方向的劈裂,基本符合常规巴西圆盘实验的有效性条件[13]。当气压较低时,撞击子弹的速率也较低,试件劈裂为较完整的两部分或层裂为四部分的破坏形态。在同一短切碳纤维体积分数下,随着冲击气压的增大,短切碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料试件的破碎程度明显提高,块数增多。

图5 短切碳纤维体积分数为24.8%的C/SiC复合材料试件动态劈裂破碎形态Fig.5 Dynamic Splitting crushing forms of C/SiC composite specimens with the short cut carbon fiber volume fraction of 24.8%

图6 不同短切碳纤维体积分数下典型应力时程曲线Fig.6 Typical stress-time curves at different short cut carbon fiber volume fractions

图7 动态拉伸强度与冲击气压的关系Fig.7 Dynamic tensile strength varying with impact pressure

图8 不同气压强度下典型应力时程曲线Fig.8 Typical stress-time curves at different impact pressures

图9 动态拉伸强度与短切碳纤维体积分数的关系Fig.9 Dynamic tensile strength varying with short cut carbon fiber volume fraction

由于重复性实验的动态应力时程曲线趋势相似,特当短切碳纤维体积分数分别为16.0%、21.0%和24.8%时,取一组,将C/SiC复合材料在不同加载气压下的典型动态应力时程曲线列出,见图6。将含有短切碳纤维的C/SiC复合材料的动态拉伸强度和冲击气压数据列出,见图7。

从图6～7可以发现,短切碳纤维体积分数相同的C/SiC复合材料试件,在不同冲击气压下其峰值应力不同,且随着冲击气压的增大,其峰值应力也增大。尤其当冲击气压为0.40 MPa时,短切碳纤维体积分数为24.8%的C/SiC复合材料峰值应力超过24 MPa,而短切碳纤维体积分数为21.0%和16.0%的C/SiC复合材料峰值应力均低于24 MPa。且随冲击气压的增大,含有短切碳纤维的C/SiC复合材料达到峰值应力的时间也逐渐缩短,表现出一定的敏感性特征。出现这种现象的主要原因是:随着冲击气压的增大,即加载率的增加,试件内部的微裂纹来不及开裂并贯通,出现了试件变形滞后现象,并且这种滞后现象随着加载速率的大幅提高,越来越明显,从而试样的拉伸强度随之增大,且达到峰值时间缩短。另外,从图7可以看出,在不同的冲击气压下,短切碳纤维体积分数的变化会影响C/SiC复合材料的动态拉伸强度,且当短切碳纤维体积分数为16.0%时,C/SiC复合材料在各种冲击气压下的动态拉伸强度都是最低的。

为确定合理的短切碳纤维体积分数,对比不同短切碳纤维含量的SiC陶瓷基复合材料在常温状态下的动态劈裂力学特性。实验中每一种冲击气压下各取了一组短切碳纤维体积分数不同的SiC陶瓷基复合材料的典型动态应力时程曲线,见图8。图8表明,当冲击气压一定时,短切碳纤维体积分数为24.8%的C/SiC复合材料的动态拉伸强度较高,短切碳纤维体积分数为21%的试件的动态拉伸强度其次,短切碳纤维体积分数为16.0%的试件的动态拉伸强度最低。将不同冲击气压下含有短切碳纤维的SiC陶瓷基复合材料的动态拉伸强度与短切碳纤维体积分数数据列出,见图9。从图9可以看出,在不同冲击气压下,含有短切碳纤维的C/SiC复合材料的动态拉伸强度与短切碳纤维的体积分数有关:以冲击气压为0.18 MPa时为例,短切碳纤维体积分数为16.0%的C/SiC复合材料的动态拉伸强度介于20～22 MPa,短切碳纤维体积分数为21.0%的C/SiC复合材料的动态拉伸强度介于22～24 MPa,短切碳纤维体积分数为24.8%的C/SiC复合材料的动态拉伸强度大于26 MPa,表现为含有短切碳纤维的C/SiC复合材料的动态拉伸强度随短切碳纤维体积分数的提高而升高的变化趋势。

2 破坏断口的微观结构分析

通过扫描电子显微镜[14],得到了短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料,劈拉断裂后断口外观的显微图,见图10～13。

图10～12可以看出,在相同冲击气压(0.40 MPa)下,随着短切碳纤维体积分数的提高,各试件断口处短切碳纤维被拔出的数量增多。当短切碳纤维体积分数为16.0%时,短切碳纤维在图片范围内的分布均匀性较差;当短切碳纤维体积分数增大到24.8%时,试件断口表面的短切碳纤维数量明显增多,均匀性变好。短切碳纤维体积分数为16.0%时出现较多纤维交叉的情况,这使得碳纤维与碳化硅基体之间的结合不够紧致,在空间上形成“架桥”结构,因此导致在此试件中短切碳纤维增韧效果不好,复合材料的整体力学性能较差。短切碳纤维即便没有出现损伤,但是碳纤维之间因致密不足而产生的孔隙和裂纹,使得试件整体性能不足,所以要确保C/SiC复合材料的致密度,必须严格控制短切碳纤维在复合材料中的含量。

图10 短切碳纤维体积分数为16.0%的C/SiC复合材料断口形貌Fig.10 Fracture surface of C/SiC composites with the short cut carbon fiber volume content of 16.0%

图11 短切碳纤维体积分数为21.0%的C/SiC复合材料断口形貌Fig.11 Fracture surface of C/SiC composites with the short cut carbon fiber volume content of 21.0%

图12 短切碳纤维体积分数为24.8%的C/SiC复合材料断口形貌Fig.12 Fracture surface of C/SiC composites with the short cut carbon fiber volume content of 24.8%

图13 不同冲击气压下,短切碳纤维体积分数为24.8%的C/SiC复合材料断口形貌Fig.13 Fracture surface of C/SiC composites with the short cut carbon fiber volume content of 24.8% at different impact pressures

由图13可看出,随着冲击气压的增大,纤维拔出量也增大:冲击气压为0.18 MPa时,纤维拔出与纤维断裂的面积比β约为1/2,其动态拉伸强度约为21.0 MPa;冲击气压为0.25 MPa时,纤维拔出与纤维断裂的面积比约为2/3,其动态拉伸强度约为24.0 MPa;冲击气压为0.40 MPa时,纤维拔出与纤维断裂的面积比约为4/5,其动态拉伸强度约为26.5 MPa;纤维拔出与动态拉伸强度有明显相关性,如图14所示。由此可以推断,纤维拔出是短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的主要吸能和增韧机制。

图14 面积比与拉伸强度的关系Fig.14 Area ratio and dynamic tensile strength

3 结 论

针对掺有不同体积分数的短切碳纤维的C/SiC陶瓷基复合材料,利用SHPB实验装置进行了动态劈裂拉伸实验,并利用扫描电子显微镜观察了C/SiC复合材料试件的断口破坏形态,得到如下结论:

(1)短切碳纤维体积分数一定时,含有短切碳纤维的C/SiC复合材料的动态拉伸应力随冲击气压的增大而提高,且达到峰值应力的时间也逐渐缩短,表现出一定的敏感性特征。当冲击气压一定时,短切碳纤维体积分数为24.8%的C/SiC试件的动态拉伸强度较高,其次是短切碳纤维体积分数为21.0%的试件,短切碳纤维体积分数为16.0%的试件动态拉伸强度则最低。

(2)随着短切碳纤维体积分数的不断提高,各试件断口处短切碳纤维被拔出的数量也在不断变多。当短切碳纤维体积分数为16.0%时,试件断口表面的均匀性明显很差;当短切碳纤维体积分数增加到24.8%时,短切碳纤维的在分布图片范围内比较均匀。

(3)通过扫描电子显微镜观察,得出当短切碳纤维体积分数为16.0%时,试件的动态劈裂强度较低。在试件劈裂破坏的断口处有明显的纤维拔出,被拔出的纤维数量和长度均与短切碳纤维体积分数有关,且纤维拔出与动态拉伸强度有明显的相关性。

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Dynamic splitting tensile test of short carbon fiber C/SiC ceramic matrix composites

Xu Ying1,2,Shao Binbin1,Xu Weiwei1,Yang Jianming1
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology,Huainan232001,Anhui,China; 2.Research Center of Mine Underground Engineering of Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology,Huainan232001,Anhui,China)

In order to investigate the dynamic fracture mechanics behavior and damage morphology of C/SiC ceramic matrix composites,dynamic splitting tensile tests on the C/SiC composites with three different volume fractions of short carbon fiber(16.0%,21.0%,24.8%)were carried out by the split Hopkinson pressure bar,the destructive interface part of C/SiC composites was scanned by using scanning electron microscopy and the failure characteristics and toughening mechanism of C/SiC composites were analyzed.The experimental results show that the dynamic tensile strengths of the C/SiC composite specimens with the same short carbon fiber volume fraction increase with the increasing of the impact pressure in the dynamic splitting tensile failure process,the failure of the specimens is significantly correlated with impact pressure and short carbon fiber volume fraction.When the short carbon fiber volume fraction is 16.0%,the tensile strength of the C/SiC composite specimens is the lowest.After the impact,the overall destruction of the C/SiC composite specimens is related to impact pressure and short carbon fiber volume fraction.

short cut carbon fiber;volume fraction;ceramic matrix composites;dynamic splitting tensile test;split Hopkinson pressure bar

O347.3国标学科代码:13015

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0315-08

(责任编辑 张凌云)

2015-09-30;

:2016-03-07

国家自然科学基金项目(51374012);高等学校博士学科点专项科研基金项目(20123415110001)

徐 颖(1965— ),男,博士,教授,博士生导师;

:邵彬彬,shao_aust@163.com。