力学性能和破坏机理研究轴向编织C / C复合材料

文摘

为了研究轴向的力学性能和破坏机理编织C / C复合材料的微观和宏观力学性能的复合材料。考虑尺寸效应的样本,样本的属性与不同厚度进行了测试。应变在加载测量的光学方法,形态学观察,SEM和失败。应力-应变曲线的变化特征进行了分析,材料和失效机理的故障特征在不同负载下。发现脆性断裂是在拉伸过程中观察到的轴向编织C / C复合材料,主要失效形式是纤维杆在轴向拉、部分纤维杆断裂。径向失败主要是纤维束断裂和裂纹分层的形式传播。压缩时,材料表现出假塑性特征。径向压缩样本切45度的斜角。轴向压缩曲线的形式是双褶皱,轴向纤维杆是不稳定的,横向纤维束被切断。在平面剪切过程中,轴断裂脆性和纤维杆被切断。 The radial direction showed the fracture and pulling of the fiber bundle, and the material had the characteristics of pseudoplasticity. The research methods and results in this paper could provide important references for the optimization and rational application of C/C composite materials.

1。介绍

C / C复合材料碳纤维增强碳基复合材料。强化阶段和矩阵相都是结构复合材料由纯碳组成的具有特殊属性(1- - - - - -4]。它有特定的强度高,热稳定性好,耐磨损,耐烧蚀,以及一系列的优良性能,尤其是力学性能随着温度的增加强度不下降而上升,因此,它已广泛应用于航空航天领域(5,6]。C / C复合材料的宏观性质的基本追求生产研究。获得准确的材料失效机理的前提下提高材料性能,和相应的材料特性的参数是结构设计的基础7,8]。

研究人员进行了大量的研究C / C复合材料的力学性能及其组件,主要研究力量(9,10),模量(11),损伤演化过程12),断裂性质(13)等。这些研究不仅提供方法理解C / C复合材料的固有特性,但也建立一个巨大的数据库。

C / C复合材料具有类似结构主要包括直接编织和穿刺C / C复合材料,伤口编织C / C复合材料,三维四向编织C / C复合材料,多维编织C / C复合材料,和针刺C / C复合材料。主要研究其微观性质的结果由学者引用所示1。从参考1,它可以发现C / C复合材料的微观特性研究了很多。然而,由于编织方法的多样性,生产工艺的复杂性,以及研究方向的色散(14),没有系统性研究C / C复合材料的力学性能和破坏机理已经发现即使在近30年的勘探(15- - - - - -18]。

摘要、介观和宏观力学性能和破坏机理的轴向编织C / C复合材料进行调查。为了研究样品的尺寸效应,性能测试进行了不同厚度的样品。应力-应变曲线的变化和失败断裂特征进行了分析通过光学应变测量和扫描电镜,故障特征,破坏机理,得到了相关数据在不同负载下的优化和合理应用提供参考资料。

2。研究介观C / C复合材料的力学性能

轴向的RVE编织C / C复合材料纤维杆组成的一个矩形结构,纤维束,矩阵,和接口。每个组件的编织结构和规模相图所示1。薄碳纤维拉挤成型形式形成的刚性杆轴向加强网络和软碳纤维束编织进pretexture。纤维棒排列在一个等边三角形轴向方向,和纤维束通过0°,先后增加60°、120°的形成层渠道形成的纤维棒,等等直到pretexture形成所需的大小。高密度4 d C / C复合材料是由沥青浸渍碳化,致密化,高温治疗。这个pretexture轴对称的最小单位,及其编织积累轴向厚度,所以它被称为轴向编织C / C复合材料。

根据先前的研究结果,发现纤维杆的力学性能和纤维杆/基体界面的主要影响因素是材料的宏观性质(18]。因此,介观组件而言,上述两个方面主要是测试和研究。

2.1。测试纤维杆的力学性能

的强化阶段轴向编织C / C复合材料主要由轴向和径向纤维束纤维杆。由于纤维束是松散的聚合在复合之前,很难剥复合纤维束。摘要 - - - - - -方向纤维杆是剥夺了。首先,长带样品只包含一组 - - - - - -方向纤维杆是通过机械加工,然后一个完整 - - - - - -方向纤维杆是通过手动处理。剩下的纤维束和矩阵表示长带样本被刀片。图2(一个)的照片吗 - - - - - -剥离后方向纤维杆。

2.1.1。拉伸加载的结果

图2 (b)显示了纤维的拉伸应变杆在不同的时刻。以来的挤压表面纤维杆显然是在复合过程中变形,造成的伤害是不可避免的在剥的过程中,纤维杆的应变集中存在于不同的地方。装运后150年代,样品的表面漆粉脱落,导致后续的压力损失。

基于应变通过ARMIS系统(三维光学应变测量系统),并结合名义应力-应变曲线特征,纤维杆的应力-应变曲线失败了,如图3(一个)。纤维的拉伸性能杆是脆弱的。当负载达到最大时,承载力迅速丢失,这表明纤维杆的纤维/基体界面结合强度高。一旦开始,它将很快通过整个纤维杆,导致纤维杆的断裂。

15纤维棒的材料特性是通过拉伸测试,如表所示1。这些数据表明,热处理后纤维杆有一个很大的衰减强度和模量增加。T300纤维长丝和矩阵的理论强度复合应该高于1800 MPa,和理论模量是130.4的绩点,而测量纤维杆的平均抗拉强度为760.4 MPa,拉伸模量是211 GPa。损坏率和强度模量增长率分别为57.8%和61.8%,分别。这种变化主要是由以下三个原因造成的。(1)碳纤维的石墨化程度增加,由于石墨化温度接近或高于当时的制造业。纤维杆的强度会降低,模量将会增加(2)在高温下,一些挥发组分物质溢出和气体的封闭毛孔扩大,导致产品孔隙度的增加和纤维杆的强度和模量的降低(3)由于不匹配的热膨胀系数矩阵碳和纤维,以及挥发性的气体的影响,纤维长丝和矩阵碳剥离或界面强度下降,导致纤维杆强度的降低

纤维的拉伸断裂形态如图3 (b)。从微尺度纤维杆的裂缝面不均匀,部分纤维长丝的退出了矩阵和破碎,这是有关偏转裂纹的样品。在一般情况下,纤维的界面粘结强度和杆的矩阵是强大的。

2.1.2。结果压缩加载

图4(一)显示了纤维杆压缩的实验照片,图4 (b)显示了压缩后的失效模式。纤维杆的断裂显示了一个45度倾斜,表明纤维杆的压缩破坏是剪切破坏。表2显示了纤维杆的压缩性能。数据显示,不同纤维杆的抗拉强度和压缩强度减少在热处理过程中,几乎是等价的。然而,仍然有很大差异的拉伸模量和压缩模量纤维杆,前者是后者的2.12倍。

2.1.3。剪切加载的结果

纵向剪切和横向剪切性能的纤维杆是由实验装置如图5。前者的核心是一个负载应用到一半的纤维杆导致沿着对称平面剪切变形,而后者的核心是双边剪。

表3显示了纤维杆的剪切性能。由于设备的限制,剪切应变是难以衡量,所以采用名义应变作为真正的压力。结合表1和2,可以发现,拉伸、压缩、剪切性能热处理后纤维棒仍显示横向各向同性的特点,同时显示的属性不同的张力和压缩模量。

2.2。试验研究剪切纤维杆/矩阵接口的属性

目前,主要有两种方法用于描述复合纤维杆/基体界面的剪切强度:纤维杆喷射法和拉拔力法。由于C / C材料脆性,夹紧时容易滑倒,拉拔力的方法不适合表征纤维杆/矩阵C / C复合材料的界面性能。因此,本文采用纤维杆弹射法描述界面剪切强度的轴向编织C / C复合材料。

从现有的接口的角度描述技术,复合材料的界面特性与不同的编织参数和烧结过程略有不同,主要区别在于接口测试样品的测定。在这篇文章中,样品的厚度几次纤维杆的直径(1.1毫米)。(1.65毫米)的1.5倍,2倍(2.2毫米),(2.75毫米)的2.5倍,3倍(3.3毫米),3.5倍(3.85毫米),4倍(4.4毫米),和(4.95毫米)的4.5倍。

纤维杆弹射试验进行了轴向编织C / C材料,和每个样本弹射纤维杆是30。样品厚度之间的关系通过数据分析和测量界面剪切强度如图6。随着样品厚度的增加,界面剪切强度可分为三个阶段。分析表明,当样本相对薄(小于3.85毫米),接口处理相对较大,造成的损害和测量界面强度小于真实的力量。当样品厚(大于4.4毫米),很难保证纤维杆的垂直轴和表面的样本,所以测量的力量不仅包括界面剪切强度,也包括横向压缩强度的纤维杆。因此,4.4毫米的厚度纤维杆(4倍)适合的界面剪切强度测试轴编织C / C复合材料。纤维杆的剪切强度测量/矩阵接口通常是分布式的,均值和方差是9.7 MPa和2.1,分别。

2.3。试验研究力学性能矩阵

有许多研究矩阵的性能,所以它不是本文的重点。轴向编织C / C复合矩阵被nanoindentation实验测试。结果表明,0.95的置信区间下,矩阵的弹性模量是12.04绩点和12.68 GPa之间,和12的平均模量测量是12.34绩点。

3所示。研究C / C复合材料的宏观力学性能

在工程实践中,拉伸、压缩和剪切性能的材料主要是担心。本文上述三个方面的轴向编织C / C复合材料进行了测试和研究,获得了材料的力学性能和失效形式和失效机理进行了分析。

3.1。单轴拉伸试验的轴向编织C / C复合材料

根据材料的编织方法和产品的尺寸,厚度设计的三个标本:4.8毫米,6.4毫米和8.0毫米。在 - - - - - -方向的样本,它是严格保证纤维杆贯穿整个样本之间的夹角以及纤维杆和中心轴不超过6°。

3.1.1。径向拉伸

图7显示了径向拉伸试验的结果。我们可以看到从云图(图拉伸应变7(一)),裂纹开始在基体表面的弱点,这是一般的结纤维束和矩阵。随着应变的增加,沿纤维束表面裂纹扩展,最终导致失败。进一步的显微照片(图7 (b))表明,界面导致裂纹偏转、厚度和裂缝扩展步骤。扫描电镜照片(图7 (d))的径向断裂显示纤维束完全了,伴随着纤维杆和矩阵的分解,表明纤维束强烈界面与周围的矩阵。径向拉伸应力-应变曲线如图7 (c)。不同厚度的标本显示基本上相同的力学性能。径向拉伸显示了脆性断裂的特征。值得注意的是,当应变达到0.11%左右,材料的模量显示了很大的衰减,它可能是由于矩阵骨折。

3.1.2。轴向拉伸

图8显示了轴向拉伸试验的结果。我们可以看到从云图(图拉伸应变8(一个)),沿层间界面裂纹扩展的纤维束,造成相邻纤维束的分离。然后,轴向纤维杆和矩阵之间的界面被摧毁了,因此纤维杆拉出的矩阵,伴随着一些纤维棒的断裂。在显微照片(图8 (b))的轴向断裂位置,纤维杆的失败显示为退出。扫描电镜照片(图8 (d))纤维杆的轴向骨折显示退出在轴向拉伸,表明纤维杆和矩阵是弱界面。轴向拉伸应力-应变曲线如图8 (c),这表明纤维杆先后。载荷达到最大值时,样品完全打破,负载迅速下降,但样品仍然有一定的承载能力,应由界面的整体强度的贡献。

拉伸试验结果的统计数据如表所示4。从表可以看出4这一(径向)材料的抗拉强度略高于(轴向)抗拉强度,而模量略低于模量。主要原因是纤维杆与矩阵,弱界面在纤维束强烈界面与矩阵,导致径向抗张强度略高的材料。

3.2。单轴压缩试验的轴向编织C / C复合材料

径向和轴向压缩长方体标本,标本的长度是两倍的部分的长度。部分的最小边长10毫米,12毫米,分别和14毫米。

3.2.1之上。径向压缩

图9显示了轴的径向压缩测试结果编织C / C复合材料。期间的应变云图样本范围压缩实验如图8(一个)。压缩下,应变分布非常不均匀,和应变集中出现在纤维杆的地方安排,这反映了材料的非均质性和各向异性。图9 (b)显示故障形态的径向压缩。径向压缩了沿着45°斜面,和纤维束的沿层间裂纹扩展。抗压应力-应变曲线如图9 (c)。样品的应力-应变变化趋势三个尺寸是相同的,显示失败假塑性的特点。

3.2.2。轴向压缩

图10显示了轴向的压缩试验结果编织C / C复合材料。样本范围的应变云图在实验如图9(一个)。应变集中发生在纤维束通过样例。轴向压缩破坏沿着30°斜面(图10 (b)),矩阵是碎,沿着失败的纤维束切平面,和纤维杆和矩阵边界点,表明轴向抗压强度是由纤维杆、控制的纤维束,矩阵。轴向压缩的应力-应变曲线如图10 (c),样品的应力-应变变化趋势三个尺寸是相同的,显示失败假塑性的特点。此外,轴向压缩曲线显示doublefold线的特点。这可能是由于纤维杆之间的弱界面和矩阵。

压缩试验结果的统计数据如表所示5。从表中可以发现,轴向抗压强度的编织C / C复合材料比抗拉强度高、模量是低得多。断面尺寸越大,强度越高。轴向抗压强度高于径向抗压强度和模量都是接近。主要原因是硬纤维杆和矩阵结合在轴向方向上,而柔软的纤维束径向方向相结合。轴向加载时,纤维杆和矩阵的矩阵分担负载。径向加载时,纤维束无法分享矩阵的负载。因此,材料的轴向承载力大于径向方向。

3.3。面内剪切试验的轴向编织C / C复合材料

径向( )和轴向( )剪切标本蝴蝶形状,厚度为3.2,4.0,和4.8毫米。

图(11日)显示了径向剪切破坏模式。它可以发现,纤维束与少量的减少同时撤出。应力-应变曲线(图11 (b))类似于塑料的特性,这是由纤维束之间的强界面结合和矩阵。图11 (c)显示了轴向剪切的故障形式。纤维杆切,示例显示了脆性破坏。相应的应力-应变曲线(图11 (d))表明,材料的承载力达到极限荷载之后迅速减少。

剪切试验结果的统计数据如表所示6。剪切强度随样品厚度的增加,而剪切模量和样品厚度之间的关系并不明显。这应该是因为当样品薄,边缘处理造成的损害更大。

4所示。结论

本文宏观和介观力学性能的轴向编织C / C复合材料及其组件进行了测试。组件和整个的力学性能,及相关材料的力学性能和破坏机理。主要结论如下:(1)在拉伸载荷的作用下,纤维杆呈现脆性断裂的失败,失败部分表明纤维杆具有较强的界面结合长丝/矩阵。在压缩载荷下,纤维杆剪切破坏。纵向抗拉强度和抗压强度的纤维杆760.4 MPa和897.0 MPa,分别。相应的模量和泊松比是211.1的绩点/ 0.09,99.4的绩点/ 0.15,分别和纵向抗剪强度的平均值和横向剪切强度是35.2 MPa和49.8 MPa,分别(2)试样厚度的界面剪切强度的纤维杆/矩阵,它是适当的4倍直径的纤维杆(4.4毫米)和平均界面剪切强度为9.7 MPa(3)当轴向编织C / C复合材料拉伸,它显示了脆性断裂的特征。今在轴向方向上主要失效形式是纤维的纤维杆拉和部分杆断裂。径向失败是主要形式的纤维束断裂和裂纹分层传播。adial拉伸强度、模量和泊松比的轴向编织C / C复合材料是90.4 MPa,平均绩点38.3,0.28,和相应的轴向拉伸强度、模量和泊松比是85.2 MPa,平均绩点40.5,和0.09,分别

压缩时,轴向编织C / C复合材料展览塑料的特点。径向压缩样本切沿45度斜角,裂纹是沿纤维束的层间界面剥落。轴向压缩曲线的形式是双褶皱,轴向纤维杆是不稳定的,和横向纤维束。压缩破坏的形式表明,矩阵的性能和层间的界面性能和纤维束径向压缩的主要控制因素。轴向压缩性能的主要控制因素的抗压强度和矩阵强度纤维杆。径向抗压强度、压缩模量和泊松比为90.6 MPa,平均绩点20.9和0.28,分别。相应的轴向压缩参数132.5 MPa,平均绩点22.1,0.09。

在径向平面剪切的情况下,显示了纤维束断裂和拉,和该材料具有假塑性的特点。轴向方向显示了脆性断裂和纤维杆切。抗剪强度和模量在径向平面39.2 MPa和12.6的绩点,分别。在轴面抗剪强度和模量是18.5 MPa和3.4的绩点,分别。

随着样品厚度的增加,这种材料在各个方向的强度增加,但模量变化不规律。强度的增加是由于减少处理样品时,样品损伤很大。应变模量计算中使用的整个领域平均表面应变的示例,它只影响纤维含量的样本和测试误差。(4)上述宏观力学实验表明,强化纤维杆/矩阵接口和纤维束/矩阵接口可以提高材料的抗拉强度和径向压缩强度。增加纤维杆的横向剪切强度可以增加材料的轴向剪切强度。材料的径向剪切强度可以增加通过增加纤维束/矩阵界面强度

数据可用性

大部分的数据在这个手稿是商业机密,我不能完全提供。在未来,如果有必要,我可以分享一些数据与评论家或读者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这篇文章是由西安交通大学,中国。

引用

1. m . c . Wang, w·刘,t·朱”研究轴向编织碳/碳复合材料的微观结构特征基于SEM和ct机,”材料,13卷,不。6,1414年,页2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 曹p c . Wang, m . Tang w .田,k . Liu和b . Liu”研究属性预测和编织优化轴编织碳/碳复合材料、”材料,13卷,不。11,2588年,页2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 徐张c和x”,三维编织复合材料的有限元分析三种预成型件模型的基础上,“复合结构,卷98,不。3、130 - 142年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. p·特纳,t·刘,x曾庆红,“崩溃下的三维正交编织碳纤维复合材料面内张力/压缩和平面外弯曲,”复合结构卷,142年,第297 - 286页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. n .卡斯塔涅达威斯勒,j . Cuadra s Amini和a . Kontsos”调查Z-binder作用逐渐损害的三维编织复合材料,”复合材料:应用科学和制造业卷,98年,第89 - 76页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. r . Gerlach c . r . Siviour j . Wiegand和n . Petrinic“平面和全厚度特性、失效模式、损坏和分层三维编织碳纤维复合材料受到冲击荷载,”复合材料科学与技术,卷72,不。3、397 - 411年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j .锅复合材料的微观结构模型和相关的材料特性燕山大学,2018。
8. b高,t . Min、y杨和h·施“力学实验4 d在普通C / C复合材料,”注入Cailiao学报(Materiae菊科学报),28卷,不。6,245 - 250年,2011页。视图:谷歌学术搜索
9. z军军,调查三维编织复合材料力学性能的基于多尺度理论,哈尔滨科学技术大学,2018。
10. r·k·吉迪恩,b .太阳和顾,“四步1×1的机械行为编织碳/环氧三维复合管道轴向压缩载荷作用下,“聚合物复合材料,37卷,不。11日,第3218 - 3210页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. z . Liu d, f·张,y黄”数值预测3 d 4-directional编织复合材料的弹性性能考虑粘合层,”Materiae菊科学报,28卷,不。6,223 - 229年,2011页。视图:谷歌学术搜索
12. f . Zhang y Wan, b .顾,b .太阳,“影响四个步骤的三维编织复合材料的压缩行为和失效模式meso-structure模型,”损伤力学的国际期刊,24卷,不。6,805 - 827年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. c·h·徐d . s .徐l . y .歌曲和k .徐“微观结构特征x射线micro-tomography和拉伸破坏机理的4 d平面碳/碳复合材料,”固体火箭技术杂志》上,36卷,不。6,811 - 815年,2013页。视图:谷歌学术搜索
14. 朱z h .羌族,“4 d平面的微机械性能预测研究C / C复合材料均匀化理论的基础之上,“固体火箭技术杂志》上,42卷,不。1,第964 - 92页,2019。视图:谷歌学术搜索
15. b高,t . Min,杨y . et al .,“微观结构和力学性能之间的关系4 d平面纤维/基体界面的C / C复合材料,”固体火箭技术杂志》上,34卷,不。6,777 - 781年,2011页。视图:谷歌学术搜索
16. y周和w·李”,碳纤维的性能评价和复合。”高科技纤维与应用,39卷,不。6页第12 - 2014。视图:谷歌学术搜索
17. z和s .王团长问:et al .,“实验研究单向碳纤维复合材料界面力学性能,”航空航天工程机械科学与技术,38卷,不。8,1296 - 1300年,2019页。视图:谷歌学术搜索
18. w·Chunguang x贵阳,g . Jianliang称“屈曲失稳的挠性接头在固体火箭发动机在高的压力下,“国际航空航天工程杂志》上卷。2020年,10页,2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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