喬永樂，沈 薇，李 磊

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

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三維繞編穿刺碳/碳復(fù)合材料幾何構(gòu)型對拉伸試驗(yàn)性能的影響研究

喬永樂，沈 薇，李 磊

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

為了給三維繞編穿刺碳/碳復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能測試確定合適的幾何構(gòu)型，選取了8種軸向構(gòu)型和2種徑向構(gòu)型，部分構(gòu)型粘貼有加強(qiáng)片。對這10種構(gòu)型進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并對試驗(yàn)測得的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的大小、分散性以及破壞模式等做了對比分析，最終選取了啞鈴形130mm×7.80mm×7.80mm(夾持部位32.0mm×19.2mm)作為軸向最優(yōu)構(gòu)型，啞鈴形150mm×10.0mm×10.0mm(夾持部位35.0mm×18.6mm)作為徑向最優(yōu)構(gòu)型。

三維繞編穿刺碳/碳復(fù)合材料；幾何構(gòu)型；啞鈴形；直條形；破壞模式

1 引 言

碳/碳復(fù)合材料由于具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高等一系列優(yōu)異的性能，因而廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。作為高溫結(jié)構(gòu)材料，碳/碳復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能直接影響最終產(chǎn)品的使用可靠性。由于碳/碳復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜，影響工藝及性能的因素較多，導(dǎo)致對其力學(xué)性能的測試及損傷機(jī)理的研究比較困難，尤其是拉伸性能的測試結(jié)果與碳/碳復(fù)合材料預(yù)制件本身的結(jié)構(gòu)及樣件的取向密切相關(guān)，測試樣件的尺寸選擇、樣件中所含碳纖維數(shù)量的多少及測試設(shè)備和測試參數(shù)等因素對拉伸性能都有明顯的影響。

目前，國內(nèi)外力學(xué)性能測試方法中，沒有針對碳/碳復(fù)合材料拉伸性能的測試標(biāo)準(zhǔn)，各研究單位都是借鑒其它材料拉伸的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試的，不能全面真實(shí)地反映碳/碳復(fù)合材料本身的拉伸性能，且各家所借鑒的標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，測試結(jié)果差異較大，不能很好地進(jìn)行碳/碳復(fù)合材料的性能比對，使材料的使用受到了很大的局限。因此，迫切需要根據(jù)碳/碳復(fù)合材料的特點(diǎn)建立統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的拉伸測試方法，以填補(bǔ)我國在碳/碳復(fù)合材料拉伸性能測試方面的空白，為建立標(biāo)準(zhǔn)化的碳/碳復(fù)合材料體系奠定基礎(chǔ)，并為材料的安全設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證提供可靠的保障，對完善和健全我國碳/碳復(fù)合材料的技術(shù)水平有重要的意義。

目前，常用的碳/碳復(fù)合材料試樣結(jié)構(gòu)有三維穿刺結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)三維針刺結(jié)構(gòu)。三維穿刺結(jié)構(gòu)為XY平面采用連續(xù)長纖維或無緯布鋪層，Z向采用連續(xù)長纖維束雙向貫穿的編織物結(jié)構(gòu)；準(zhǔn)三維針刺結(jié)構(gòu)為XY平面采用連續(xù)長纖維鋪層，Z向采用針刺工藝引入短纖維的編織物結(jié)構(gòu)。本文著重研究XY平面采用連續(xù)長纖維的三維穿刺結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式稱為三維繞編穿刺結(jié)構(gòu)，試樣構(gòu)型有10種，包括不同的取樣方向、外形尺寸、有無加強(qiáng)片等。

2 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件設(shè)計(jì)考慮到加工能力、加工精度以及試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)等因素，共設(shè)計(jì)了10種試樣構(gòu)型(如表1所示)，均為扁平狀。取樣方向有Z向和XY向，規(guī)定連續(xù)長纖維平鋪平面為XY向，垂直于鋪層方向?yàn)閆向。試樣外形分為直條形和啞鈴形，其中各有不同的試件幾何尺寸、夾持部位尺寸等，每組數(shù)量均為6件。試樣分有加強(qiáng)片構(gòu)型和無加強(qiáng)片構(gòu)型。試樣加強(qiáng)片材料為鋁(厚度為1mm)，膠粘劑為環(huán)氧樹脂，常溫固化。軸向拉伸試樣的工作段保證3×3束纖維整數(shù)。

3 試驗(yàn)過程

3.1 應(yīng)變測量

由于試樣的特殊結(jié)構(gòu)，使用的應(yīng)變計(jì)片基尺寸不足以覆蓋足夠的胞塊，同時(shí)由于試樣工作段的尺寸有限，即便是用大片基的應(yīng)變計(jì)，試樣的邊界效應(yīng)也會對應(yīng)變測量帶來影響，因此，應(yīng)變計(jì)不適合對碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)變測量，而引伸計(jì)由于是在一個(gè)較大的跨距內(nèi)測量試樣的變形，因此能夠得到較好的結(jié)果。本項(xiàng)試驗(yàn)中，引伸計(jì)標(biāo)距采用25mm。

3.2 拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，將試樣對中夾持于試驗(yàn)機(jī)的夾頭中。為了避免因夾持力過大造成試樣夾持部位損傷，并保證試驗(yàn)件拉伸過程中不打滑，試驗(yàn)過程中，夾持力的調(diào)整至關(guān)重要。試驗(yàn)中，對每種構(gòu)型試樣的夾持力都進(jìn)行了詳細(xì)的記錄，結(jié)果見表2。試驗(yàn)機(jī)橫梁位移速率為1mm/min，對試樣連續(xù)加載，直至試樣破壞。連續(xù)測量載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)，試樣破壞后記錄了試樣的最大載荷和破壞載荷，對試樣破壞模式和破壞位置進(jìn)行了觀察并拍照。

表2 試樣夾持力記錄

4 結(jié)果與討論

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

三維繞編穿刺結(jié)構(gòu)Z向拉伸和XY向拉伸測試結(jié)果見表3，其中Z向拉伸試樣構(gòu)型有啞鈴形7種、直條形1種；XY向拉伸試樣構(gòu)型有啞鈴形2種。

圖1-圖8為Z向拉伸8種構(gòu)型的破壞模式，圖9-圖10為XY向拉伸2種構(gòu)型的破壞模式。

表3 三維繞編穿刺試樣拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 構(gòu)型1#破壞模式

圖2 構(gòu)型2#破壞模式

圖3 構(gòu)型3#破壞模式

圖4 構(gòu)型4#破壞模式

圖5 構(gòu)型5#破壞模式

圖6 構(gòu)型6#破壞模式

圖7 構(gòu)型7#破壞模式

圖8 構(gòu)型8#破壞模式

圖9 構(gòu)型9#破壞模式

圖10 構(gòu)型10#破壞模式

4.2 結(jié)果討論

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，三維繞編軸向拉伸直條形試樣破壞位置均在過渡段或夾持根部破壞，同時(shí)直條試樣出現(xiàn)端部夾碎的現(xiàn)象。通過觀察破壞模式，發(fā)現(xiàn)試樣夾持部位有很多空洞，這可能是由于試樣在拉伸過程中，軸向纖維與基體結(jié)合力不夠，導(dǎo)致軸向纖維在基體中滑移，造成試樣夾持部位空洞，因此失去纖維支撐的端部在夾持力的作用下疏碎，同時(shí)夾持力在試樣夾持根部應(yīng)力集中增加，因此試樣在過渡段或夾持根部破壞，試樣破壞為軸向纖維束斷裂。

三維繞編軸向拉伸啞鈴形150mm×8.00mm×8.00mm(夾持部位34mm×16mm)和150mm×10.0mm×10.0mm(夾持部位35.0mm×18.6mm)兩種構(gòu)型試樣拉伸強(qiáng)度較大而且相當(dāng)，但150mm×10.0mm×10.0mm(夾持部位35.0mm×18.6mm)試樣破壞位置均為過渡段(見圖8)，150mm×8.00mm×8.00mm(夾持部位34.0mm×16.0mm)試樣破壞位置為工作段或過渡段(見圖5)。尺寸為150mm×8.00mm×8.00mm(夾持部位35.0mm×21.4mm)試樣相比尺寸為150mm×8.00mm×8.00mm(夾持部位34.0mm×16.0mm)試樣，增大夾持部位的面積，試樣的破壞位置有所改善，但強(qiáng)度下降較大，130mm×7.80mm×7.80mm(夾持部位32.0mm×19.2mm)構(gòu)型試樣雖然拉伸強(qiáng)度和拉伸模量不是最高，但其離散系數(shù)最小，試樣破壞位置為工作段或過渡段(如圖4所示)。

三維繞編徑向拉伸試樣破壞為厚度方向繞編纖維層斷裂，見圖9、圖10。尺寸為100mm×9.60mm×9.60mm(夾持部位20.0mm×19.2mm)的徑向拉伸試樣由于夾持面不足，夾持力小試樣打滑，增加夾持力又使得試樣夾持部位夾碎，試樣被破壞(見圖10)，所得強(qiáng)度值偏低。因此，三維繞編徑向拉伸試樣應(yīng)具有足夠的夾持面積，以使得試樣不被夾碎。尺寸為150mm×10.0mm×10.0mm(夾持部位35.0mm×18.6mm)構(gòu)型試樣的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的離散系數(shù)較小，試樣破壞位置為工作段(見圖10)。

5 結(jié)束語

通過以上分析可以看出，啞鈴形構(gòu)型適于三維繞編徑向和軸向的試樣，徑向試樣的夾持面應(yīng)盡可能地大，通過對比軸向和徑向各構(gòu)型的力學(xué)性能數(shù)據(jù)的大小、結(jié)果的分散性以及破壞模式，對于軸向構(gòu)型來說，啞鈴形130mm×7.80mm×7.80mm(夾持部位32.0mm×19.2mm)構(gòu)型最佳。對于徑向構(gòu)型來說，啞鈴形150mm×10.0mm×10.0mm(夾持部位35.0mm×18.6mm)構(gòu)型最佳。

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Study on the Effect of Geometry Configuration of 3D Winding-Woven-Punctured C/C Composites on Tensile Test

Qiao Yongle, Shen Wei, Li Lei

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

In order to provide appropriate geometry configuration for tensile property test of 3D winding-woven-punctured carbon/carbon composites, eight kinds of axial configurations and two kinds of radial configurations are selected in this paper. Some kinds of the configurations are bonded with reinforcing plates, and tensile tests are carried out for the ten kinds of configurations. The value of tensile strength and tensile modulus, scattered and failure mode are compared and analyzed. Finally, the dumbbell shaped specimen which size is 7.80mm×7.80mm×130mm (the size of clamping part is 19.2mm×32.0mm) is selected as the axial optimal configuration, and the dumbbell shaped specimen which size is 150mm×10.0mm×10.0mm (the size of clamping part is 18.6mm×35.0mm) is used as the radial optimal configuration.

3D winding-woven-punctured C/C composites; geometry configuration; dumbbell shaped; straight shaped; failure mode

2016-08-17

喬永樂(1986-)，男，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向：復(fù)合材料力學(xué)性能表征。

TB332

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.005