皮慧龍, 張寶鵬, 于新民, 劉偉, 金鑫

二維C/SiC-ZrC復合材料的低速沖擊損傷研究

皮慧龍1, 張寶鵬2, 于新民2, 劉偉2, 金鑫2

(1. 西北工業(yè)大學 超高溫結構復合材料重點實驗室, 西安 710072; 2. 航天特種材料及工藝技術研究所, 北京 100074)

通過二維C/SiC-ZrC復合材料的低速沖擊、沖擊后拉伸試驗以及CT掃描方法, 研究了不同沖擊能量對材料沖擊損傷特征及拉伸性能的影響。結果表明C/SiC-ZrC復合材料具有較高的沖擊損傷容限, 在15~24 J能量范圍內的損傷狀態(tài)主要表現(xiàn)為穿透損傷。隨著沖擊能量的增大, 材料名義拉伸強度的下降趨于平緩, 最大降幅約為25%。沖擊主要造成沖擊區(qū)域附近的復合材料發(fā)生分層和纖維斷裂損傷, 沖擊區(qū)域以外未發(fā)生明顯的損傷和破壞。

C/SiC-ZrC; 復合材料; 沖擊; 剩余拉伸強度

C/SiC-ZrC超高溫陶瓷基復合材料具有低密度、高強度、高溫抗氧化和耐燒蝕等優(yōu)異性能, 可以滿足防熱和結構一體化設計的應用需求, 是航空航天飛行器用高溫熱結構部件的重要候選材料之一[1-3]。在使用和維修過程中, 復合材料結構件難免會遭受外來物體的沖擊, 如跑道碎石沖擊、人為踩踏、滑行碰撞等, 這些沖擊能量一般在15 J以上[4], 會造成復合材料一定程度的損傷, 導致材料力學性能退化, 降低材料的使用壽命和穩(wěn)定性。因此, 研究復合材料的沖擊損傷特性及其對力學性能的影響, 對復合材料的使用安全具有重要意義。

陶瓷基復合材料的孔隙率一般較大(>10%), 而且材料內部的SiC和ZrC等陶瓷基體具有一定的脆性。在沖擊作用下復合材料基體發(fā)生開裂后, 對碳纖維難以形成有效保護, 針對復合材料的低速沖擊損傷特性, 國內外學者開展了相關的數值模擬和試驗研究[5-15]。在數值模擬方面, Batra等[5]將有限元模型應用到準靜態(tài)和動態(tài)低速沖擊研究中, 提出了材料損傷的初始判據和損傷演化。Donadon等[6]建立了加載條件下的塑形和損傷耦合模型, 模擬出低速沖擊后形成的永久凹坑。Tiberkak等[7]采用有限元方法預測了落錘低速沖擊下材料的損傷, 提出隨著90°鋪層的增加, 接觸力載荷隨之增大, 材料耐沖擊性能提升。Kachanov等[8]結合連續(xù)損傷力學和應力應變損傷準則, 研究了復合材料結構破壞的形式。在試驗研究方面, Trabandt等[9-10]在0.7~12 J沖擊能量范圍內開展了C/SiC復合材料的低速沖擊試驗。研究發(fā)現(xiàn), 沖擊能量為0.7 J時, 材料沒有明顯損傷, 不需要更換受沖擊部件; 當沖擊能量高于1 J時, 復合材料內部發(fā)生了明顯的分層現(xiàn)象。姚磊江等[11-12]研究了C/SiC復合材料的沖擊損傷特征, 提出沖擊能量的大小是造成C/SiC復合材料損傷模式不同的重要因素, 沖擊能量低于1.5 J時幾乎觀察不到損傷, 高于9 J時材料有可能被擊穿。李玉龍 等[13-15]研究了沖擊載荷對C/SiC、C/C復合材料力學性能的影響, 結果表明C/SiC和C/C復合材料在沖擊載荷作用下均對應變率較為敏感。

目前, 對超高溫陶瓷基復合材料的低速沖擊損傷的研究較少, 隨著復合材料的快速發(fā)展, 需要對損傷規(guī)律、無損檢測和損傷后材料的力學性能等方面進行深入的研究, 為復合材料結構件的使用安全評價和維修等提供數據支撐。本工作采用聚合物浸漬–裂解法(Polymer Infiltration and Pyrolysis, PIP)制備了C/SiC-ZrC復合材料, 研究了復合材料在不同沖擊能量下的損傷特征, 及其對材料拉伸性能的影響, 結合微觀結構分析評估了材料的抗沖擊損傷性能, 以期為復合材料的安全使用提供依據。

1 實驗方法

1.1 材料制備

2D C/SiC-ZrC復合材料的制備: 采用T300平紋碳纖維布疊層縫合預制體(江蘇天鳥公司貨架產品, 密度約0.7 g/cm3); 采用化學氣相沉積工藝制備纖維表面熱解碳(PyC)界面層(1000 ℃, 丙烷氣氛), 其厚度約為100 nm; 以Zr改性聚碳硅烷為前驅體通過高壓浸漬–高溫裂解工藝制備SiC-ZrC基體, 其中Zr改性聚碳硅烷在碳纖維預制體內部孔隙中浸漬填充并高溫裂解陶瓷化為SiC-ZrC基體, 高溫裂解溫度約為1400 ℃。所制備的2D C/SiC-ZrC復合材料的密度約為2.1 g/cm3, 陶瓷基體約占50vol%,氣孔率約為10vol%。考慮到試樣需要經歷沖擊和拉伸試驗, 為了方便加載并保證夾持試樣穩(wěn)定, 將試樣形狀設計成楔形。試樣在平面的加工尺寸如圖1所示, 厚度為6 mm; 采用有限元靜力分析法確定試樣尺寸, 保證試樣在拉伸載荷下應力分布均勻, 試驗段應力高且首先破壞, 試樣的典型應力分布云圖如圖2所示; 有限元分析軟件為Abaqus/ Standard, 網格類型為SC8R, 網格大小為1 mm。

1.2 低速沖擊試驗

參照ASTMD7136/D7136M標準, 采用落錘法對C/SiC-ZrC復合材料進行低速沖擊試驗。錘頭直徑為16 mm, 沖擊高度最大為1.5 m。落錘提升至指定高度后, 采用電磁鐵固定并控制其釋放, 使落錘沿導軌自由落體擊打試樣, 保證擊打位置準確, 同時采用人工控制防止二次擊打。具體試驗過程包括如下步驟:

1) 檢查試樣并拍照, 測量試樣中心區(qū)域不同位置處的寬度和厚度, 共測量3次, 取平均值作為中心區(qū)尺寸;

2) 將試樣裝入夾具, 然后將試樣和夾具放到沖擊裝置底部, 保證錘頭位于試樣中央位置;

3) 調整落錘高度, 1#至5#試樣對應的沖擊能量、落錘質量及高度如表1所示;

圖1 試樣形狀和尺寸示意圖

圖2 試樣應力分布云圖

表1 低速沖擊試驗條件

4)釋放落錘, 完成沖擊;

5)取下試樣并拍照, 使用游標卡尺測量沖擊損傷處的特征尺寸。

1.3 測試沖擊后的拉伸強度

采用INSTRON 1000HDX萬能材料試驗機對低速沖擊后的C/SiC-ZrC復合材料進行拉伸強度測試, 試驗過程包括如下步驟:

1)擦洗試樣和加強片表面, 在試樣和加強片表面均勻涂抹AB膠, 粘合試樣和加強片, 并用夾子夾緊;

2)待膠水完全固化后將試樣裝入夾具, 然后將試樣和夾具安裝到試驗機上, 以3 mm/min的速率進行加載。

1.4 沖擊損傷檢測

采用外觀檢查和CT對沖擊后的C/SiC-ZrC復合材料進行損傷評估。外觀檢查方面: 使用游標卡尺測量試樣正面和背面的損傷尺寸, 計算試樣的可視損傷面積, 并對沖擊區(qū)域進行微觀形貌分析。然后, 對含沖擊損傷的C/SiC-ZrC復合材料的拉 伸斷口進行CT掃描, 獲得材料斷口及內部的損傷情況。

圖3 C/SiC-ZrC復合材料的截面微觀形貌

2 結果及討論

2.1 制備態(tài)微觀形貌

圖3為制備態(tài)C/SiC-ZrC復合材料的截面微觀形貌, 圖中灰色部分主要由SiC和ZrC組成, 作為復合材料的陶瓷基體分布在纖維束間和纖維束內部; 黑色區(qū)域則主要由碳纖維和熱解碳界面層組成。從圖中還可以觀察到復合材料中陶瓷基體處的孔隙較大(如圖中箭頭所指), 而纖維束內部的孔隙較小。

2.2 沖擊損傷

圖4為C/SiC-ZrC復合材料經過不同能量沖擊后的正面和背面宏觀形貌。從圖4中可以觀察到, 當沖擊能量為15 J時, 在沖擊正面出現(xiàn)了輕微的凹陷, 在背面的對應區(qū)域產生了裂紋; 當沖擊能量達到18 J及以上時, 復合材料的沖擊面被明顯壓潰, 出現(xiàn)圓形的沖擊凹坑, 在背面發(fā)生了分塊、鼓包和纖維斷裂現(xiàn)象, 但沖擊損傷被限制在局部區(qū)域內, 沒有發(fā)生整體性斷裂。

圖5為不同能量沖擊試驗后復合材料前表面凹坑處的微觀形貌, 從圖中可以看出, 在15~24 J沖擊能量范圍內, 凹坑中心區(qū)域均發(fā)生了纖維斷裂和分層現(xiàn)象, 分層損傷主要表現(xiàn)為纖維層的翹起、塌陷和滑移等(如圖5中箭頭所指)。根據文獻報道[12,16], 落錘接觸試樣表面時會產生應力波, 并以兩種方式傳播: 一種是沿纖維方向傳播, 通過基體及纖維之間的相互作用傳遞應力, 使纖維發(fā)生變形; 另一種是層內基體受到應力作用發(fā)生開裂和變形。隨著沖擊應力沿復合材料厚度方向的傳遞, 纖維和基體之間的界面層受到外力作用產生的裂紋, 并沿著界面層的方向擴展, 造成界面層從纖維表面剝離, 進而導致分層。根據沖擊后復合材料斷裂的宏觀和微觀形貌(如圖4和圖5所示), 在沖擊過程中, 沖擊正面區(qū)域內材料承受剪切應力, 而在沖擊背面區(qū)域內材料承受彎曲應力, 從而造成復合材料中大量纖維發(fā)生斷裂(如圖5中圓形區(qū)域所示), 影響材料的拉伸性能。因此, 在上述沖擊能量范圍內, 雖然C/SiC-ZrC復合材料的宏觀損傷程度隨沖擊能量的增大而加重, 但材料的主要損傷模式表現(xiàn)為分層和纖維斷裂。

圖4 沖擊試驗后C/SiC-ZrC復合材料正面(a,c,e,g)及背面(b,d,f,h)的宏觀形貌

(a, b) 15 J; (c, d) 18 J; (e, f) 21 J; (g, h) 24 J

圖5 沖擊試驗后材料正面的微觀形貌

(a) 15 J; (b) 18 J; (c) 21 J; (d) 24 J

沖擊后C/SiC-ZrC復合材料的特征損傷尺寸及殘余拉伸強度如表2所示。圖6為不同能量沖擊后材料正面及背面的損傷面積。從圖6中可以看出, 隨著沖擊能量的增大, 試件正面及背面損傷區(qū)域的面積均逐漸增大, 沖擊能量達到24 J時, 正面損傷處的最大圓面積約為135.5 mm2; 此時背面損傷區(qū)域的最大面積達到277.3 mm2, 纖維層明顯分塊、鼓起, 如圖4(h)所示。

圖7為不同沖擊能量下試樣正面產生的凹坑深度及背面鼓起的高度。從圖7中可以看到, 隨著沖擊能量的增大, 試樣正面損傷深度呈近似線性增長, 而背面鼓起高度并非線性增大, 這可能是由于沖擊能量從21 J增大至24 J時, 在背面沖擊范圍附近的纖維層顯著翹起, 導致?lián)p傷高度明顯增大。當沖擊能量為15 J時, 凹坑深度約為0.78 mm, 約占試樣總厚度的13%, 背面鼓起高度的實測值約為1 mm; 當沖擊能量為24 J時, 凹坑深度約為2.66 mm, 約占試樣總厚度的44%。

表2 沖擊后復合材料的損傷尺寸及殘余拉伸強度

圖6 不同能量沖擊后材料的損傷面積

圖7 不同能量沖擊后材料的正面凹坑深度及背面凸起高度

2.3 沖擊后的拉伸性能

圖8為不同能量沖擊后C/SiC-ZrC復合材料殘余的名義拉伸強度, 可定義為:

=max/

其中,max為最大拉伸載荷,為試樣的橫截面積。

圖8 不同能量沖擊后材料的拉伸強度

從圖8中可以看出, 沖擊能量在15~24 J范圍內增大時, C/SiC-ZrC復合材料名義拉伸強度的下降趨于平緩。文獻[11,17]指出, 隨沖擊能量的增大, 復合材料損傷的外部形貌可分為以下四種狀態(tài): (1)無損傷狀態(tài)。沖擊能量低于某一門檻值, 沖擊過程不會對材料造成任何損傷。(2)沖擊正面目視不可檢損傷狀態(tài)。沖擊能量高于上述門檻值時, 雖然用肉眼觀察不到損傷, 但使用X射線可以探測出材料內部已經發(fā)生了分層損傷。目前, 該類損傷狀態(tài)的標準 是在復合材料表面產生了0.3~0.4 mm深度的凹陷。 (3)正面目視可檢損傷狀態(tài)。隨著沖擊能量的增加, 復合材料表面的損傷尺寸進一步增大, 達到了目視可檢的程度, 如圖4(a,b)所示。(4)穿透損傷狀態(tài)。當沖擊能量增大到一定值時, 復合材料發(fā)生穿透損傷, 如圖4(c~h)所示。在15~24 J的較大沖擊能量作用下, C/SiC-ZrC復合材料的穿透損傷相對于內部損傷的作用更加明顯, 材料有被擊穿的趨勢。落錘沖擊造成的材料損傷主要發(fā)生在沖擊區(qū)域附近, 而沖擊區(qū)域以外的復合材料未發(fā)生明顯的損傷和破壞, 材料拉伸強度的下降主要受兩方面因素的影響: 一方面是不同沖擊能量下纖維的斷裂程度; 另一方面是沖擊損傷區(qū)域面積占拉伸截面的百分比。由于在15~24 J沖擊能量范圍內材料主要表現(xiàn)為穿透損傷, 經過18 J沖擊時材料正面和背面損傷已經非常明顯, 內部纖維大量斷裂, 隨著沖擊能量進一步增大, 受沖擊區(qū)域內纖維的斷裂程度以及沖擊損傷區(qū)域占拉伸截面的百分比雖然繼續(xù)增加, 但兩者的增速均有所減緩。因此, 在上述沖擊能量范圍內, C/SiC-ZrC復合材料的殘余拉伸強度的下降趨于平緩, 與無損傷材料相比, 經過24 J沖擊后試件的拉伸強度約降低25%。

圖9是沖擊能量為24 J時拉伸后試樣表面及截面的宏觀形貌, 發(fā)現(xiàn)拉伸時試樣在沖擊區(qū)域發(fā)生破壞, 斷口基本垂直于拉伸載荷方向。隨后對拉伸后試樣內部的平面和平面進行了CT掃描, 圖10(a, b)分別為試樣中間層和平面的掃描結果, 從圖中可以看出在沖擊處發(fā)生了明顯的損傷, 主要破壞形式為分層與纖維的斷裂。

圖9 沖擊能量為24 J時拉伸后試樣的(a)表面及(b)截面形貌照片

圖10 沖擊能量為24 J時拉伸后試樣內部的(a) XY平面及(b) XZ平面CT掃描結果

3 結論

研究了C/SiC-ZrC復合材料在不同沖擊能量(15~24 J)作用下的損傷特征, 以及沖擊對復合材料拉伸性能的影響, 結論如下:

1) 隨著沖擊能量的增加, 沖擊后C/SiC-ZrC復合材料的正面及背面損傷區(qū)域的面積、沖擊產生的凹坑深度及背面鼓起高度均逐漸增大, 材料的損傷狀態(tài)主要表現(xiàn)為穿透損傷。

2) C/SiC-ZrC材料名義拉伸強度的下降幅度隨沖擊能量的增大逐漸趨于平緩。與無損傷材料相比, 經過24 J沖擊后, 試樣拉伸強度的降幅約為25%。

3) 沖擊主要造成沖擊區(qū)域附近的復合材料發(fā)生分層和纖維斷裂損傷, 沖擊區(qū)域以外未發(fā)生明顯的損傷和破壞。

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Damage Characteristics of 2D C/SiC-ZrC Composites under Low Velocity Impact

PI Huilong1, ZHANG Baopeng2, YU Xinmin2, LIU Wei2, JIN Xin2

(1. Science and Technology on Thermostructure Composite Materials Laboratory, Northwestern Polytechnical University, Xi’ an 710072, China; 2. Aerospace Institute of Advanced Materials & Processing Technology, Beijing 100074, China)

The effects of impact energy on damage characteristics and tensile properties of 2D C/SiC-ZrC composites were studied by low-speed impact, post-impact tensile tests and the CT scanning methods. The results indicated that C/SiC-ZrC composites had a high impact damage tolerance. The damage state of the composites in the energy range of 15–24 J was mainly shown as penetrating damage. When the impact energy increased within the range of 15-24 J, the nominal tensile strength of C/SiC-ZrC composites reduced slowly, with a maximum decrease of around 25%. The impact mainly caused lamination and fiber fracture damage near the impact areas. However, the impact damage was not observed out of the impact areas.

C/SiC-ZrC; ceramic matrix composites; impact; residual tensile strength

TB332

A

1000-324X(2020)12-1327-06

10.15541/jim20200138

2020-03-17;

2020-04-13

皮慧龍(1988–), 男, 高級工程師. E-mail: 694448668@qq.com

PI Huilong(1988–), male, senior engineer. E-mail: 694448668@qq.com

張寶鵬, 工程師. E-mail: bhzbp1129@buaa.edu.cn

ZHANG Baopeng, engineer. E-mail: bhzbp1129@buaa.edu.cn