楊甜甜，王 嶺，邱海鵬，王曉猛，張典堂，錢 坤

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122；2. 航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300)

碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基體(SiCf/SiC)復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗蠕變、抗腐蝕、耐磨損和抗氧化等優(yōu)異性能[1-2]，且有效克服了純陶瓷纖維脆性大、斷裂韌性低和抗沖擊性能差的缺陷[3]，已成為航空發(fā)動機(jī)燃燒室/加力燃燒室、渦輪導(dǎo)葉、內(nèi)涵道和尾噴管等熱端高溫部件的理想候選材料[4]。連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備一般包括纖維預(yù)制件的編織、界面層的制備和基體致密化等步驟[5]，研究表明預(yù)制體結(jié)構(gòu)對陶瓷基復(fù)合材料的性能有顯著影響[6]。目前，用于航空熱端高溫部件陶瓷基復(fù)合材料的紡織結(jié)構(gòu)主要包括：一維單向、二維平紋/斜紋、正交三向/三維編織和縫合等[7]。

近年來，國內(nèi)外研究人員對不同編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)SiCf/SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。蔣麗娟等[6]以不同預(yù)制體結(jié)構(gòu)作為骨架制備SiCf/SiC復(fù)合材料，并研究其拉伸性能，由于三維五向復(fù)合材料增加了受力方向的纖維含量，限制了纖維的偏移，因此，三維五向SiCf/SiC復(fù)合材料的拉伸性能優(yōu)于三維四向的；謝巍杰等[7-8]利用前驅(qū)體浸漬熱解法(PIP)制備三維SiCf/SiC復(fù)合材料，并研究其在高溫下的剪切性能以及彎曲性能。在極端環(huán)境下，材料的受力損耗主要表現(xiàn)為受極端環(huán)境的氧化侵蝕。陳明明等[9]分析了平紋疊層SiCf/SiC復(fù)合材料在室溫和高溫(1 200 ℃)下的單軸拉伸宏觀力學(xué)性能，并分析了其微觀損傷模式，揭示了高溫下的損傷機(jī)制；Luo等[10-11]選取新型前驅(qū)體聚合物(LPVCS), 利用PIP工藝制備了三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料，并在其表面制備熱解碳(PyC)涂層，研究了SiCf/SiC復(fù)合材料的致密化、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)；Ikarashi等[12]開展了正交三向SiCf/SiC復(fù)合材料在1 100 ℃下的單軸拉伸、恒載荷拉伸和拉伸疲勞試驗(yàn)，并探討了卸載對試樣損傷和失效行為的影響；胡曉安等[13]研究了三維編織SiCf/SiC復(fù)合材料在室溫下的單軸拉伸和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并揭示了其在室溫條件下的失效機(jī)制。材料最終失效是由于原生孔洞以及微裂紋在拉伸載荷下擴(kuò)展而導(dǎo)致的，但對于材料不同位置的受力損傷，并未進(jìn)行系統(tǒng)研究討論。趙爽等[14]利用先驅(qū)體浸漬裂解工藝結(jié)合化學(xué)氣相滲透工藝(PIP+CVI)制備了三維機(jī)織角聯(lián)鎖和三維SiCf/SiC復(fù)合材料，并對二者的力學(xué)性能、密度、熱導(dǎo)率以及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)為CVI整體涂層提高了三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiCf/SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能；Whitlow等[15]利用聲發(fā)射檢測(AE)和非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)(DIC)開展了SiCf/SiC復(fù)合材料的連續(xù)損傷原位測試，揭示了基體裂紋的萌生與擴(kuò)展機(jī)制。

綜上所述，局限于SiCf纖維昂貴的成本和復(fù)雜的預(yù)成型/復(fù)合工藝，有關(guān)SiCf/SiC復(fù)合材料力學(xué)性能的研究還十分匱乏。國內(nèi)對SiC纖維的開發(fā)分為3代[16]：第1代無定型SiC纖維，高氧高碳型；第2代微晶SiC纖維，低氧高碳型，其在耐高溫和模量方面都有所改善；第3代多晶SiC纖維，低氧低碳型，使SiC纖維抗氧化性能進(jìn)一步提升。目前，國內(nèi)多集中于第1代SiC纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能研究。重要的是，碳化硅基體具有較高的壓縮強(qiáng)度，造成SiCf/SiC復(fù)合材料的彎曲性能遠(yuǎn)區(qū)別于其他材料三維機(jī)織角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)體系，目前僅有針對于材料某一特定部位的受力損傷的研究，而有關(guān)三維機(jī)織角聯(lián)鎖織物增強(qiáng)SiCf/SiC復(fù)合材料在不同位置受力的損傷機(jī)制尚未對比討論。

本文以三維機(jī)織角聯(lián)鎖碳化硅纖維機(jī)織預(yù)制體為骨架，聚碳硅烷為連續(xù)碳化硅陶瓷基體相的先驅(qū)體，采用PIP工藝制備三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料，使用微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(micro-CT)對預(yù)制體以及復(fù)合材料進(jìn)行掃描，觀測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并計(jì)算復(fù)合材料的孔隙率。分別沿經(jīng)向(X向)和緯向(Y向)裁切制備試樣，并在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，同時使用掃描電子顯微鏡和超景深三維顯微鏡記錄彎曲損傷模式，探討并分析其在不同位置的失效機(jī)制。

1 試樣制備與試驗(yàn)過程

1.1 SiCf/SiC復(fù)合材料的制備

1.1.1 三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiC纖維預(yù)制體的制備

三維機(jī)織角聯(lián)鎖是一種典型的三維機(jī)織結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過層層角聯(lián)交織，具有層間連接強(qiáng)度高和整體性好等優(yōu)點(diǎn)[17-19]。選用第2代SiC纖維(牌號為Cansas 3200)，以3 000根SiC纖維作為經(jīng)紗和緯紗，利用YTS13型多臂織機(jī)制備三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiC纖維預(yù)制件，編織在宜興市新立織造有限公司完成。最終編織的預(yù)制件經(jīng)密為8根/cm，緯密為5根/cm，此時，經(jīng)紗與緯紗層數(shù)分別為13和14層。試樣micro-CT三維圖像及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiC纖維預(yù)制件形態(tài)Fig.1 Three-dimensional woven angle interlock SiC fiber prefabricated component morphology.(a)SiC fiber prefabricated component(micro-CT);(b)SiC fiber prefabricated component;(c)Warp cross-section morphology; (d) Weft cross-section morphology

1.1.2 三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料的制備

目前，SiCf/SiC復(fù)合材料的制備方法主要包括：前驅(qū)體浸漬熱解技術(shù)(PIP)、化學(xué)氣相滲透技術(shù)(CVI)、 納米浸漬和瞬時共晶技術(shù)(NITE)以及反應(yīng)性熔體浸滲技術(shù)(MI)。其中，聚合物浸漬熱解技術(shù)具有制備尺寸大、形狀復(fù)雜、微觀結(jié)構(gòu)可控、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在制備SiCf/SiC復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛，因此，本文選用PIP工藝制備三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiCf/SiC復(fù)合材料，基體原料采用聚碳硅烷(軟化點(diǎn)為180～200 ℃，相對分子質(zhì)量為1 000～2 000，蘇州賽力菲公司)。具體工藝流程為：1)通過化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝在SiC纖維預(yù)制體表面制備PyC界面層；2)以液態(tài)聚碳硅烷為先驅(qū)體，采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料，浸漬-裂解循環(huán)為8～10次，直至裂解質(zhì)量增加率小于2%。最終所制備的三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料的孔隙率為9.50%，其中纖維體積含量為45%。復(fù)合材料的micro-CT掃描圖如圖2(a)所示，micro-CT 掃描的復(fù)合材料孔隙分布如圖2(b)所示，這將為彎曲載荷下三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料失效機(jī)制提供重要支撐。

圖2 三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料形貌Fig.2 Three-dimensional woven angle interlocking SiCf/SiC composite morphology.(a)SiCf/SiC composite； (b)Pores of SiCf/SiC composite

1.2 彎曲試驗(yàn)

參照GB/T 6569—2006《精細(xì)陶瓷彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)(試驗(yàn))方法》，分別沿著經(jīng)紗(X向)和緯紗(Y向)方向切割試樣，試樣尺寸為35 mm×4 mm×3 mm (長 ×寬×厚)，每個方向各測試3組試樣，如圖3所示。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在Instron3385H型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖4所示。加載速度設(shè)置為0.5 mm/min，測試跨距為30 mm，獲得彎曲強(qiáng)度-撓度曲線；然后采用su1510型掃描電子顯微鏡與VHX-5000型超景深三維顯微鏡對彎曲破壞的形貌進(jìn)行觀察。

圖3 三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiCf/SiC復(fù)合材料試樣件Fig.3 Three-dimensional woven angle interlock SiCf/SiC composite test piece.(a)Warp direction(X-direction)specimen;(b)Weft direction(Y-direction)specimen; (c)Length of specimen;(d)Width of specimen

圖4 三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiCf/SiC復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)Fig.4 Three-point bending test of three-dimensional woven angle interlocking SiCf/SiC composite

采用三點(diǎn)彎曲法測定三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiCf/SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度及彈性模量，其彎曲強(qiáng)度σ3b計(jì)算公式為

式中：P為彎曲測試時的最大載荷，N；L為測試跨距，mm；W為測試試樣的寬度，mm；H為測試試樣的高度，mm。

三點(diǎn)彎曲法測試彎曲彈性模量E計(jì)算公式為

式中，K為強(qiáng)度-撓度曲線的斜率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 彎曲力學(xué)行為

3組三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料經(jīng)向(X向)和緯向(Y向)試樣的彎曲強(qiáng)度-撓度曲線如圖5所示。可以看出，經(jīng)向試樣和緯向試樣的彎曲強(qiáng)度-撓度曲線有明顯差異。由圖5(a)可知，三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料經(jīng)向試樣彎曲強(qiáng)度-撓度曲線在初始階段呈線性增加；隨著變形的增加，在接近最大應(yīng)力值附近出現(xiàn)平緩屈服平臺，曲線整體呈現(xiàn)出假塑性斷裂特性[20]；經(jīng)向試樣曲線在上升過程中無明顯波動。由圖5(b)可知，三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料緯向試樣彎曲強(qiáng)度隨撓度增加近似線性增加，到達(dá)最大值后急劇下降，曲線呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特性。值得注意的是，緯向試樣強(qiáng)度到達(dá)最大值前，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，這也預(yù)示著損傷的出現(xiàn)。

圖5 三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料 經(jīng)向和緯向彎曲強(qiáng)度-撓度曲線Fig.5 Bending strength-displacement curves of warp (a) and weft (b) direction three-dimensional woven angle interlock SiCf/SiC ceramic matrix composites

表1示出三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料經(jīng)向和緯向彎曲強(qiáng)度和模量測試結(jié)果。可以看出，緯向試樣的平均彎曲強(qiáng)度(394.56 MPa)比經(jīng)向試樣的平均彎曲強(qiáng)度(299.33 MPa) 大31.83%，而緯向試樣的平均彎曲模量(45.87 MPa)比經(jīng)向試樣的平均彎曲模量(51.52 MPa) 低12.32%。

綜上所述，三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料經(jīng)向和緯向彎曲力學(xué)行為明顯不同，這主要是二者主體承力紗線不同造成的。SiCf/SiC復(fù)合材料彎曲受力圖如圖6所示。彎曲載荷下，經(jīng)向和緯向試樣上表面均承受壓縮應(yīng)力，而下表面均承受拉伸應(yīng)力，過程中同時伴隨著面內(nèi)剪切作用。對于經(jīng)向試樣，經(jīng)紗垂直于彎曲夾頭，承擔(dān)主要載荷；而對于緯向試樣，緯紗垂直于彎曲夾頭，緯紗承擔(dān)主要載荷。彎曲載荷下，經(jīng)紗首先要克服自身的屈曲，由于屈曲的經(jīng)紗需要在力的作用下發(fā)生伸直，抵抗彎曲變形的能力要高于平直的緯向紗線，這也是經(jīng)向試樣模量高于緯向試樣模量的原因。隨著變形的增加，緯向試樣底端拉伸載荷由平直的緯紗(F)承擔(dān)，而經(jīng)向試樣底端拉伸載荷則是部分載荷(F2)承擔(dān)，這就導(dǎo)致緯向試樣彎曲強(qiáng)度大于經(jīng)向試樣彎曲強(qiáng)度值。

表1 三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiCf/SiC復(fù)合材料彎曲力學(xué)性能Tab.1 Bending mechanical properties of three-dimensional woven angle interlock SiCf/SiC composites

圖6 SiCf/SiC復(fù)合材料經(jīng)向和緯向彎曲受力圖Fig.6 Bending force diagram of warp (a) and weft (b) direction of SiCf/SiC composite

2.2 彎曲破壞模式及失效機(jī)制分析

2.2.1 細(xì)觀破壞模式

復(fù)合材料彎曲破壞模式是一個比較復(fù)雜的多種力耦合破壞的模式，在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中試樣表現(xiàn)為上側(cè)受壓、下側(cè)受拉伸應(yīng)力，同時包含面內(nèi)剪切作用。而SiCf/SiC復(fù)合材料受制備工藝影響，孔隙的存在以及大小也會相應(yīng)影響其力學(xué)性能。圖7、8分別示出三維機(jī)織角聯(lián)鎖經(jīng)向、緯向SiCf/SiC復(fù)合材料在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的超景深掃描圖。可以看出，基體裂縫、纖維斷裂、基體與纖維的脫黏是三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料彎曲失效的主要模式。導(dǎo)致經(jīng)向三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料最終破壞是裂紋沿著緯紗與相鄰經(jīng)紗的接觸面擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致材料的最終失效。

圖7 經(jīng)向SiCf/SiC復(fù)合材料損傷破壞超景深掃描圖Fig.7 Damage diagram of warp SiCf/SiC composite under superfield microscope.(a)Fiber breakage and matrix crack；(b)Fiber break

圖8 緯向SiCf/SiC復(fù)合材料損傷破壞超景深掃描圖Fig.8 Damage diagram of weft SiCf/SiC composite under superfield microscope.(a)Fiber fracture and matrix crack；(b)Matrix crack

由圖7(a)可知，彎曲破壞后的SiCf/SiC復(fù)合材料局部表現(xiàn)出明顯的脆性剪切破壞，導(dǎo)致纖維部分抽拔，基體從孔隙處開始出現(xiàn)微小裂紋。三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料在載荷作用下，材料內(nèi)部發(fā)生力的轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為裂紋的偏移、擴(kuò)展，在彎曲強(qiáng)度-撓度圖(見圖5(a)) 中具體表現(xiàn)為由初始線性增長轉(zhuǎn)化為斜率的變小。隨著彎曲載荷的加大，復(fù)合材料在承受最大拉彎曲載荷后，纖維束出現(xiàn)了如圖7(a)和(b) 中纖維的大量抽拔，基體由局部微小裂紋轉(zhuǎn)化為整體斷裂，纖維與基體也出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象。當(dāng)載荷達(dá)到峰值后，由于裂紋撓曲、轉(zhuǎn)移會使復(fù)合材料之間產(chǎn)生頻繁摩擦，且SiC纖維與界面的熱解碳會消耗大部分的負(fù)載能量，從而改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，并證明加載斷裂出現(xiàn)的假塑性斷裂行為。

由圖8可知，與經(jīng)向SiCf/SiC復(fù)合材料彎曲損傷樣貌相比，緯向SiC纖維斷裂以及基體產(chǎn)生的裂紋在一個固定的區(qū)域內(nèi)。由宏觀破壞可以看出，緯向三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料最終破壞是沿著相鄰緯紗中間進(jìn)行擴(kuò)展，導(dǎo)致材料最終失效。在初始階段，隨著載荷的增加，部分纖維及基體由孔隙處開始出現(xiàn)微小裂縫，隨著載荷增大，復(fù)合材料內(nèi)部受力轉(zhuǎn)移，使隨機(jī)應(yīng)力產(chǎn)生的其他部分出現(xiàn)裂紋。當(dāng)載荷達(dá)到最大時，伴隨著復(fù)合材料內(nèi)部裂紋的不斷增加以及纖維之間出現(xiàn)的應(yīng)力無法抵抗載荷應(yīng)力時，大量纖維束發(fā)生斷裂。如圖8(a)中，隨著面內(nèi)間接剪切應(yīng)力的增大，纖維束上的纖維微裂紋增加并不斷地沿著軸向擴(kuò)展，導(dǎo)致纖維斷裂，且伴隨著基體的脫黏。圖8(b)可以清晰地看到在彎曲載荷作用下，基體出現(xiàn)的脆性斷裂，表現(xiàn)在彎曲強(qiáng)度-撓度圖(見圖5(b))中出現(xiàn)的線性增長階段，這是復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)中纖維連同基體的斷裂分離。

2.2.2 微觀破壞模式

通過分析三維機(jī)織角聯(lián)鎖經(jīng)向、緯向SiCf/SiC復(fù)合材料宏觀力學(xué)損傷，結(jié)果表明其彎曲失效的主要原因是多種力耦合發(fā)生，使復(fù)合材料發(fā)生最終失效。為更準(zhǔn)確地揭示在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)條件下的經(jīng)向、緯向SiCf/SiC復(fù)合材料損傷原因，利用掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行觀測并分析其失效機(jī)制。

圖9、10分別示出三維機(jī)織角聯(lián)鎖經(jīng)向、緯向SiCf/SiC復(fù)合材料彎曲微觀損傷電鏡照片。由圖9(a) 可以看出：在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)下，經(jīng)向SiCf/SiC復(fù)合材料損傷失效后，其斷面出現(xiàn)明顯的經(jīng)向紗線Pyc界面涂層脫黏現(xiàn)象，并伴有基體裂紋產(chǎn)生以及裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，這可能是由于三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料制備存在的孔隙，導(dǎo)致復(fù)合材料存在原生孔洞以及縫隙，而在外力作用下，這些薄弱環(huán)節(jié)受力發(fā)生裂紋擴(kuò)展或者偏移，最后由于載荷不斷加大，載荷作用的應(yīng)力超出復(fù)合材料本身所受力，從而導(dǎo)致材料最終的彎曲失效。

圖9 不同放大倍數(shù)下經(jīng)向SiCf/SiC復(fù)合材料 斷面損傷電鏡照片F(xiàn)ig.9 Damage SEM images of warp SiCf/SiC composite under different magnification

圖10 不同放大倍數(shù)下緯向SiCf/SiC復(fù)合材料 斷面損傷電鏡照片F(xiàn)ig.10 Damage SEM images of weft SiCf/SiC composite under different magnification

由圖9(b)可以看出：SiC纖維在載荷作用下，存在著纖維脫離基體，并從基體中脫落的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)槔w維與基體之間結(jié)合力薄弱，受到載荷作用后，基體逐漸將載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞到SiC纖維之間，從而導(dǎo)致纖維抽拔，脫離基體。由圖9(c)、 (d)看出，三維機(jī)織角聯(lián)鎖經(jīng)向SiCf/SiC復(fù)合材料斷面存在大量纖維抽拔，此時出現(xiàn)了纖維不同時抽拔，即纖維在裂紋擴(kuò)展過程中先后發(fā)生了 2次集中抽拔，這與文獻(xiàn)[21]研究的C/SiC復(fù)合材料破壞模式相似，這種現(xiàn)象延長了裂紋擴(kuò)展路徑，同時提高了復(fù)合材料在破壞過程中所要消耗的能量。在彎曲載荷下，經(jīng)向SiCf/SiC復(fù)合材料中經(jīng)向纖維束發(fā)生了縱向斷裂破壞，其彎曲強(qiáng)度-撓度曲線(見圖5(a)) 上出現(xiàn)的波動平臺，對應(yīng)著斷面的大量長纖維拔出，出現(xiàn)假塑性斷裂破壞的特征。在受到載荷作用后，經(jīng)紗主要承力且斷面沿著緯紗附近擴(kuò)展，裂紋在該區(qū)域擴(kuò)展阻力小，但擴(kuò)展速度慢，該區(qū)域的纖維承載后拔出長，主要作用是增韌。這主要是由于載荷的存在，導(dǎo)致經(jīng)紗的纖維束處發(fā)生大量纖維擠壓作用，使應(yīng)力集中于復(fù)合材料的薄弱區(qū)，最后導(dǎo)致斷裂沿著緯紗與經(jīng)紗的接觸面發(fā)生。

由圖10(a)可以看出：在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)下，緯向SiCf/SiC復(fù)合材料損傷失效后，復(fù)合材料斷面存在纖維束之間基體的脫黏現(xiàn)象，并伴有基體碎屑產(chǎn)生，同時存在圖10(b)顯示的少量纖維從基體之間抽拔的現(xiàn)象，這明顯與經(jīng)向纖維不同時抽拔的模式不同，說明緯向SiCf/SiC復(fù)合材料在一定程度上顯示出脆性破壞模式，表現(xiàn)在圖5(b)中載荷平臺幾乎消失。這種失效模式與文獻(xiàn)[22]提到的樹脂基復(fù)合材料因?yàn)闃渲g性以及織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的屈曲累積導(dǎo)致的失效并不相同。緯向復(fù)合材料的破壞主要發(fā)生在緯紗的斷裂處，在受到彎曲載荷后，復(fù)合材料所受載荷轉(zhuǎn)移到緯向紗束上，并與面內(nèi)剪切力共同作用，使破壞作用在緯紗上，斷口從緯紗束之間產(chǎn)生，削弱了緯紗束間的作用力；裂紋在該區(qū)域的擴(kuò)展阻力大，但擴(kuò)展速度快，該區(qū)域的纖維先承載且拔出長度較經(jīng)向纖維束短，主要作用是增強(qiáng)。緯向纖維的同步斷裂導(dǎo)致緯紗束之間的裂紋無法轉(zhuǎn)移、擴(kuò)展，最終破壞整個復(fù)合材料。

綜上分析可知，由彎曲載荷導(dǎo)致的三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiCf/SiC復(fù)合材料發(fā)生損傷的破壞微觀機(jī)制主要為：1)由于復(fù)合材料在制備過程中，不可避免地存在原生孔隙以及孔洞，這就給復(fù)合材料增添了產(chǎn)生損傷的可能；2)在加載過程中，復(fù)合材料經(jīng)向與緯向受力會導(dǎo)致不同位置損傷之間發(fā)生裂紋擴(kuò)展，經(jīng)向主要是經(jīng)紗的部分分力承力，同時存在假塑性斷裂的特性，且經(jīng)向紗線起到增韌作用；而緯向主要是緯紗承力，使得裂紋在緯紗束之間擴(kuò)展困難，此時紗線主要是增強(qiáng)作用，最終為復(fù)合材料的脆性破壞；3)損傷的主要形式都是載荷作用下由原生孔隙產(chǎn)生微小裂紋，隨著裂紋延長、擴(kuò)展，使基體斷裂、纖維斷裂、纖維與基體脫黏而產(chǎn)生的最終失效。

3 結(jié) 論

本文制備了三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiCf/SiC復(fù)合材料，使用微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對復(fù)合材料及其預(yù)制體進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表征，通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并使用掃描電子顯微鏡和超景深三維顯微鏡觀察彎曲損傷，研究三維機(jī)織角聯(lián)鎖 SiCf/SiC復(fù)合材料在室溫下的彎曲性能及其失效機(jī)制，得出以下主要結(jié)論。

1)三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料發(fā)生彎曲破壞的模式主要是彎曲應(yīng)力、壓縮應(yīng)力以及面內(nèi)剪切等多力耦合，導(dǎo)致材料發(fā)生纖維斷裂、基體產(chǎn)生裂紋以及纖維與基體脫黏。

2)三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料在室溫下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，分別以經(jīng)向、緯向作為彎曲的主承面時，緯向性能和經(jīng)向性能明顯不同，且緯向試樣的彎曲強(qiáng)度大于經(jīng)向試樣，而彎曲模量卻低于經(jīng)向試樣。

3)經(jīng)向、緯向三維機(jī)織角聯(lián)鎖SiCf/SiC復(fù)合材料在三點(diǎn)彎曲載荷下的損傷存在差異。經(jīng)向主要在經(jīng)紗與緯紗結(jié)合點(diǎn)處發(fā)生裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致?lián)p傷破壞產(chǎn)生，紗線此時起到增韌作用；而緯向主要沿緯紗束之間發(fā)生裂紋，紗束斷裂產(chǎn)生的彎曲破壞，紗線此時起到增強(qiáng)作用。