楊曉輝，盧錦花，李克智，張守陽(yáng)，楊 茜，曾燮榕

(1.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072;2.深圳大學(xué) 深圳市特種功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060)

0 引言

C/C復(fù)合材料已廣泛用于航空航天領(lǐng)域［1－2］。在飛行器鼻錐、機(jī)翼前緣、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯及飛機(jī)剎車盤等高溫環(huán)境應(yīng)用中，其熱物理性能的好壞對(duì)其服役壽命而言至關(guān)重要。其中，熱膨脹性能直接決定了材料的結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性，影響到材料的應(yīng)力分布狀態(tài)及抗熱震性能［3］。因此，研究C/C復(fù)合材料的熱膨脹性能非常重要。有關(guān)C/C復(fù)合材料的熱膨脹性能的研究已有一些報(bào)道［4－10］，但作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料，其使用過程中不可避免地會(huì)遇到疲勞加載的情況，其內(nèi)部的應(yīng)力分布和微觀結(jié)構(gòu)會(huì)隨之發(fā)生變化，那么疲勞加載到底對(duì)其熱膨脹性能有無影響或影響情況如何，國(guó)內(nèi)外尚未有過此方面的報(bào)道。研究有關(guān)疲勞加載對(duì)C/C復(fù)合材料熱膨脹性能的影響有一定的工程應(yīng)用意義。

本文進(jìn)行了2D－C/C復(fù)合材料的熱膨脹性能測(cè)試，并著重研究了其在不同彎－彎疲勞加載條件下的熱膨脹性能的變化規(guī)律，從材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)變化的角度，分析了其變化規(guī)律的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料制備

實(shí)驗(yàn)材料由西北工業(yè)大學(xué)C/C復(fù)合材料工程技術(shù)中心提供，采用2D針刺炭氈作為預(yù)制體，經(jīng)過熱梯度化學(xué)氣相工藝進(jìn)行致密化，然后進(jìn)行石墨化處理，最終得到φ100 mm×200 mm的C/C復(fù)合材料柱狀構(gòu)件，其體密度為(1.77 ±0.01)g/cm3，纖維體積分?jǐn)?shù)為22% ～24%，孔隙率為23% ～25%。

1.2 疲勞實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:PLD－10型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)西安力創(chuàng)公司，上壓頭半徑為3 mm，下支座半徑為2 mm。

疲勞試樣:由上述的材料制備過程得到，試樣經(jīng)機(jī)械加工為50 mm×8 mm×4 mm的長(zhǎng)條狀。

疲勞加載方式:彎－彎疲勞過程，加載方向垂直于材料的x-y方向，跨距為40 mm，應(yīng)力比R為0.1，頻率為10 Hz。

疲勞加載條件:循環(huán)周次為104、5 ×104、1 ×105和1.5×105次;應(yīng)力水平為70%和90%。在這幾種條件下，分別對(duì)試樣進(jìn)行疲勞夭折實(shí)驗(yàn)。

1.3 熱膨脹性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:德國(guó)NETZSCH公司生產(chǎn)的DIL402C熱膨脹儀，氬氣保護(hù)氣氛，測(cè)試溫度為室溫～1 250℃，升溫速率為5℃/min。

熱膨脹試樣尺寸:20 mm×3 mm×3 mm，即從疲勞試樣(50 mm×8 mm×4 mm)截取出熱膨脹試樣A(如圖1)，沿x-y方向進(jìn)行熱膨脹性能測(cè)試。為了減小誤差，測(cè)試前用金相砂紙把試樣兩端磨平，試樣編號(hào)情況見表1。

測(cè)試結(jié)束后，根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行工程熱膨脹系數(shù)和物理熱膨脹系數(shù)計(jì)算。另外，利用JSM－630型掃描電子顯微鏡觀察疲勞試樣截面微觀形貌。其中，工程熱膨脹系數(shù)是指在溫度T1和T2區(qū)間與溫度變化1℃相應(yīng)的試樣長(zhǎng)度相對(duì)變化的均值，即一定溫度區(qū)間內(nèi)試樣長(zhǎng)度變化率的平均值，用αm表示:

式中 L2為溫度T2下試樣的長(zhǎng)度;L1為溫度T1下試樣的長(zhǎng)度;ΔT為T2和T1之間的溫度差。

物理熱膨脹系數(shù)是指在某一溫度T下，與溫度變化1℃相應(yīng)的線性熱膨脹值，即試樣某一溫度下的瞬間長(zhǎng)度的變化率，以 αT表示(αT一般以10－6/K－1為單位):

式中 L0為室溫下試樣的初始長(zhǎng)度。

表1 試樣編號(hào)及加載條件Table 1 Numbers of the specimens and loading conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 2D-C/C復(fù)合材料的熱膨脹行為

圖2為2D－C/C復(fù)合材料的物理熱膨脹系數(shù)隨著溫度的變化曲線。

由圖2可見，總體上2D－C/C復(fù)合材料的物理熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而逐漸增大。此外，還可從圖2發(fā)現(xiàn)，試樣物理熱膨脹曲線在300℃和700℃附近出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象;在室溫～150℃的區(qū)間內(nèi)，試樣物理熱膨脹系數(shù)為負(fù)值，呈負(fù)膨脹狀態(tài);試樣物理熱膨脹曲線隨溫度的升高，其斜率逐漸減小，在1 000～1 250℃之間的溫度區(qū)間內(nèi)，物理熱膨脹系數(shù)趨于穩(wěn)定，曲線出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)。

這些現(xiàn)象是由于2D－C/C復(fù)合材料在制備過程中纖維和基體的熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致微裂紋所產(chǎn)生的。隨著溫度升高，試樣內(nèi)部的裂紋開始愈合，但界面和纖維會(huì)對(duì)材料本身產(chǎn)生限制作用。所以，試樣的物理熱膨脹系數(shù)下降，而當(dāng)界面開始滑移后，限制作用減弱，其物理熱膨脹系數(shù)開始回升。因此，物理熱膨脹系數(shù)曲線在300℃附近出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)溫度升高到700℃時(shí)，部分基體裂紋愈合，界面殘余熱應(yīng)力得到部分釋放，纖維開始受到拉應(yīng)力，產(chǎn)生的束縛作用變大，因而限制了基體的膨脹，使復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)有所下降。隨著拉應(yīng)力的不斷增大，部分纖維與基體發(fā)生脫粘，從而使束縛作用減弱。因此，物理熱膨脹系數(shù)再次有所回升，這與之前的文章所介紹的現(xiàn)象類似［11］。在1 000℃以前，一般炭纖維的熱膨脹系數(shù)相比于炭基體較小，因而2D－C/C復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)主要取決于基體的熱膨脹系數(shù);當(dāng)1 000℃以后，炭纖維在高溫下出現(xiàn)負(fù)膨脹，抑制了2D－C/C復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)的增大，從而出現(xiàn)熱膨脹曲線平臺(tái)的出現(xiàn)。總之，2D－C/C復(fù)合材料的熱膨脹性能的變化規(guī)律是纖維和基體相互限制、相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果［5］。

2.2 疲勞加載對(duì)2D-C/C復(fù)合材料熱膨脹性能影響

顯而易見，疲勞加載過程對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)有十分顯著的影響，而這些微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)而可能會(huì)影響到材料的某些性能。對(duì)于2D－C/C復(fù)合材料而言，疲勞加載過程產(chǎn)生的損傷主要包括炭基體裂紋、炭纖維與炭基體的脫粘及炭纖維的斷裂(圖3)等。鑒于疲勞加載應(yīng)力水平和循環(huán)周次是對(duì)疲勞加載過程中影響最顯著的2個(gè)因素及客觀因素的限制，本文僅研究了這2個(gè)因素對(duì)2D－C/C復(fù)合材料熱膨脹性能的影響情況。

文獻(xiàn)［6］研究表明，C/C復(fù)合材料的密度對(duì)其熱膨脹性能有一定影響。然而，由表1中的數(shù)據(jù)可看出，本實(shí)驗(yàn)中選取的試樣密度大小較接近，因而密度對(duì)其熱膨脹性能的影響基本可忽略。

圖4分別給出4種循環(huán)周次條件下，不同彎－彎疲勞加載應(yīng)力水平后2D－C/C復(fù)合材料物理熱膨脹系數(shù)隨著溫度變化的關(guān)系曲線。從圖4可看出，疲勞加載應(yīng)力水平對(duì)2D－C/C復(fù)合材料的熱膨脹性能產(chǎn)生了一定影響，但并沒有顯著改變其隨溫度升高而增大的基本規(guī)律。此外，可發(fā)現(xiàn)隨著疲勞加載應(yīng)力水平的提高，總體上其物理熱膨脹曲線有下降的趨勢(shì)，即物理熱膨脹系數(shù)減小。

分析認(rèn)為，主要原因是:一方面，試樣在經(jīng)歷彎－彎疲勞加載過程中，材料的裂紋、微孔增多，其寬度和大小增大，而裂紋和微孔的產(chǎn)生就可在溫度升高時(shí)吸收一部分熱膨脹量;另一方面，彎－彎疲勞加載過程還可能造成試樣的炭纖維斷裂、界面分層以及纖維與基體界面的脫粘等疲勞損傷，而這些損傷也可吸收一定的熱膨脹量，從而減小了其物理熱膨脹系數(shù)。與此同時(shí)，對(duì)于2D－C/C復(fù)合材料而言，由于其炭纖維的物理熱膨脹系數(shù)一般都明顯小于炭基體的物理熱膨脹系數(shù)，所以正常受熱情況下炭纖維會(huì)對(duì)炭基體有一定的限制作用。然而，疲勞加載過程中產(chǎn)生的纖維與基體的脫粘、纖維斷裂、界面分層等疲勞損傷，減弱了纖維對(duì)基體的限制作用以及增強(qiáng)了界面之間的滑移作用，從而會(huì)在一定程度上增大2D－C/C復(fù)合材料的物理熱膨脹系數(shù)。

綜上所述，彎－彎疲勞加載對(duì)2D－C/C復(fù)合材料的熱膨脹性能的影響有正負(fù)兩方面影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看可認(rèn)為，彎－彎疲勞加載過程對(duì)2D－C/C復(fù)合材料熱膨脹性能主要起負(fù)面作用，并由于疲勞損傷會(huì)隨著疲勞加載應(yīng)力水平的提高不斷加劇，從而導(dǎo)致出現(xiàn)了隨著疲勞加載應(yīng)力水平的的提高，其物理熱膨脹曲線不斷下降的現(xiàn)象。

文獻(xiàn)［12］介紹，當(dāng)溫度低于120℃時(shí)，熱膨脹曲線并不穩(wěn)定，這個(gè)階段不能用來評(píng)價(jià)材料的熱膨脹行為，因?yàn)樵谄鹗茧A段需花一定時(shí)間，才能使?fàn)t體內(nèi)的溫度均勻化。因此，本文選取150℃作為參考點(diǎn)，計(jì)算出每個(gè)試樣在不同溫度區(qū)間的工程熱膨脹系數(shù)，并作出其工程熱膨脹曲線，這樣可更好地研究其在某一溫度區(qū)間內(nèi)的熱膨脹性能的變化情況。圖5為應(yīng)力水平70%和90%下，不同彎－彎疲勞加載循環(huán)周次后2D－C/C復(fù)合材料的工程熱膨脹曲線。

從圖5可看出，不同應(yīng)力水平下，其工程熱膨脹系數(shù)會(huì)隨著疲勞加載循環(huán)周次的增加不斷減小。這主要是由于隨著疲勞加載循環(huán)周次的增加，其疲勞加載造成的基體裂紋、纖維斷裂、纖維脫粘、界面分層等損傷也會(huì)同樣不斷加劇，導(dǎo)致其在高溫時(shí)可吸收更大的熱膨脹量，從而使得工程熱膨脹系數(shù)減小。但同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，隨著疲勞加載循環(huán)周次的不斷增加，一定溫度后，同一疲勞加載應(yīng)力水平下不同循環(huán)周次的工程熱膨脹曲線有逐漸重合的趨勢(shì)。文獻(xiàn)［21］研究了復(fù)合材料疲勞加載過程的CDS的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基體裂紋隨著疲勞循環(huán)周次的不斷增加，基體裂紋會(huì)在某一循環(huán)周次后達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，這個(gè)現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于當(dāng)疲勞加載一定循環(huán)周次后，2D－C/C復(fù)合材料的基體裂紋逐漸達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致了不同循環(huán)周次試樣的裂紋會(huì)在同一溫度附近愈合，出現(xiàn)了其工程熱膨脹曲線逐漸重合的現(xiàn)象;另一方面，也說明2D－C/C復(fù)合材料的熱膨脹性能主要取決于基體的熱膨脹性能，與之前的相關(guān)報(bào)道相符［13］。對(duì)比圖5(a)、(b)還可發(fā)現(xiàn)，70%應(yīng)力水平下其工程熱膨脹曲線的重合點(diǎn)明顯低于90%應(yīng)力水平下其工程熱膨脹曲線的重合點(diǎn)，這主要是因?yàn)楦邞?yīng)力水平下其試樣產(chǎn)生的裂紋數(shù)量更多，裂紋尺寸更大，從而導(dǎo)致其裂紋愈合溫度更高。此外，可發(fā)現(xiàn)90%應(yīng)力水平下不同循環(huán)周次的工程熱膨脹曲線的變化情況與70%應(yīng)力水平不同循環(huán)周次的工程熱膨脹曲線的變化情況有明顯差距，這也說明疲勞加載應(yīng)力水平對(duì)其熱膨脹性能有一定影響。

表2為不同彎－彎疲勞加載條件下試樣在不同溫度區(qū)間的工程熱膨脹系數(shù)統(tǒng)計(jì)表。

表2 不同溫度區(qū)間2D-C/C的工程熱膨脹系數(shù)Table 2 Coefficient of thermal expansion projects of 2D-C/C at the different temperature range

與未經(jīng)疲勞加載9號(hào)試樣在150～1 250℃區(qū)間的工程熱膨脹系數(shù)相比，1號(hào)試樣降低了5.99%，2號(hào)試樣降低了11.55%，3號(hào)試樣降低了10.41%，4號(hào)試樣降低了17.95%，5號(hào)試樣降低了13.7%，6號(hào)樣降低了16.84%，7號(hào)試樣降低了14.76%，8號(hào)試樣降低了20.72%。從表2中的數(shù)據(jù)也可直觀看出，隨著疲勞加載循環(huán)周次和應(yīng)力水平的增加，其工程熱膨脹系數(shù)均不斷減小，這也較符合之前討論的結(jié)果。根據(jù)上述討論結(jié)果，對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠诩虞d，可降低其熱膨脹性能，從而提高其結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1)2D－C/C復(fù)合材料的物理熱膨脹曲線在150℃下低溫階段出現(xiàn)負(fù)熱膨脹現(xiàn)象，且隨著溫度的升高不斷增大，在300℃和700℃附近出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，在1 000～1 250℃溫度區(qū)間內(nèi)，熱膨脹系數(shù)趨于穩(wěn)定，曲線出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)。

(2)彎－彎疲勞加載過程沒有改變2D－C/C復(fù)合材料的物理熱膨脹曲線隨溫度的變化規(guī)律，即隨溫度的升高，其物理熱膨脹系數(shù)基本上逐漸增大的規(guī)律。

(3)2D－C/C復(fù)合材料的熱膨脹性能隨著彎－彎疲勞加載循環(huán)周次和應(yīng)力水平的增大而逐漸減小。

(4)彎－彎疲勞加載對(duì)2D－C/C復(fù)合材料的熱膨脹性能的影響主要緣于疲勞加載過程中疲勞損傷的產(chǎn)生，如基體裂紋、纖維與基體的脫粘、纖維斷裂等。其中，疲勞損傷對(duì)其熱膨脹性能的影響有正負(fù)兩方面。

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