閔昌萬 譚志勇 龍麗平 費慶國

(1空間物理國家重點試驗室,北京100076)(2東南大學(xué)江蘇省工程力學(xué)分析重點試驗室,南京210096)

近年來,以C/C(carbon/carbon)為代表的先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航空航天等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用.相對于高溫合金結(jié)構(gòu)或傳統(tǒng)的防熱層加金屬承載結(jié)構(gòu)而言,C/C構(gòu)成的熱承載復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有一體化優(yōu)勢[1].然而,其設(shè)計及力學(xué)性能對實際使用環(huán)境存在著強烈的依賴關(guān)系[2-3].

C/C復(fù)合材料在無氧條件下具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能,其長時間使用溫度不低于1 650 ℃.但在高溫有氧環(huán)境下,C/C復(fù)合材料會產(chǎn)生氧化損傷,采用抗氧化涂層只能起到有限的保護作用,并可能出現(xiàn)脫落和破壞[4-6];此外,C/C復(fù)合材料的熱防護結(jié)構(gòu)還承受著機械載荷.因此,需要深入研究熱力氧耦合環(huán)境下C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能.

本文采用高溫試驗裝置,對帶/不帶抗氧化涂層2類典型的C/C復(fù)合材料拉伸試驗件進行了測試,分析了溫度、預(yù)應(yīng)力、氧分壓及持續(xù)時間等耦合因素對其力學(xué)性能的影響.在此基礎(chǔ)上,探討了C/C復(fù)合材料的氧化損傷類型,研究其損傷機理與損傷模式.

1 試驗方法

典型的拉伸試驗件以及材料的高溫試驗裝置照片如圖1所示.試驗件分為帶/不帶抗氧化涂層2類.對不同條件下的試驗進行分析時,需注意去除試驗數(shù)據(jù)離散性、試驗件誤差等因素.為保證高溫時間的精確性,需要嚴格控制爐溫速率,并采用試驗件瞬時投放裝置.

圖1 C/C復(fù)合材料試驗件與高溫試驗裝置照片

復(fù)雜耦合環(huán)境下,C/C復(fù)合材料的性能演變模型需要綜合考慮氧化損傷、應(yīng)力損傷以及應(yīng)力對氧化的加速[7],可用下式表示:

ΔΩ=f(T,σ,χ,t)

(1)

式中,ΔΩ為目標性能(這里主要指試驗件強度)的變化;T為溫度;σ為預(yù)應(yīng)力;χ為各種氧化氣氛的分壓;t為作用時間;f為作用函數(shù).試驗結(jié)果表明,應(yīng)力σ和時間t是影響最為顯著的參數(shù).

2 預(yù)應(yīng)力對材料力學(xué)性能的影響

高溫有氧環(huán)境下,不同應(yīng)力類型對復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)存在不同的影響.承受拉伸靜載荷作用時C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能下降最為顯著[8-9].承受剪切、彎矩載荷作用時,其力學(xué)性能可以參考拉伸靜載荷情況.

相關(guān)研究表明[10-11],應(yīng)力環(huán)境對于C/C復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,主要通過改變材料微結(jié)構(gòu)(特別是表面抗氧化涂層的微裂紋寬度)來實現(xiàn).裂紋寬度增加,則氧氣等腐蝕性氣體的進入量增加,當(dāng)進入量大于反應(yīng)消耗的氣體量時,材料的損傷機理由擴散控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)控制;反之,裂紋寬度減小,氧化環(huán)境對材料力學(xué)性能的影響也隨之減弱.通過控制裂紋寬度,來影響整個復(fù)合材料的力學(xué)性能和壽命.不同應(yīng)力水平導(dǎo)致C/C復(fù)合材料的損傷可分為擴散控制和反應(yīng)控制2個階段.

圖2給出了抗氧化C/C復(fù)合材料的高溫應(yīng)力-應(yīng)變試驗曲線.由圖可知,擴散控制階段與反應(yīng)控制階段的臨界點所對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.2%.當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達到應(yīng)變臨界點時,在外載荷(應(yīng)力)不變的情況下,應(yīng)變顯著增加.這表明材料的內(nèi)部承載微元發(fā)生了明顯變化,原有的部分承載微元(C纖維)失去了承載能力.隨著持續(xù)的高溫加載,原有承載微元不斷失效,剩余纖維補充到承載區(qū)域內(nèi),導(dǎo)致內(nèi)部載荷重新分配.這一過程是隨機偶發(fā)的,故曲線上不斷出現(xiàn)應(yīng)力松弛點.

圖2 C/C復(fù)合材料的高溫應(yīng)力-應(yīng)變試驗曲線

圖3給出了試驗件的微細觀圖像.由圖可知,氧分子與材料表面接觸后發(fā)生反應(yīng),形成多處坑狀損傷.

圖3 試驗件的微細觀圖像

在擴散控制階段,材料的彈性模量較高,氧化的均勻性明顯優(yōu)于反應(yīng)控制階段,且結(jié)構(gòu)各部分承載的均勻性也較好.在反應(yīng)控制階段,剩余的承載纖維已明顯減少,材料拉伸模量持續(xù)下降.

在式(1)中,預(yù)應(yīng)力和時間2個參數(shù)相互獨立.對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,提出如下工程計算公式:

(2)

3 表面涂層對材料力學(xué)性能的影響

帶/不帶抗氧化涂層對C/C復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能具有很大的影響[12-14].在無涂層的狀態(tài)下,材料的損傷機理完全由反應(yīng)控制.圖4給出了高溫條件下帶/不帶涂層的C/C復(fù)合材料試驗件破壞后的形貌.由于高溫試驗時夾持方法的限制,大多數(shù)試驗件出現(xiàn)了過渡區(qū)失效的現(xiàn)象,參照材料高溫單調(diào)拉伸試驗標準(ASTM-C1359)[15],可將這些試驗件視為有效樣本.將圖4與圖1對比可知,不帶涂層的試驗件上出現(xiàn)明顯的因燒蝕引起的厚度損失,而帶涂層試驗件上則未發(fā)生此現(xiàn)象.高溫氧化導(dǎo)致材料力學(xué)性能的損失不能簡單地等效為厚度損失,因為強度損失遠大于厚度損失.

當(dāng)高溫下外載荷產(chǎn)生的應(yīng)變ε≤0.2%時,不帶抗氧化涂層C/C復(fù)合材料的可用強度約為帶抗氧化涂層C/C復(fù)合材料的50%.而當(dāng)ε>0.2%時,帶/不帶抗氧化涂層C/C復(fù)合材料的損傷機理均由反應(yīng)控制,建議取50%以保證結(jié)構(gòu)安全.

圖4 C/C復(fù)合材料試驗件破壞后的形貌

原子氧狀態(tài)的氧化活性高于分子氧狀態(tài),這會導(dǎo)致C/C復(fù)合材料力學(xué)性能損失更大.由于試驗代價高昂,本研究未開展相關(guān)試驗.文獻[10]中關(guān)于C/SiC的相關(guān)結(jié)果表明,當(dāng)材料處于擴散控制模式時,不同氣氛影響的差異性是有限的.由于C/C與C/SiC的表面涂層相同,這里給出初步推斷:對于帶抗氧化涂層的C/C,單純由分子氧到原子氧狀態(tài)的變化不會改變C/C材料的力學(xué)性能損傷機理,原子氧狀態(tài)下的力學(xué)性能指標可大致取分子氧狀態(tài)下的80%.

4 溫度對材料力學(xué)性能的影響

溫度對抗氧化C/C復(fù)合材料的影響機制不是單一的.一方面,溫度升高使張開的涂層裂紋逐漸愈合,并加速涂層表面氧化物的形成,封填裂紋,減少外部環(huán)境的氧化性氣體向內(nèi)擴散,從而降低了C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能損失;另一方面,溫度升高又會導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部C氧化的活性提高,加快氧化速度.

在有氧環(huán)境下,受預(yù)應(yīng)力作用并保溫2 000 s后抗氧化C/C復(fù)合材料的拉伸強度與溫度之間的關(guān)系見圖5.由圖可知,雖然存在一定的溫度波動性,材料強度性能的變化并不顯著.

圖5 拉伸強度與溫度的關(guān)系

不同的高溫保持時間對C/C復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能具有明顯的影響.隨著時間的增加,C/C復(fù)合材料的高溫強度逐漸降低.根據(jù)式(2),時間和外載荷應(yīng)力的影響是可以互相獨立的,通過試驗分別進行擬合,且y(t)具有線性特性.

5 結(jié)語

1) 高溫有氧環(huán)境中,承受拉伸靜載荷作用時C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能下降最為顯著.對其他載荷類型,可偏保守地用拉伸試驗數(shù)據(jù)作為參考.

2) 在擴散控制階段,C/C復(fù)合材料的強度緩慢下降,且損失速率較慢;在反應(yīng)控制階段,C/C復(fù)合材料的強度則快速下降.因此,C/C復(fù)合材料在長時間使用時,應(yīng)盡可能處在擴散控制的氧化損傷模式下.

3) 高溫有氧環(huán)境中,C/C復(fù)合材料強度性能的衰減主要是由環(huán)境導(dǎo)致的材料損傷引起的.因此,在研究中可以考慮將力熱耦合條件進行解耦,針對試驗環(huán)節(jié)可以先單獨模擬加熱環(huán)境,然后再進行常溫力學(xué)試驗考核,這樣可大大降低試驗?zāi)M的難度.

4) 針對稀薄大氣環(huán)境,氧化反應(yīng)的需氧量與外界環(huán)境可提供的氧氣含量之間的關(guān)系還需要進一步深入分析,如何定量給出擴散控制階段到反應(yīng)控制階段臨界點的需氧量是將要開展的工作.

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