解惠貞,崔 紅，李瑞珍，秦淑穎，孫建濤，李 晉

(1.西安航天復合材料研究所，西安 710025；2.高性能碳纖維制造及應用國家地方聯合工程研究中心，西安 710089)

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穿刺結構參數對C/C復合材料拉伸性能的影響①

解惠貞1，2,崔 紅1，李瑞珍1，秦淑穎1，孫建濤1，李 晉1

(1.西安航天復合材料研究所，西安 710025；2.高性能碳纖維制造及應用國家地方聯合工程研究中心，西安 710089)

采用不同間距、不同根數的纖維束穿刺成型炭纖維預制體，經進一步化學氣相沉積、瀝青浸漬-高壓炭化致密制備穿刺C/C復合材料。拉伸性能測試結果表明，穿刺間距2.1 mm、穿刺束纖維根數為12 K的C/C復合材料獲得高的拉伸強度，Z向拉伸強度131.4 MPa，XY向拉伸強度111.3 MPa；隨著穿刺間距減小、穿刺絲束纖維根數增加，Z向纖維含量增加，Z向拉伸強度明顯提高。穿刺C/C復合材料1 800 ℃真空條件下的拉伸強度與室溫相當，拉伸模量低于室溫，延伸率高于室溫；常溫拉伸斷口較平整，且纖維/基體間的裂紋明顯，而高溫拉伸斷口參差不齊，纖維及基體斷面粗糙，呈現出假塑性斷裂特征。

C/C復合材料；穿刺間距；穿刺束纖維根數；拉伸強度；拉伸模量；高溫性能

0 引言

C/C復合材料是炭纖維增強碳基體材料，具有輕質、高比強、高比模、高溫強度保持率高、熱膨脹系數低、摩擦性能優(yōu)異、生物相容性好、性能可設計等一系列優(yōu)異而獨特的性能，已成功應用于航天飛機鼻錐和機翼前緣、固體火箭發(fā)動機噴管喉襯和出口錐、導彈端頭帽、飛機剎車片、高溫模具等高科技領域[1-5]。

穿刺C/C是一種新型結構C/C復合材料，具有各向同性性好、綜合力學性能優(yōu)良的特點，其力學性能主要由穿刺預制體結構決定。穿刺預制體是XY向為炭纖維布與炭纖維網胎復合疊層，Z向為一定根數、間距的穿刺纖維束，與高性能軸棒法預制體結構相比，有利于實現結構的細化，并能在一定程度上實現機械化成型。吳小軍等研究軸棒法軟硬混編瀝青基C/C材料的拉伸破壞行為，宏觀上拉伸試樣以碳棒整體拔出的形式破壞[6]；王寶來等研究了細編穿刺C/C復合材料的拉伸與壓縮破壞模式[7]。

對于穿刺結構參數對C/C復合材料拉伸性能的影響研究，尚未見文獻報道，本文針對穿刺C/C復合材料研制中存在Z向拉伸強度低的問題，分析了穿刺成型參數對C/C復合材料Z向、XY向拉伸性能的影響，并對比分析了材料在高溫下拉伸性能的變化，為C/C復合材料的結構設計及應用提供借鑒與指導作用。

1 實驗

1.1 原材料

穿刺預制體成型用炭纖維原材料性能見表1。

表1 炭纖維原材料性能Table 1 Properties of carbon fibers

基體制備用主要原材料：

(1)天然氣，CH4純度≥95%；

(2)高溫煤瀝青，軟化點95～120 ℃。

1.2 材料制備

采用不同結構參數經穿刺工藝成型的炭纖維預制體，進一步經天然氣化學氣相滲透與瀝青浸漬-高壓炭化致密工藝制備穿刺C/C復合材料(密度>1.90 g/cm3)，穿刺C/C復合材料的預制體結構參數見表2。

表2 穿刺C/C復合材料的預制體結構參數Table 2 Puncture parameters of performs used in C/C

1.3 拉伸性能測試

常溫拉伸性能采用DDS-10日本島津萬能材料試驗機測試，通過測試獲得拉伸強度、拉伸彈性模量、拉伸破壞延伸率。

高溫拉伸性能在1 800 ℃、真空條件下進行測試，真空度10-3P，升溫速率30℃/min，保溫時間10 min。

1.4 微觀結構分析

采用JEOL JSM 6460LV型掃描電子顯微鏡(SEM)，對拉伸試樣斷口進行微觀形貌觀察與分析。

2 結果與分析

2.1 穿刺結構參數對C/C復合材料拉伸強度的影響

2.1.1 穿刺結構參數對C/C復合材料Z向拉伸強度的影響

圖1為不同結構參數穿刺C/C復合材料的拉伸強度。從圖1可看出，在所采用的幾種穿刺間距、穿刺束纖維根數情況下，C/C復合材料Z向拉伸強度受穿刺結構參數影響較大。

(a)Z向拉伸強度

(b)XY向拉伸強度

結合表2與圖1(a)可看出，穿刺束纖維根數為12 K的3號、4號、5號材料，隨穿刺間距的減小，材料Z向拉伸強度明顯增大，5號材料的Z向拉伸強度僅為41.8 MPa，4號Z向拉伸強度(83.4 MPa)達5號的2倍，3號Z向拉伸強度為131.4 MPa，是5號Z向拉伸強度的3倍以上。穿刺束纖維根數為6 K的1號、2號材料，1號較2號材料的穿刺間距小，1號Z向拉伸強度(80.5 MPa)是2號材料(42.7 MPa)的近2倍。

C/C復合材料承受拉伸載荷作用，炭纖維為主要承載體。材料受到外加拉伸載荷時，碳基體容易且最先產生裂紋，碳基體產生的裂紋不改變方向通過界面擴散到炭纖維，將載荷有效地傳遞給纖維，使纖維起到增強作用，炭纖維最終發(fā)生斷裂，決定了材料的拉伸強度。纖維含量增加，增加了承載能力；纖維/基體界面增加，有利于每根纖維有效承載。在拉應力作用下，裂紋總是沿著垂直于應力的方向擴展，對于穿刺結構C/C材料，在受到Z向拉伸載荷時，沿XY向鋪層纖維取向(與Z向垂直)的碳基體層間主要靠范德華力結合，是薄弱環(huán)節(jié)，低應力下鋪層纖維間基體開裂，微裂紋通過基體碳聚集區(qū)擴展，Z向穿刺纖維束阻礙裂紋，導致裂紋偏轉沿纖維和基體界面擴展，隨著載荷的增加，當內應力達到極限破壞應力的時候，Z向穿刺纖維束發(fā)生斷裂。與文獻[6]的分析結果一致，材料在破壞過程中，基體裂紋在XY向纖維束中呈線性擴展，快速分割了基體材料，4D C/C復合材料的拉伸破壞演變?yōu)?D C/C復合材料的破壞模式[6]。所制備幾種不同結構參數穿刺C/C材料Z向拉伸斷口均沿鋪層纖維間的碳基體層間擴展，最終在Z向穿刺纖維處發(fā)生斷裂，圖2為3號材料Z向拉伸斷口的SEM形貌，基體碳與XY向炭纖維的貢獻小，Z向穿刺纖維及其含量決定了Z向拉伸強度，從圖2還可看出，穿刺纖維束整體上顯現出逐步斷裂的特征。從5號～1號材料，預制體成型過程中，穿刺間距逐漸減小，相應Z向纖維含量增加，最終所制備C/C復合材料的Z向拉伸強度提高。

圖2 3號材料Z向拉伸斷口SEM形貌Fig.2 SEM of Z-directional tensile fracture of specimen No.3

對于2號與3號材料，穿刺間距相同，而穿刺束纖維根數不同，3號穿刺束纖維根數是2號的2倍，3號Z向拉伸強度是2號的3倍，與減小穿刺間距一樣，增加穿刺束纖維根數，同樣增加了Z向纖維的含量，進一步使材料Z向拉伸強度提高。

2.1.2 穿刺結構參數對C/C復合材料XY向拉伸強度的影響

所制備穿刺C/C材料XY向拉伸強度主要受XY向鋪層纖維的影響，圖3為3號材料XY向拉伸破壞斷口特征，最終XY向纖維斷裂。1號～5號材料XY向鋪層所用炭布、網胎相同，從圖1(b)可看出，其XY向拉伸強度的差別較小，但穿刺結構參數對材料XY向拉伸強度也產生了一定影響。

圖3 3號材料XY向拉伸斷口SEM形貌Fig.3 SEM of XY-directional tensile fracture of specimen No.3

從2號與3號材料XY向拉伸強度看，在穿刺間距一致情況下，穿刺束纖維根數未對XY向拉伸強度造成影響，XY向拉伸強度分別為109.3、111.3 MPa。3號與4號穿刺間距有一定差別，XY向拉伸強度基本一致，分別為111.3、111.2 MPa， 5號材料穿刺間距較3號與4號有所增大，XY向拉伸強度降低，為96.5 MPa。與2號相比，1號材料穿刺間距減小，XY向拉伸強度降低，為76.8 MPa。分析認為，Z向穿刺纖維束對XY向鋪層炭纖維結構具有釘扎約束作用，可起到一定的增強作用，但Z向穿刺間距過小，會對XY向鋪層炭纖維結構造成一定的損害，導致材料性能下降。

從以上分析可看出，減小穿刺間距，可增大穿刺密度、提高Z向拉伸強度，穿刺間距在一定范圍內時，可獲得相對高的XY向拉伸強度。因此，在穿刺C/C材料的研制中，可根據性能要求優(yōu)化預制體設計，對Z向和XY向進行協同設計，以滿足不同的使用要求。

2.2 穿刺結構參數對C/C復合材料拉伸彈性模量和拉伸破壞延伸率的影響

對于穿刺C/C材料，Z向穿刺間距減小、穿刺纖維束根數增多，材料Z向抗拉伸變形能力提高，有利于Z向拉伸模量的提高。不同穿刺結構參數C/C復合材料的拉伸彈性模量及拉伸破壞延伸率如表3所示。從表3可看出，3號較2號材料Z向穿刺纖維束根數多，彈性模量高，約是其2倍，1號較2號、4號較5號穿刺間距小，彈性模量高。3號較4號穿刺間距略小，Z向拉伸模量基本一致。對于XY向拉伸彈性模量，隨穿刺間距增大，穿刺纖維束根數減少，材料XY向拉伸彈性模量呈增加趨勢。表3中，Z向與XY向拉伸彈性模量對比可知，XY向拉伸彈性模量整體上高于Z向拉伸彈性模量。

延伸率整體上較低，在0.17%～0.33%的范圍內。

表3 不同穿刺結構參數C/C復合材料的性能Table 3 Properties of punctured C/C with different structure parameters

2.3 高溫條件下穿刺C/C復合材料拉伸性能的變化

C/C復合材料多用于高溫環(huán)境條件下，高溫下性能的變化與高低更值得關注，測試了4號穿刺C/C復合材料在1 800 ℃高溫真空條件下的拉伸性能，與常溫拉伸性能進行對比，結果列于表4。

由表4可知，4號穿刺C/C復合材料的室溫Z向拉伸強度為83.4 MPa，高溫Z向拉伸強度為84.7 MPa；室溫XY向拉伸強度為111.2 MPa，高溫Z向拉伸強度為111.7 MPa?？煽闯?，材料在1 800 ℃高溫真空條件下的拉伸強度保持了室溫拉伸強度的水平，甚至略有提高。

表4 4號穿刺C/C復合材料高溫與常溫拉伸性能對比Table 4 Tensile properties of punctured C/C of specimen No.4 at RT and 1 800 ℃ respectively

C/C復合材料的拉伸強度主要由炭纖維決定，1 800 ℃高溫環(huán)境對主承載炭纖維的結構與性能影響不大。因此，高溫拉伸強度仍保持了室溫拉伸強度的水平。

C/C復合材料致密過程是碳基體不斷填充預制體空隙的過程，致密工藝過程決定了材料內部必然存在一定數量的孔洞、孔隙缺陷，缺陷會降低受到外力時的承載面積，引起應力集中，導致破壞的出現，如圖4所示，從而對材料力學性能產生影響。在高溫條件下晶界可滑動，并伴隨熱膨脹現象的發(fā)生，缺陷一定程度上愈合，部分缺陷尺寸甚至減小至臨界裂紋尺寸以下，內應力減小或應力集中得以釋放，不會引起材料性能的下降，甚至有利于材料性能的提高，但由于C/C復合材料的拉伸強度主要由炭纖維決定，因此拉伸強度不會因缺陷愈合有大幅度的提高。圖5為4號穿刺C/C復合材料室溫與高溫拉伸斷口SEM形貌，可看出，高溫較室溫試樣的孔隙明顯減少，且高溫試樣中孔的形狀相比室溫試樣變化明顯，孔洞室溫時多為四邊形，高溫時多為三角形，此特征在XY向拉伸試樣中比較突出。

圖4 破壞出現點Fig.4 Image of crack initiation position

(a)室溫Z向 (b)室溫XY向

(c)高溫Z向 (d)高溫XY向

從表4還可看出，無論是Z向還是XY向，高溫模量、延伸率相比室溫發(fā)生了較大變化，高溫下拉伸模量明顯降低，延伸率提高。從圖5可看出，室溫拉伸與高溫拉伸斷口區(qū)別明顯，室溫拉伸斷口比較平整，且纖維/基體間存在明顯的裂紋，而高溫拉伸斷口參差不齊，纖維及基體斷面粗糙，呈現出假塑性斷裂特征，可提高變形量，延伸率提高。

3 結論

(1)在穿刺間距為2.1 mm、穿刺束纖維根數為12 K時C/C材料獲得高拉伸強度，Z向拉伸強度131.4 MPa，XY向拉伸強度111.3 MPa。

(2)隨著穿刺間距的減小，穿刺束纖維根數的增加，Z向纖維含量增加，Z向拉伸強度提高。

(3)穿刺C/C復合材料1 800 ℃真空條件下的拉伸強度與室溫相近，拉伸模量低于室溫，延伸率高于室溫。室溫拉伸斷口比較平整，且纖維/基體間存在明顯的裂紋，而高溫拉伸試樣斷口參差不齊，纖維及基體斷面粗糙，呈現出假塑性斷裂特征。

[1] Schmidt D.Evolution of carbon-carbon composites[J].Sampe,1996,32(4):36-42.

[2] Savage E.Carbon/carbon composites[M].London: Chapman & Hall,1993:15-20.

[3] 張曉虎,李賀軍,郝志彪,等.預制體結構對C/C噴管出口錐材料力學性能的影響[J].固體火箭技術,2006,29(5):380-383.

[4] Alain Lacombe,Thierry Pichon,Marc Lacoste． 3D carbon/carbon composites are revolutionizing upper stage liquid rocket engine performance by allowing introduction of large nozzle extension[R]． AIAA 2009-2678.

[5] 劉文一,楊涓,毛根旺,等.電子回旋共振推力器C/C復合材料柵極的力學性能[J].推進技術,2007,28(6):692-696.

[6] 吳小軍,喬生儒,程文,等.軟硬混編預制體增強瀝青基4D-C/C材料的拉伸破壞行為[J].新型炭材料,2013,28(4):300.

[7] 王寶來,梁軍,劉洋,等.三維編織細編穿刺炭/ 炭復合材料拉伸與壓縮性能及試件尺寸效應研究[J].固體火箭技術,2008,31(2):184-187.

(編輯：薛永利)

Influence of punctured structure parameters on tensile performance of C/C composite

XIE Hui-zhen1，2,CUI Hong1,LI Rui-zhen1,QIN Shu-ying1,SUN Jian-tao1,LI Jin1

(1.Xi'an Aerospace Composites Research Institute,Xi'an 710025,China；2.National and Local Union Engineering Research Center of High-performance Carbon Fiber Manufacture and Application,Xi'an 710089,China)

Carbon fiber bundles with different distance and fiber content were punctured to form carbon fiber preforms. The preforms were densified by CVI and pitch impregnation-high pressure carbonization process. The results show that the material punctured by 12 K bundles with a distance of 2.1 mm displays tensile strength of 131.4 MPa alongZ-direction and 111.3 MPa alongXY-direction. With the bundle distance decreasing and the fiber amount of punctured bundle increasing,increase of theZ-directional carbon fiber volume result in increasing tensile strength alongZ-direction obviously. The tensile strength under vacuum and 1 800 ℃ condition is similar to that under room temperature;the tensile modulus is lower and the tensile elongation is higher than that under room temperature. The tensile fracture surface of sample tested at room temperature is flat and smooth;there are obvious cracks in the interface between fiber and matrix. On the contrary,the tensile fracture surface of the sample tested at 1800℃ is rough,both the fibers and matrix fracture surface are rough,which present pseudoplastic characters.

C/C composite;punctured distance;fiber amount of punctured bundle;tensile strength;tensile modulus;high temperature performance

2014-04-20；

：2014-05-15。

國家自然科學基金資助項目(51202233)。

解惠貞(1973—)，女，高級工程師，研究方向為耐高溫復合材料。E-mail:xiehuizhen1973@163.com

V258

A

1006-2793(2015)01-0107-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.021