鄭 偉 林志遠(yuǎn) 劉 芹 李 耿 侯 曉

（1 西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所，西安 710025）（2 航天動(dòng)力技術(shù)研究院，西安 710025）

0 引言

C／C復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、熱穩(wěn)定性及抗燒蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在高溫環(huán)境中取得了廣泛應(yīng)用［1］。因準(zhǔn)三維針刺碳布／網(wǎng)胎復(fù)合織物的特殊結(jié)構(gòu)，針刺C／C復(fù)合材料被應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高空噴管擴(kuò)張段部件以大幅減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的消極質(zhì)量，成為先進(jìn)戰(zhàn)略導(dǎo)彈獲得高性能、高可靠性、高沖質(zhì)比噴管的技術(shù)保證和重要依托［2－3］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)三維編織C／C復(fù)合材料的高溫性能試驗(yàn)研究較多，而對(duì)準(zhǔn)三維針刺C／C復(fù)合材料的高溫特性研究尚處于起步階段，尚未充分認(rèn)識(shí)其高溫力學(xué)性能表征機(jī)理［4－6］。

本文設(shè)計(jì)了針刺C／C復(fù)合材料高溫拉壓試驗(yàn)，分析其力學(xué)性能參數(shù)（如：強(qiáng)度、模量等）隨溫度的變化規(guī)律，并基于針刺C／C復(fù)合材料試樣的宏觀／細(xì)／微觀斷口形貌，確定材料在不同溫度下的失效模式，為指導(dǎo)針刺C／C復(fù)合材料工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

1.1.1 試樣

針刺C／C復(fù)合材料預(yù)制體每一周期單元由軸向鋪層（0°）、環(huán)向鋪層（90°）、雙斜向鋪層（±45°）組成。試驗(yàn)件的構(gòu)型共有板形拉伸、板形壓縮兩種，測(cè)試方法按 Q／QJA 207—2014。

1.1.2 設(shè)備

50T DNS50電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司。鑒于試驗(yàn)環(huán)境溫度高，以高強(qiáng)度C／C材料制造加載塊，并采用冷卻水系統(tǒng)確保負(fù)載傳感器和傳動(dòng)裝置正常工作。利用水冷接觸式引伸計(jì)及基于三維圖像技術(shù)的Vic－3D測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試樣應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。

1.2 性能測(cè)試

在哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所開展針刺C／C復(fù)合材料高溫拉伸、壓縮試驗(yàn)。分別取20、800、1 200、1 600 及 1 800℃。 試驗(yàn)前測(cè)量針刺 C／C高溫拉伸、壓縮試件測(cè)試段的尺寸。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)并預(yù)熱15 min以上，全面檢查試驗(yàn)系統(tǒng)，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài)。隨后，安裝、調(diào)整試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)件以及應(yīng)變采集系統(tǒng)，保證試樣狀態(tài)滿足試驗(yàn)要求。

先對(duì)試樣施加預(yù)載荷，待測(cè)試樣與壓頭良好接觸，預(yù)加載載荷小于預(yù)估破壞載荷的5%，檢查試驗(yàn)工裝和應(yīng)變采集系統(tǒng)；對(duì)試樣加熱，恒定預(yù)載荷，以消除試樣熱膨脹引起的熱應(yīng)力；以規(guī)定的溫控程序、橫梁位移速率對(duì)試樣進(jìn)行加熱與恒定速率加載，保溫30～50 s，同步采集載荷、變形數(shù)據(jù)直至試樣破壞。

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

1 200℃下，試樣的拉伸、壓縮載荷位移曲線如圖1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，針刺C／C復(fù)合材料呈現(xiàn)彈脆性材料特性，以材料彈性模量及強(qiáng)度對(duì)材料進(jìn)行表征，取應(yīng)力－應(yīng)變曲線中間平滑區(qū)域進(jìn)行線性擬合得到彈性模量，典型數(shù)據(jù)處理方法見圖2。

圖1 1 200℃時(shí)試樣的拉壓載荷位移曲線Fig.1 Tensile and compressive load?displacement curves of specimen at 1200℃

圖2 1 200℃時(shí)試樣的拉、壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Tensile and compressive stress?strain curves of specimen at 1200℃

2.2 結(jié)果與討論

在20～1 800℃，針刺C／C試樣的拉壓測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)，試樣拉伸與壓縮性能不同，表現(xiàn)出明顯的拉壓雙模量特性；試樣的拉壓模量均隨著溫度的升高而線性下降；且拉伸模量下降更快。依據(jù)圖3（b）可知試樣的拉伸、壓縮強(qiáng)度均隨溫度升高而先升高后降低：拉伸強(qiáng)度在1 600℃時(shí)達(dá)到最大值181.8 MPa，壓縮強(qiáng)度在1 200℃時(shí)達(dá)到最大值195.8 MPa；1 800℃時(shí)針刺C／C 復(fù)合材料自身的拉伸及壓縮強(qiáng)度均明顯降低。

圖3 試樣拉壓彈性模量及強(qiáng)度隨溫度的變化情況Fig.3 Elastic modulus and strength of specimen changes with temperature under tensile and compressive

以常溫試驗(yàn)的溫度T0及模量E0作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高溫試驗(yàn)參數(shù)（溫度為T、模量為E）進(jìn)行無(wú)量綱化（無(wú)量綱化時(shí)溫度單位為 K，E?＝E／E0，T?＝T／T0），可獲得針刺C／C試樣的拉壓模量隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系：

不同溫度下試樣的拉伸、壓縮斷裂破壞形貌見圖4。由圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)，高溫拉伸下試樣斷口比較平整，斷面與試樣軸線基本垂直，這說(shuō)明試樣是拉應(yīng)力作用下導(dǎo)致其纖維斷裂所致。拉伸試驗(yàn)后纖維拔出尺寸較短，斷口呈現(xiàn)45°豁口，這主要是因存在沿45°方向鋪設(shè)的纖維所引發(fā)。另一方面，由圖4（b）可知，高溫壓縮下試樣破壞面均為斜壓破壞形式，破壞面傾角為40°～50°，其材料損傷特征表現(xiàn)為典型剪應(yīng)力引起的壓縮失效。

圖4 不同溫度下試樣的拉伸及壓縮破壞形貌Fig.4 Tensile and compressive failure mode of specimen at different temperatures

3 結(jié)論

（1）在室溫至1 800℃，針刺C／C復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的拉、壓雙模量特性，拉伸、壓縮模量均隨著試驗(yàn)溫度的升高呈現(xiàn)線性下降的關(guān)系；且拉伸模量下降速率更快。

（2）在室溫至1 800℃，針刺C／C復(fù)合材料拉伸、壓縮強(qiáng)度均隨溫度升高而先升高后降低，1 600℃時(shí)拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，1 200℃時(shí)壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值。

（3）在室溫至1 800℃，針刺C／C復(fù)合材料拉伸破壞表現(xiàn)為脆性斷裂，且斷口呈現(xiàn)45°豁口。

（4）在室溫至1 800℃，針刺C／C復(fù)合材料壓縮破壞呈現(xiàn)為典型剪應(yīng)力引起的壓縮失效，破壞面傾角為 40°～50°。

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