張敬義 范錦鵬 杜雪菲 趙建設(shè) 張大海

(航天材料及工藝研究所，先進(jìn)功能復(fù)合材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076)

彎曲纖維對(duì)SiO2f/SiO2復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

張敬義 范錦鵬 杜雪菲 趙建設(shè) 張大海

(航天材料及工藝研究所，先進(jìn)功能復(fù)合材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076)

文 摘 以SiO2f織物作為增強(qiáng)相，采用循環(huán)浸漬固化工藝，制備了SiO2f/SiO2復(fù)合材料。在制備過(guò)程中，通過(guò)對(duì)SiO2f織物進(jìn)行模壓處理，使SiO2f呈現(xiàn)出不同程度的彎曲，測(cè)定了纖維彎曲后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，研究了纖維彎曲時(shí)復(fù)合材料的斷裂過(guò)程。結(jié)果表明：彎曲纖維將導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度下降，最低拉伸強(qiáng)度僅為5.5 MPa，纖維彎曲時(shí)復(fù)合材料的斷裂過(guò)程為逐層斷裂，斷裂應(yīng)變?cè)黾?，最大斷裂?yīng)變達(dá)到1.19%。

SiO2f，彎曲纖維，復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度

0 引言

以SiO2f作為增強(qiáng)相、無(wú)定形SiO2為基體[1-3]的SiO2f/SiO2復(fù)合材料，既具有石英優(yōu)異的介電性能，同時(shí)具備良好的結(jié)構(gòu)可靠性和抗熱沖擊性能[4-5]，是高溫透波復(fù)合材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，目前已在高溫透波領(lǐng)域獲得了工程應(yīng)用[6-8]。在復(fù)合材料構(gòu)件成型過(guò)程中，SiO2f會(huì)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，對(duì)材料的力學(xué)性能造成影響。本文對(duì)纖維彎曲狀態(tài)下復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂過(guò)程進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 復(fù)合材料的制備

將SiO2f織物放入具有一定弧形結(jié)構(gòu)的模具中進(jìn)行模壓，如圖1所示，使纖維發(fā)生彎曲，之后通過(guò)循環(huán)浸漬固化工藝，制備出纖維處于彎曲狀態(tài)的復(fù)合材料。通過(guò)改變模具的弧度，得到纖維彎曲程度不同的復(fù)合材料。

圖1 復(fù)合材料的制備工藝過(guò)程

1.2 性能測(cè)試

對(duì)試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)試(DqES396—2002)。將被測(cè)試樣加工成直條體，長(zhǎng)度150 mm，截面尺寸為16 mm×16 mm，在試樣兩端夾持段粘接加強(qiáng)片，加強(qiáng)片用1～2 mm厚的硬鋁，加強(qiáng)片尺寸為16 mm×50 mm。選用的膠黏劑和膠接工藝不改變被測(cè)材料的性能，試驗(yàn)過(guò)程中膠接面不脫粘。試樣施加軸向拉伸載荷，直至試樣破壞。根據(jù)最大載荷計(jì)算拉伸強(qiáng)度；根據(jù)載荷縱向應(yīng)變曲線上初始直線段的載荷與變形增量計(jì)算拉伸模量，由曲線上最大載荷對(duì)應(yīng)的總變形量計(jì)算斷裂應(yīng)變。拉伸強(qiáng)度按公式(1)計(jì)算，拉伸模量按公式(2)計(jì)算，斷裂應(yīng)變按公式(3)計(jì)算。

(1)

式中,σt為拉伸強(qiáng)度，F(xiàn)為試樣破壞時(shí)的最大載荷，b為試樣工作段寬度，δ為試樣工作段厚度。

(2)

式中,Et為彈性模量，F(xiàn)為載荷縱向變形曲線上初始直線段的載荷增量，Lo為引伸計(jì)標(biāo)距，L為載荷縱向變形曲線上與F相對(duì)應(yīng)的縱向變形增量。

(3)

式中,εt為斷裂應(yīng)變，Lt為載荷縱向變形曲線上與最大載荷相對(duì)應(yīng)的總變形量。

2 結(jié)果與討論

2.1 彎曲纖維對(duì)SiO2f/SiO2拉伸強(qiáng)度的影響

圖2為不同彎曲程度的纖維拉伸試樣的斷裂情況，虛線標(biāo)記了纖維的彎曲程度?？梢钥闯?，隨著纖維彎曲程度的增加，斷口變得不平整，同時(shí)斷口方向不再與試樣長(zhǎng)度方向垂直。表1為纖維不同彎曲程度試樣的拉伸強(qiáng)度，試樣a中纖維未出現(xiàn)明顯彎曲，拉伸強(qiáng)度為75.3 MPa，試樣b中纖維呈現(xiàn)出一定程度的彎曲，拉伸強(qiáng)度為50.7 MPa，試樣c中纖維的彎曲程度相對(duì)試樣b更加嚴(yán)重，拉伸強(qiáng)度下降到18.2 MPa，同時(shí)斷口方向不再與試樣長(zhǎng)度方向垂直，試樣d纖維的彎曲程度最嚴(yán)重，拉伸強(qiáng)度僅有5.5 MPa，同時(shí)斷口方向也不與試樣長(zhǎng)度方向垂直。根據(jù)上述分析可知，纖維的彎曲程度越大，試樣的拉伸強(qiáng)度越低，從斷口形貌和斷裂應(yīng)變來(lái)看，纖維的彎曲引起了試樣斷裂模式的變化。

圖2 彎曲纖維試樣照片

表1 彎曲纖維試樣的拉伸強(qiáng)度

2.2 彎曲纖維試樣斷裂模式

對(duì)于彎曲纖維的SiO2f/SiO2復(fù)合材料試樣，在加工過(guò)程中會(huì)造成試樣表面纖維的斷裂，使部分纖維不連續(xù)，如圖3所示。試樣a中纖維未出現(xiàn)明顯彎曲，在整個(gè)試樣厚度方向纖維都是連續(xù)的，試樣d中纖維出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲，在試樣厚度方向接近二分之一的纖維處于不連續(xù)狀態(tài)。

圖3 試樣斷口照片

對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，纖維是主要的受力載體，不連續(xù)的纖維無(wú)法有效地傳遞載荷，反而成為材料缺陷，在測(cè)試過(guò)程中，試樣破壞始于邊緣部位不連續(xù)纖維層，如圖3中箭頭所示，之后裂紋沿試樣厚度方向向內(nèi)逐漸擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至連續(xù)纖維層處時(shí)，測(cè)試應(yīng)力達(dá)到最大，連續(xù)纖維層破壞之后裂紋繼續(xù)擴(kuò)展至對(duì)側(cè)不連續(xù)纖維層處，測(cè)試應(yīng)力逐漸減小。所以，對(duì)于纖維彎曲的復(fù)合材料而言，試樣中連續(xù)纖維層數(shù)越多，試樣的拉伸強(qiáng)度越高。上述斷裂過(guò)程從圖4可以清晰的反應(yīng)出來(lái)。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試樣a的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的脆性斷裂，斷裂過(guò)程中各層纖維同時(shí)斷裂，試樣的位移較小，斷裂應(yīng)變?yōu)?.79%；試樣b中由于纖維彎曲在試樣表面產(chǎn)生了少量的不連續(xù)纖維層，成為試樣破壞的起始位置，不連續(xù)纖維層破壞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的位移，之后載荷施加于連續(xù)纖維層上直至破壞，因此，試樣b整個(gè)破壞過(guò)程的位移量相對(duì)試樣a有所增加，斷裂應(yīng)變達(dá)到0.92%；同理，試樣c由于纖維彎曲程度的增加導(dǎo)致不連續(xù)纖維層數(shù)增加，相應(yīng)的斷裂過(guò)程產(chǎn)生了更多的位移，斷裂應(yīng)變達(dá)到1.19%；對(duì)于試樣d，由于纖維彎曲最為嚴(yán)重，連續(xù)纖維層數(shù)較少，在不連續(xù)纖維層破壞過(guò)程中，試樣由于部分?jǐn)嗔讯x拉力方向，纖維層的受力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榱思魬?yīng)力，導(dǎo)致連續(xù)纖維層出現(xiàn)逐層斷裂現(xiàn)象，試樣的拉伸強(qiáng)度僅為5.5 MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?.46%。

3 結(jié)論

(1)纖維的彎曲將導(dǎo)致SiO2f/SiO2復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的下降，纖維的彎曲程度越大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度越低，最低僅為5.5 MPa。

(2)纖維的彎曲造成復(fù)合材料中產(chǎn)生不連續(xù)纖維層，斷裂過(guò)程以此為起始點(diǎn)逐層斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料斷裂應(yīng)變?cè)黾?，最大斷裂?yīng)變達(dá)到1.19%。

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Effect of Bending Fiber on Tensile Strength of SiO2f/SiO2Composites

ZHANG Jingyi FAN Jinpeng DU Xuefei ZHAO Jianshe ZHANG Dahai

(Science and Technology on Advanced Functional Composites Laboratory,Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology,Beijing 100076)

SiO2f/SiO2composites were prepared through repeated infiltration and solidification process, using quartz fabric. Quartz fiber waviness was generated by molding. The tensile strength of SiO2f/SiO2composites with bending fibers were tested. The fracture process was studied. The results showed that bending fiber will lead to the decrease of tensile strength. The minimum tensile strength was 5.5 MPa. The composites with curved fibers fractured layer by layer. The bending fiber will lead to the increase of fracture strain, the maximum fracture strain was 1.19%.

Quartz fiber, Bending fiber, Composite, Tensile strength

2017-03-28

張敬義，1981年出生，高級(jí)工程師，主要從事高溫透波材料研究。E-mail：zhangjingyi712@163.com

TB33

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.010