劉善華，邱海鵬，王 嶺，陳明偉，謝巍杰，李寶偉，張冰玉，梁艷媛，焦春榮

(1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 技術(shù)發(fā)展部，北京 101300；2.先進(jìn)復(fù)合材料重點實驗室，北京 100095)

2017-03-04；

2017-03-27。

劉善華(1984—)，男，博士，研究方向為陶瓷基復(fù)合材料。E-mailshanhualiu@yahoo.com

纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力關(guān)系

劉善華1,2，邱海鵬1,2，王 嶺1,2，陳明偉1,2，謝巍杰1,2，李寶偉1,2，張冰玉1,2，梁艷媛1,2，焦春榮1,2

(1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 技術(shù)發(fā)展部，北京 101300；2.先進(jìn)復(fù)合材料重點實驗室，北京 100095)

從細(xì)觀力學(xué)角度分析并建立了纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料從制備溫度冷卻到室溫過程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力與復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力的關(guān)系模型。該模型表明，減少復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力或提高復(fù)合材料的纖維與基體的模量比，均可提高復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力。通過單調(diào)拉伸實驗測試了先驅(qū)體浸漬裂解法(PIP)制備的 2D SiC/SiC復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力，并采用文中建立的比例極限應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力關(guān)系模型，計算出復(fù)合材料SiC基體的殘余熱應(yīng)力為-19.5 MPa。分析表明，該結(jié)果是合理的。此外，引用了公開文獻(xiàn)報道的5種復(fù)合材料體系數(shù)據(jù)，用于驗證文中所建立的比例極限應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力關(guān)系模型的適應(yīng)性和可靠性，計算結(jié)果與實驗結(jié)果最大誤差為18.6%，表明該模型具有較好的適應(yīng)性和可靠性，可為纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的研究提供新思路。

陶瓷基體；纖維；復(fù)合材料；殘余熱應(yīng)力；比例極限應(yīng)力

0 引言

連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料(CFRCMC)因具有耐高溫、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，且具有類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、無災(zāi)難性損毀等特點，使其具有接替高溫合金作為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的潛力，應(yīng)用范圍包括航空、航天飛行器，地面?zhèn)鬏?、核能以及化工等領(lǐng)域[1-6]。

CFRCMC一般在高溫下制備，由于纖維的熱膨脹系數(shù)與基體的熱膨脹系數(shù)不匹配，當(dāng)復(fù)合材料從制備溫度冷卻到室溫時會產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力(Residual thermal stress, RTS)。當(dāng)纖維的熱膨脹小于基體的熱膨脹系數(shù)時，在室溫下基體受殘余拉應(yīng)力，而纖維受殘余壓應(yīng)力。在室溫下，基體受殘余拉應(yīng)力時，往往使基體存在微裂紋。此外，當(dāng)復(fù)合材料受外在拉應(yīng)力時，基體所受的殘余拉應(yīng)力會與復(fù)合材料所受的拉應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng)，引起基體過早開裂，降低復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力(Proportion Limit Stress,PLS)，從而使基體失去承載、保護(hù)界面和纖維的作用。當(dāng)基體的熱膨脹系數(shù)小于纖維的熱膨脹系數(shù)時，在室溫下基體受壓應(yīng)力，而纖維受拉應(yīng)力。然而，當(dāng)復(fù)合材料的服役溫度高于復(fù)合材料的制備溫度時，基體受拉應(yīng)力，而纖維受壓應(yīng)力。因此，復(fù)合材料在高于制備溫度下受載時，基體的殘余拉應(yīng)力同樣與基體所受的外部應(yīng)力疊加，降低復(fù)合材料的高溫比例極限應(yīng)力，造成復(fù)合材料在高溫下過早開裂，影響復(fù)合材料的使用效能。所以，比例極限應(yīng)力往往作為CFRCMC結(jié)構(gòu)件的設(shè)計準(zhǔn)則，研究復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力和殘余熱應(yīng)力的關(guān)系至關(guān)重要[7-8]。

關(guān)于復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力的關(guān)系已有較多文獻(xiàn)報道[9-12]，不同文獻(xiàn)從不同的研究角度出發(fā)，得到了不同的PLS和RTS的關(guān)系式，為陶瓷基復(fù)合材料的研究和性能提高提供了思路。然而，先前文獻(xiàn)報道的PLS和RTS的關(guān)系式中包含的變量較多，且有的變量數(shù)據(jù)值不易獲取，增加了關(guān)系式的應(yīng)用難度。本文從細(xì)觀力學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的損傷變形特點以及受外在應(yīng)力時的載荷分配原理，建立連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的PLS和RTS的關(guān)系，并與實驗數(shù)據(jù)對比分析。此外，為進(jìn)一步驗證本文建立的PLS和RTS關(guān)系式的適應(yīng)性和可靠性，選用了公開發(fā)表的多篇文獻(xiàn)，將各自文獻(xiàn)報道的CFRCMC的相應(yīng)數(shù)據(jù)引入本文建立的PLS和RTS關(guān)系式中驗證。

1 試驗過程與CFRCMC的模型假設(shè)

1.1 PIP 2D SiC/SiC復(fù)合材料的制備與性能測試

SiC纖維選用國防科技大學(xué)制備的SiC纖維(KD-II，1 K/束，直徑(11.5±1)μm，彈性模量220 GPa，熱膨脹系數(shù)3.5×10-6K-1)，SiC纖維布由宜興新立織造有限公司制備，SiC陶瓷先驅(qū)體選用國防科技大學(xué)制備的液態(tài)聚碳硅烷(LPCS)，與傳統(tǒng)的固態(tài)聚碳硅烷(PCS)相比，LPCS的SiC陶瓷產(chǎn)率高，復(fù)合材料致密化周期短，采用該先驅(qū)體在不同溫度條件下裂解后，獲得SiC陶瓷的彈性模量約60～90 GPa，熱膨脹系數(shù)約3×10-6K-1左右。

PIP 2D SiC/SiC復(fù)合材料的制備工藝路線如圖1所示。首先，將KD-II SiC纖維平紋布鋪層疊放，鋪層厚度3 mm，放入石墨模具中定型，纖維體積分?jǐn)?shù)40%；采用化學(xué)氣相滲透工藝(CVI)，在纖維表面制備PyC界面層，PyC界面層以丙烷(C3H8)為氣源，氬氣(Ar)為稀釋氣體，沉積溫度900 ℃，系統(tǒng)總壓為3 kPa，沉積5～10 h后，得到PyC界面層厚度為100～200 nm；將沉積PyC界面層的SiC纖維預(yù)制體在真空條件下浸漬LPCS，形成SiC/SiC復(fù)合材料坯體，而后放入烘箱交聯(lián)、固化(300 ℃，4 h)，將固化的SiC/SiC復(fù)合材料坯體放入高溫爐內(nèi)裂解，采用氮氣(N2)保護(hù)(爐內(nèi)壓力0.1 MPa)，裂解溫度1000 ℃，時間2 h；重復(fù)浸漬—固化—裂解過程多次，待SiC/SiC復(fù)合材料的增重率小于3%時，完成材料的致密化過程，得到的SiC/SiC復(fù)合材料的密度為2.2 g/cm3。

將制備的2D SiC/SiC復(fù)合材料加工成120 mm×10 mm×3 mm的狗骨頭狀拉伸試樣，如圖2所示。單調(diào)拉伸實驗在INSTRON 8801(INSTRON Ltd.,High Wycombe,England)實驗機(jī)上測試，加載速率為0.05 mm/min，復(fù)合材料應(yīng)變采用標(biāo)距為25 mm的INSTRON接觸式引伸計測量，利用拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始線性段斜率，計算復(fù)合材料的彈性模量。

1.2 CFRCMC的模型假設(shè)

宏觀上，通過單調(diào)拉伸實驗，可得CFRCMC的比例極限應(yīng)力，通過理論計算或加載-卸載的方式，可獲得復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力[13-14]。然而，要研究復(fù)合材料在受外力條件下的變形和破壞機(jī)理，建立復(fù)合材料比例極限應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力的關(guān)系模型，需要分析纖維和基體的承載與變形機(jī)理。

(1)各結(jié)構(gòu)單元是均勻的，纖維平行等間距排列。

(2)加載應(yīng)力σ≤σPLS(復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力)時，復(fù)合材料的變形是彈性變形，各結(jié)構(gòu)單元是連續(xù)的，即認(rèn)為纖維和基體結(jié)合良好，且因CFRCMC界面層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小(一般小于5%)，故該模型不考慮界面層。因此，在受力時，基體和纖維的應(yīng)變相等，且纖維和基體間不產(chǎn)生橫向應(yīng)變。

(3)由于纖維和基體的熱膨脹系數(shù)不匹配，當(dāng)纖維的軸向熱膨脹系數(shù)小于基體的軸向熱膨脹系數(shù)時，室溫下纖維受殘余壓應(yīng)力，基體受殘余拉應(yīng)力；反之，則應(yīng)力狀態(tài)與之相反。

2 結(jié)果與討論

2.1 PLS與RTS關(guān)系模型的建立

設(shè)作用在代表性結(jié)構(gòu)單元模型(圖3)上的力為P，細(xì)觀上P分別由纖維和基體來承受，即

P=Pf+Pm

(1)

當(dāng)用應(yīng)力σ表示時，則有

σA=σfAf+σmAm

(2)

式中σ、σf和σm分別為作用在復(fù)合材料、纖維和基體上的應(yīng)力；A、Af和Am分別為復(fù)合材料、纖維和基體的面積。

纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)為

Vf=Af/A;Vm=Am/A;Vf+Vm=1

(3)

結(jié)合式(2)和式(3)，則有

σ=σfVf+σm(1-Vf)

(4)

根據(jù)基本假設(shè)(2)，可知

ε=εf=εm

(5)

σ=Eε；σf=Efεf；σm=Emεm

(6)

將式(5)和式(6)代入式(4)，得

E=EfVf+Em(1-Vf)

(7)

因此，在載荷P時，纖維和基體承擔(dān)的載荷比分別為

(8)

根據(jù)式(8)可知，σ應(yīng)力下，纖維和基體的承載應(yīng)力分別為

(9)

式(9)表明，纖維和基體承受的應(yīng)力分別與各自模量與復(fù)合材料的模量之比正相關(guān)。

考慮到纖維和基體在室溫下的殘余熱應(yīng)力，式(9)可改寫為

(10)

CFRCMC比例極限應(yīng)力的判據(jù)之一是復(fù)合材料的應(yīng)變等于0.05%[13]。根據(jù)式(10)，復(fù)合材料在外應(yīng)力作用下的應(yīng)變?yōu)?.05%時，基體承受的應(yīng)力為

(11)

從式(11)可得

(12)

將等式(7)代入(12)，可得

(13)

根據(jù)先前假設(shè)(1)，纖維在復(fù)合材料內(nèi)部平行排列，但在實際復(fù)合材料內(nèi)部，纖維是以二維平紋布或以2.5D、3D四向等編織方式存在，如圖4所示。因此，需要引入一個纖維有效因子μ：

(1)2D平紋布復(fù)合材料，其纖維為0°和90°正交均勻排列，μ=0.5；

(2)2.5D編織結(jié)構(gòu)μ=X/(X+Y)，其中X和Y分別為經(jīng)紗(拉伸方向)和緯紗方向的纖維密度；

(3)3D四向編織結(jié)構(gòu)μ=cosθ，其中θ是織物編織角。

因此，考慮到纖維在復(fù)合材料中的編織結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料PLS與RTS的關(guān)系為

(14)

式(14)表明，減小基體的殘余熱應(yīng)力或提高纖維與基體的模量比，均可提高復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力。

2.2 PLS與RTS關(guān)系模型的實驗驗證

圖5是PIP 工藝制備的2D SiC/SiC復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，其斷裂應(yīng)變和抗拉強(qiáng)度分別為0.54%和278 MPa。2D SiC/SiC復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線包含典型的線性段和非線性段，表現(xiàn)出良好的非災(zāi)難性斷裂特征。從復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得到復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力，取其線性段區(qū)域A，放大區(qū)域A后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制于圖5右下角。本文采用三種方法確定復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力，分別是肉眼觀察法(σPLS-eye)[13]、0.005%應(yīng)變偏移法(σPLS-0.005%-Strain offset)[15-16]，以及0.05%應(yīng)變法(σPLS-0.05%)[17]，上述三種方法確定復(fù)合材料比例極限應(yīng)力的詳細(xì)描述見對應(yīng)文獻(xiàn)。依據(jù)上述三種不同方法獲得PIP 2D SiC/SiC復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力分別為68、84、84 MPa，三種方法得到的不同比例極限應(yīng)力的平均值為79 MPa。對復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性段進(jìn)行擬合(應(yīng)力區(qū)間一般選取0～40 MPa)，可得到其復(fù)合材料的彈性模量，擬合后如圖5左下角所示，復(fù)合材料的彈性模量為133 GPa。而后，根據(jù)式(7)計算得到PIP SiC基體的彈性模量為75 GPa，該值與LPCS供應(yīng)商(國防科技大學(xué))提供的數(shù)據(jù)吻合(60～90 GPa)。

將復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力、基體的彈性模量、有效纖維體積分?jǐn)?shù)以及纖維的彈性模量等參數(shù)代入式(14)，計算得到復(fù)合材料的基體在室溫下受-19.5 MPa的殘余壓應(yīng)力，該值是合理的，因為LPCS供應(yīng)商(國防科技大學(xué))提供的不同溫度條件下制備的SiC基體的熱膨脹系數(shù)約3×10-6K-1左右，略小于二代SiC纖維的熱膨脹系數(shù)。因此，采用該先驅(qū)體制備的2D SiC/SiC復(fù)合材料基體在室溫下受微小壓應(yīng)力。

為進(jìn)一步驗證本文建立的PLS和RTS的關(guān)系式的適應(yīng)性和可靠性，選取了不同文獻(xiàn)報道的五種材料體系及其相應(yīng)數(shù)據(jù)，包括2D Syramic-IBN/SiC[18-19]、2D Nicalon/CAS[20]、3D Hi-Nicalon SiC/SiC[13]、3D C/SiC[14]和2.5 C/SiC[14]復(fù)合材料。上述五種復(fù)合材料的數(shù)據(jù)信息列于表1中。需要說明的是表1中，除纖維有效因子μ的值是本文根據(jù)不同的預(yù)制體結(jié)構(gòu)計算得到外，其余數(shù)據(jù)均來自文獻(xiàn)報道。

表1 用于驗證PLS與RTS關(guān)系式的不同復(fù)合材料體系數(shù)據(jù)

分別將表1中的不同復(fù)合材料體系的殘余熱應(yīng)力值代入式(14)中，計算復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力。將計算結(jié)果和相應(yīng)文獻(xiàn)中報道的復(fù)合材料比例極限應(yīng)力值一并列于表2中用于對比?？煽闯?，根據(jù)不同文獻(xiàn)報道的材料體系計算結(jié)果看，計算值與實測值誤差百分比一般小于12%，最大18.6%。對纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料而言，該誤差范圍可接受，表明本文建立的細(xì)觀力學(xué)模型可反映復(fù)合材料比例極限應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力的關(guān)系。此外，當(dāng)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的研究者先獲得復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力時，可通過該數(shù)學(xué)模型計算出復(fù)合材料的殘余熱應(yīng)力。

表2 計算的PLS與實際測量的PLS對比

3 結(jié)論

(1)采用復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)分析方法，建立了纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。該模型表明，減小基體的殘余熱應(yīng)力或提高纖維與基體的模量比，均可提高復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力。

(2)采用液態(tài)先驅(qū)體浸漬裂解工藝，制備了2D SiC/SiC復(fù)合材料，通過單調(diào)拉伸試驗，得到了復(fù)合材料的比例極限應(yīng)力，并采用本文建立的比例極限應(yīng)力和殘余熱應(yīng)力的關(guān)系模型，計算得到了PIP工藝制備的SiC基體在SiC/SiC復(fù)合材料中受約-19.5 MPa的殘余壓應(yīng)力，該結(jié)果與PIP SiC基體的熱膨脹系數(shù)略小于SiC纖維的熱膨脹系數(shù)而導(dǎo)致的結(jié)果吻合。采用文獻(xiàn)公開報道的數(shù)據(jù)，驗證了本文建立的比例極限應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力的關(guān)系模型，計算結(jié)果與實際測量結(jié)果的誤差一般小于12%，最大誤差為18.6%，表明該模型具有較好的適應(yīng)性和可靠性。

(3)本文建立的比例極限應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力關(guān)系模型可適用于多種纖維和多種基體組成的陶瓷基復(fù)合材料，且該數(shù)學(xué)模型中的變量值容易確定，使用方便，可為纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的研究提供新思路。

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RelationshipsbetweenproportionlimitstressandresidualthermalstressforCFRCMC

LIU Shan-hua1,2,QIU Hai-peng1,2,WANG Ling1,2,CHEN Ming-wei1,2,XIE Wei-jie1,2, LI Bao-wei1,2,ZHANG Bing-yu1,2,LIANG Yan-yuan1,2,JIAO Chun-rong1,2

(1.ACIV Composite Corporation LTD,Technical Development Department, Beijing 101300,China;2.The National Key Laboratory of Advanced Composite Materials,Beijing 100095,China)

The relational model between the proportion limit stress (PLS) of continuous fiber reinforced ceramic matrix composites (CFRCMC) and the residual thermal stress (RTS) due to cooling down from the fabricating temperature to room temperature by the mesomechanics view.The PLS and RTS relational model shows that either decreasing the RTS in the CFRCMC or improving modulus ratio of fiber to matrix could enhance the PLS of the CFRCMC.The PLS of 2D SiC/SiC composites fabricated by Polymer Impregnation Pyrolysis (PIP) process was obtained by the unidirectional tensile test,and the RTS in SiC matrix with a reasonable value of -19.5 MPa was calculated by the relational model.In addition,the paper referred to five kinds of CFRCMC systems data reported in published literatures to verify the adaptability and reliability of the paper established PLS and RTS relation model.The results show that the maximum deviation between the calculated results the experimental ones is 18.6%,which means that the PLS and RTS relational model has good adaptability and reliability,and then,it may provide a novel train of thought for the CFRCMC research.

ceramic matrix;fiber;composites;residual thermal stress;proportion limit stress

V258

A

1006-2793(2017)05-0648-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.05.020

(編輯：崔賢彬)