蘭澤宇，余歡，徐志鋒，帥亮，胡銀生

南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063

碳纖維是現(xiàn)在材料領(lǐng)域競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)，同時(shí)也在各行各業(yè)中逐漸被廣泛應(yīng)用。將碳纖維按照所需結(jié)構(gòu)織成預(yù)制體，再與基體材料相結(jié)合是目前制備復(fù)合材料常用的方法。采用編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料可以直接成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)，避免后續(xù)加工，可解決工程上制備復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的難點(diǎn)問(wèn)題。目前采用編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料已應(yīng)用在一些飛機(jī)的關(guān)鍵承力部位及重要結(jié)構(gòu)件上，如發(fā)動(dòng)機(jī)的包容性機(jī)匣、風(fēng)扇葉片、機(jī)身壁板及窗框、直升機(jī)的旋翼及傳動(dòng)軸等；對(duì)于傳統(tǒng)制造工藝難以制備的變截面薄壁結(jié)構(gòu)件如雷達(dá)罩、尾噴管以及渦輪導(dǎo)向葉片等均有所應(yīng)用；采用三維編織結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星空間桁架用連接件，也已應(yīng)用在中國(guó)空間著陸器上[1-3]。

Cf/Al復(fù)合材料不僅結(jié)構(gòu)輕量化、力學(xué)性能優(yōu)異，而且還在熱學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)方面有著良好的表現(xiàn)，是航空航天、國(guó)防軍工等對(duì)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量要求嚴(yán)格的領(lǐng)域較為理想的新型復(fù)合材料。航空用結(jié)構(gòu)件受力較為復(fù)雜，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)端還需考慮在高溫環(huán)境下的性能及穩(wěn)定性，高溫壓縮性能是其在投入實(shí)際應(yīng)用前必須要考量的重要環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能研究較多，對(duì)鋁基復(fù)合材料研究相對(duì)較少。姜黎黎等[4]和李娜[5]分別對(duì)不同編織結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行了不同溫度下的壓縮測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果均表明溫度對(duì)材料的壓縮性能影響顯著。李嘉祿等[6]研究了溫度對(duì)三維五向編織結(jié)構(gòu)和層合結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂基復(fù)合材料拉伸性能的影響，結(jié)果表明不同預(yù)制體結(jié)構(gòu)的拉伸性能差別很大，當(dāng)溫度高于180 ℃時(shí)，復(fù)合材料的拉伸性能下降明顯。Behera和Dash[7]對(duì)不同編織結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸、壓縮、彎曲性能的測(cè)試。Li等[8-9]研究了樹(shù)脂基復(fù)合材料在室溫、液氮溫度下的壓縮性能以及室溫至125 ℃下的彎曲性能，結(jié)果表明復(fù)合材料在液氮溫度下的壓縮強(qiáng)度較室溫的高，同時(shí)不同方向上的壓縮性能表現(xiàn)不同，纖維的編織角以及體積分?jǐn)?shù)均對(duì)壓縮性能有影響；以及隨測(cè)試溫度上升，復(fù)合材料的彎曲性能下降。鄭錫濤等[10]和劉振國(guó)等[11]對(duì)采用編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料連接件、劉杰等[12]對(duì)采用三維針刺結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料螺栓件進(jìn)行了力學(xué)性能研究。朱文墨等[13]從纖維、基體以及界面等方面分析了其對(duì)復(fù)合材料壓縮性能及失效形式的影響。孟松鶴等[14]通過(guò)對(duì)三維五向C/C復(fù)合材料進(jìn)行壓縮測(cè)試，分析了材料的壓縮性能及失效破壞機(jī)制。劉鵬等[15]對(duì)采用RTM工藝制備的編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料建立各向異性損傷模型，研究在壓縮載荷作用下纖維束和界面層的損傷演化,并通過(guò)軸向與橫向壓縮測(cè)試試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。He等[16]通過(guò)建立了三維編織復(fù)合材料的多尺度分層模型，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，探究了溫度對(duì)復(fù)合材料性能的影響。從文獻(xiàn)看很明顯對(duì)于Cf/Al復(fù)合材料研究較少且主要集中在室溫環(huán)境下的各項(xiàng)力學(xué)性能[17-20]，因此研究不同編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料的高溫壓縮性能，能進(jìn)一步豐富相關(guān)編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能研究，可為其應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片提供理論依據(jù)。

試驗(yàn)選用碳纖維M40 J為增強(qiáng)體材料，以ZL301為基體材料，采用真空氣壓浸滲方法制備Cf/Al復(fù)合材料，研究4種編織結(jié)構(gòu)(2.5D淺交直聯(lián)、三維五向、三維正交、疊層穿刺)的材料在350 ℃和400 ℃下的壓縮性能，通過(guò)光鏡(OM)對(duì)4種編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的斷面形貌進(jìn)行觀察，分析在壓縮載荷作用下基體與纖維的形變過(guò)程。進(jìn)一步利用掃描電鏡(SEM)對(duì)疊層穿刺結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的斷口進(jìn)行觀察分析，并結(jié)合壓縮切線模量的變化，探討其失效機(jī)理，從而完善Cf/Al復(fù)合材料在高溫環(huán)境下的性能研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的復(fù)合材料基體為鑄造鋁合金ZL301，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；增強(qiáng)體材料為日本東麗高模量碳纖維M40J，主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。纖維預(yù)制體的編織工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 ZL301合金的主要化學(xué)成分[20]

表2 M40J碳纖維的性能參數(shù)[20]Table 2 Property index of carbon fiber M40J[20]

1.2 復(fù)合材料的制備

首先將碳纖維分別編織成4種結(jié)構(gòu)(2.5D淺交直聯(lián)、三維五向、三維正交、疊層穿刺)的預(yù)制體，用高精度石墨模具將預(yù)制體固定，再用不銹鋼板對(duì)預(yù)制體、模具進(jìn)行固定和封裝，并焊接一定長(zhǎng)度的浸滲導(dǎo)液管，如圖1所示。將熔融的鋁液和封裝好的預(yù)制體一起放入真空氣壓浸滲設(shè)備中，通過(guò)升溫加熱及控制氣壓將鋁液沖壓到封裝件中，制備成復(fù)合材料。試驗(yàn)所用真空氣壓浸滲設(shè)備如圖2所示，其采用集成控制模塊組件，可分別控制基體加熱溫度、預(yù)制體的預(yù)熱溫度、升溫保溫時(shí)間以及浸滲氣壓的大小，同時(shí)也可抽真空并提供惰性保護(hù)氣體，避免鋁合金及碳纖維在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化。

圖1 預(yù)制體封裝及實(shí)物圖Fig.1 Schematic diagram of packaged and factual preforms

圖2 真空氣壓浸滲設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum pressure infiltration equipment

1.3 高溫壓縮試驗(yàn)

參照ASTM D3410相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將制備好的復(fù)合材料板件脫模，再用電火花線切割機(jī)切割成150 mm×25 mm×5 mm測(cè)試試樣，并將試樣表面油污清洗干凈。在INSTRON 5582材料試驗(yàn)機(jī)上分別將試樣加熱到350 ℃和400 ℃再施加壓縮載荷，加載方向與預(yù)制體的經(jīng)向纖維(三維五向的軸向)平行，加載速率為1 mm/min。每種編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料分別在兩種溫度下測(cè)試5個(gè)試樣，選取其在工作段斷裂的測(cè)試值為有效數(shù)據(jù)，取平均值為最終值。

圖3 壓縮試樣及加載方式Fig.3 Compressive specimen and loading method

2 結(jié)果與討論

2.1 不同編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料高溫壓縮性能

試驗(yàn)制備的Cf/Al復(fù)合材料沿著纖維編織結(jié)構(gòu)的經(jīng)向(三維五向的軸向)為浸滲方向，其經(jīng)向(三維五向的軸向)與測(cè)試過(guò)程載荷的加載方向平行。圖4為4種不同編織結(jié)構(gòu)的Cf/Al復(fù)合材料分別在350 ℃和400 ℃測(cè)試環(huán)境下的壓縮強(qiáng)度。圖5為不同編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料典型試樣的高溫壓縮位移-應(yīng)力曲線。圖6為4種不同編織結(jié)構(gòu)的Cf/Al復(fù)合材料的實(shí)物圖以及纖維空間排布示意圖。由圖4可知，2.5D淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在350 ℃和400 ℃下的壓縮強(qiáng)度分別是87.3 MPa和52.2 MPa,為4種編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中高溫壓縮性能最差。三維正交編織結(jié)構(gòu)在350 ℃和400 ℃下的壓縮強(qiáng)度分別是351.4 MPa和288.6 MPa,為四種編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中高溫壓縮性能最好。三維五向編織結(jié)構(gòu)在350 ℃和400 ℃下的壓縮強(qiáng)度分別為137.2 MPa和125.4 MPa，疊層穿刺結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度分別為141.6 MPa和136.0 MPa。

圖4 不同編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料的高溫壓縮強(qiáng)度Fig.4 High temperature compressive strength of Cf/Al composites with different braided structures

圖5 不同編織結(jié)構(gòu)典型試樣的高溫壓縮位移-應(yīng)力曲線Fig.5 High temperature compressive displacement-stress curves of typical samples with different braided structures

采用不同編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其預(yù)制體纖維的空間排布走向不同，纖維的整體空間結(jié)構(gòu)存在很大的差異，導(dǎo)致在施加載荷過(guò)程中不同編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體的纖維束對(duì)載荷的承受、傳遞效果不同，所以不同編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料其高溫壓縮性能差異很大。三維編織結(jié)構(gòu)在空間的各個(gè)方向上均排布有纖維束，其整體結(jié)構(gòu)比2.5D編織結(jié)構(gòu)完整，采用三維編織結(jié)構(gòu)(三維五向、三維正交、疊層穿刺)的Cf/Al復(fù)合材料的高溫壓縮強(qiáng)度均較2.5D淺交直聯(lián)的Cf/Al復(fù)合材料要高。

2.5D淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)中的經(jīng)向纖維像波浪線狀貫穿于XY平面，緯向纖維垂直于經(jīng)向纖維筆直穿插排布，如圖6(a)所示。當(dāng)在經(jīng)向施加壓縮載荷時(shí)，彎曲的經(jīng)向纖維紗承受載荷能力較弱，存在一定彎曲角的經(jīng)向紗在載荷方向上易于被屈曲發(fā)生變形，故2.5D淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)的Cf/Al復(fù)合材料在被壓縮過(guò)程中對(duì)載荷的承受能力較小。三維五向編織結(jié)構(gòu)中在經(jīng)向分布著直線排布的纖維，其余編織纖維沿一定的角度呈斜向“麻花狀”交叉編織成一個(gè)整體，如圖6(b)所示。當(dāng)載荷沿經(jīng)向方向施加時(shí)，筆直的軸纖維(沿經(jīng)向)和斜向的編織纖維一起承受載荷，斜向的纖維與受載方向存在一定的角度易于被擠壓變形。三維正交編織結(jié)構(gòu)其編織纖維在空間三個(gè)方向均呈直線分布，如圖6(c)所示?；w、緯向纖維及Z向纖維將經(jīng)向纖維固定束縛，在施加沿經(jīng)向的載荷時(shí)，經(jīng)向纖維束無(wú)彎曲狀，不易于發(fā)生變形，可以較好的承受載荷作用，故三維正交Cf/Al復(fù)合材料的高溫壓縮性能要較好。疊層穿刺編織結(jié)構(gòu)先由纖維束在二維平面內(nèi)編織成布狀，再在垂直于XY二維平面的方向添加Z向穿刺纖維，形成整體織物結(jié)構(gòu)，如圖6(d)所示。疊層穿刺結(jié)構(gòu)的經(jīng)向纖維呈“波浪狀”均勻分布，當(dāng)載荷沿經(jīng)向均勻施加時(shí)，經(jīng)向纖維在與緯向纖維交織處呈一定彎曲狀受擠壓后易于發(fā)生變形。

圖6 不同編織結(jié)構(gòu)的Cf/Al復(fù)合材料實(shí)物圖以及纖維空間排布示意圖Fig.6 Factual picture and fiber space schematic diagram of Cf/Al composites with different braided structures

2.2 測(cè)試溫度對(duì)Cf/Al復(fù)合材料壓縮性能的影響

從圖4通過(guò)比較Cf/Al復(fù)合材料在不同溫度下的壓縮強(qiáng)度，可以看出不同編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的高溫穩(wěn)定性能不同，隨著測(cè)試溫度的升高，材料的壓縮性能均有所減弱，但很明顯壓縮強(qiáng)度下降幅度差別很大。2.5D淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料隨著測(cè)試溫度的提高，其壓縮強(qiáng)度下降了約40.2%，為四種不同編織結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度下降幅度最大，其高溫壓縮穩(wěn)定性最差。疊層穿刺結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度下降了約4.0%，為四種不同編織結(jié)構(gòu)材料中下降幅度最小，其高溫壓縮穩(wěn)定性最好。三維五向和三維正交結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度下降幅度分別約為8.6%和17.9%。

2.5D淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)的Cf/Al復(fù)合材料隨溫度提升壓縮性能下降較為明顯的原因主要是由于2.5D結(jié)構(gòu)的纖維束僅靠經(jīng)向纖維彎曲穿插交織，缺乏Z向纖維的約束固定，纖維整體空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較弱，彎曲的經(jīng)向纖維束對(duì)壓縮載荷承載能力較弱，且彎曲處易形成裂紋源。圖7為2.5D淺交直聯(lián)編織結(jié)構(gòu)的壓縮斷面形貌，可以看出纖維彎曲處產(chǎn)生較大的變形以及有明顯裂紋。在壓縮載荷的作用下，基體首先從經(jīng)向纖維束的彎曲處發(fā)生塑性變形，當(dāng)溫度較高時(shí)，基體鋁合金會(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象，硬度下降，對(duì)纖維束的固定作用減弱，隨著載荷逐漸增加，纖維束的屈曲程度加大，基體與纖維束分離產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致復(fù)合材料失效。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)試溫度由350 ℃提高的400 ℃時(shí)，基體合金的變形程度加大，經(jīng)向纖維屈曲突凸程度也進(jìn)一步加大，纖維束與基體合金的剝離更為明顯。

圖7 2.5D淺交直聯(lián)Cf/Al復(fù)合材料斷面形貌Fig.7 Fracture surface of 2.5D shallow straight joint woven Cf/Al composites

圖8為三維五向編織結(jié)構(gòu)的壓縮斷面形貌，可以看出在壓縮載荷作用下，纖維束與基體的變形首先從傾斜的編織纖維處出現(xiàn)。斜向的編織纖維束與載荷方向存在一定的角度，當(dāng)載荷逐漸增大，基體合金受壓縮產(chǎn)生變形及裂紋，斜向的纖維束失去基體固定易于斷裂導(dǎo)致復(fù)合材料變形失效。通過(guò)圖8可以看出，在350 ℃和400 ℃下，復(fù)合材料受高溫發(fā)生軟化，基體與纖維束均存在有一定程度上的剝離現(xiàn)象，同時(shí)可以觀察到在復(fù)合材料表面明顯產(chǎn)生了凹凸不平的小裂紋，受擠壓的纖維有輕微凸起現(xiàn)象。從圖8(a)試樣正面來(lái)看，裂紋紋路走向與載荷加載方向呈約45°的夾角，材料受剪切破壞，但試樣在失效時(shí)其整體結(jié)構(gòu)仍保持較為完整。

圖9為三維正交編織結(jié)構(gòu)的壓縮斷面形貌，其試樣上出現(xiàn)一圈類(lèi)似于脹起的“鼓包”，在基體鋁合金覆蓋較少的側(cè)面尤為明顯，同時(shí)基體合金表面有較大的裂紋。三維正交結(jié)構(gòu)經(jīng)向纖維束與壓縮載荷方向平行，當(dāng)施加的載荷較小時(shí)，經(jīng)向纖維受基體、緯向及Z向纖維的固定束縛，彎曲變形的趨勢(shì)受到限制。當(dāng)載荷逐漸增大時(shí)，基體會(huì)受擠壓而產(chǎn)生變形，同時(shí)鋁合金在較高的溫度下會(huì)有一定程度的軟化，鋁合金會(huì)橫向緩慢滑移變形，原本豎直的經(jīng)向纖維也逐漸發(fā)生彎曲變形，復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致失效。從圖9可以看出，在350 ℃和400 ℃時(shí)基體與纖維束均出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，且隨著溫度提升，“鼓包”現(xiàn)象更為明顯，試樣兩側(cè)的纖維被擠壓出而發(fā)生斷裂，同時(shí)擠出的纖維較為松散，說(shuō)明在斷裂邊緣處纖維束失去基體的固定作用，基體與纖維束的剝離現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖10為疊層穿刺編織結(jié)構(gòu)的壓縮斷面形貌。疊層穿刺結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料隨著測(cè)試溫度的提高，其壓縮強(qiáng)度變化不明顯，主要是因?yàn)榀B層穿刺結(jié)構(gòu)由多層碳布經(jīng)Z向纖維穿刺形成，纖維排布較為密集，而且整體結(jié)構(gòu)性較為完整。當(dāng)開(kāi)始施加載荷時(shí)，基體與纖維共同承受載荷，穿刺纖維對(duì)碳布有較好的束縛，經(jīng)向纖維束未發(fā)生彎曲變形，當(dāng)載荷加大時(shí)，鋁合金逐漸變形，同時(shí)高溫下纖維與基體結(jié)合強(qiáng)度減弱，纖維隨基體的變形發(fā)生層狀彎曲，當(dāng)彎曲程度較大時(shí)復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋失穩(wěn)。從圖10可以看出，在試樣正面裂紋呈水平，側(cè)面裂紋呈斜向約45°，與三維五向結(jié)構(gòu)裂紋紋路走向明顯不同。在350 ℃時(shí)，經(jīng)向纖維出現(xiàn)類(lèi)似于階梯狀的彎曲，纖維與基體有剝離及分層現(xiàn)象。當(dāng)溫度上升到400 ℃時(shí)，纖維的層狀彎曲更為明顯，有部分纖維被剪切折斷，邊緣處纖維與基體剝離出現(xiàn)較大的縫隙。

圖10 疊層穿刺Cf/Al復(fù)合材料斷面形貌Fig.10 Fracture surface of laminated puncture Cf/Al composites

2.3 疊層穿刺Cf/Al復(fù)合材料高溫壓縮失效機(jī)理

在前期研究中，帥亮等[20]對(duì)2.5D淺交直聯(lián)、三維正交和三維五向編織結(jié)構(gòu)的Cf/Al復(fù)合材料進(jìn)行了室溫下的壓縮性能測(cè)試，通過(guò)本文前面的比較討論以及結(jié)合復(fù)合材料室溫下的壓縮性能可知，在4種不同編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中，測(cè)試溫度的提升(室溫-350～400 ℃)對(duì)疊層穿刺結(jié)構(gòu)的壓縮性能影響最小。針對(duì)疊層穿刺結(jié)構(gòu)本試驗(yàn)進(jìn)一步利用SEM觀察其壓縮斷口形貌，并結(jié)合壓縮切線模量的變化，分析其失效機(jī)理。

圖11為在350 ℃和400 ℃下疊層穿刺結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線及切線模量變化圖，表4為疊層穿刺結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料在不同階段的切線模量均值，可以看出復(fù)合材料的高溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線在初始階段內(nèi)呈線性趨勢(shì)，隨著載荷增加曲線的切線模量有逐漸減小變化，根據(jù)高溫壓縮切線模量特征可將壓縮過(guò)程劃分為兩個(gè)階段：第一階段(區(qū)域Ⅰ)基體合金承受主要載荷，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性特征，復(fù)合材料在受壓縮時(shí)表現(xiàn)出一定的線性力學(xué)行為，此階段材料的壓縮切線模量稍有下降趨勢(shì)且較為平緩；第二階段(區(qū)域Ⅱ)基體與增強(qiáng)纖維共同承受載荷，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性特征，此階段基體在載荷作用下發(fā)生變形產(chǎn)生微小裂紋，纖維與基體的粘結(jié)強(qiáng)度下降甚至脫粘，纖維束發(fā)生屈曲同時(shí)承受基體變形產(chǎn)生的剪切力，隨著載荷加大，微小裂紋擴(kuò)展延伸成宏觀裂紋直至失效，此階段切線模量較前階段明顯減小且下降較為迅速。圖12 所示為疊層穿刺Cf/Al復(fù)合材料分別在350 ℃和400 ℃下的壓縮斷口形貌，可以看出，在350 ℃下壓縮斷口纖維參差不齊，且有部分纖維絲拔出，在400 ℃下壓縮斷口較為平齊，有少量纖維絲拔出。復(fù)合材料在受壓縮時(shí)，基體合金首先產(chǎn)生變形，平行于載荷方向的纖維會(huì)受到因基體變形而產(chǎn)生的擠壓作用以及剪切作用，同時(shí)在高溫環(huán)境下基體合金發(fā)生一定程度的軟化，其支撐能力下降，有研究表明在300 ℃以上基體合金與纖維的界面產(chǎn)物Al3Mg2相會(huì)發(fā)生分解[21]，纖維與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度受一定的影響，纖維容易與基體脫粘，界面失效后纖維離開(kāi)基體易于被剪切折斷。結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，在350 ℃時(shí)曲線下降階段較為平滑，材料表現(xiàn)出塑性失效特征，而在400 ℃時(shí)，載荷達(dá)到峰值后迅速下降，材料表現(xiàn)出脆性失效特征，說(shuō)明隨著測(cè)試溫度的提升，基體與纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度下降較大，纖維屈曲更為嚴(yán)重，從而使基體更易于產(chǎn)生裂紋，試樣在壓縮斷裂時(shí)，遭受剪切破壞也更為嚴(yán)重。

圖11 疊層穿刺Cf/Al復(fù)合材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線及切線模量變化圖Fig.11 Compressive stress-strain curves and tangent modulus changes of laminated puncture Cf/Al composites

圖12 疊層穿刺Cf/Al復(fù)合材料在不同溫度下的壓縮斷口形貌Fig.12 Compressive fracture morphologies of laminated puncture Cf/Al composites

表4 疊層穿刺Cf/Al復(fù)合材料不同階段高溫壓縮切線模量均值

3 結(jié) 論

1) 4種不同編織結(jié)構(gòu)(2.5D淺交直聯(lián)、三維五向、三維正交、疊層穿刺)的Cf/Al復(fù)合材料高溫壓縮性能差異很大。三維正交結(jié)構(gòu)在350 ℃和400 ℃下的壓縮強(qiáng)度分別為351.4 MPa和288.6 MPa,為4種結(jié)構(gòu)中高溫壓縮性能最好；2.5D 淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)在350 ℃和400 ℃下的壓縮強(qiáng)度分別為87.3 MPa和52.2 MPa，其高溫壓縮性能最差。三維五向編織結(jié)構(gòu)在2種測(cè)試溫度下的壓縮強(qiáng)度分別為137.2 MPa和125.4 MPa，疊層穿刺結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度分別為141.6 MPa和136.0 MPa。

2) 不同編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的高溫穩(wěn)定性，即溫度變化對(duì)其壓縮性能的影響不同。隨著測(cè)試溫度由350 ℃升高到400 ℃，4種編織結(jié)構(gòu)的Cf/Al復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度均有所下降，但下降幅度差異很大。2.5D淺交直聯(lián)結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度下降幅度最大，約為40.2%，其高溫穩(wěn)定性較差；疊層穿刺結(jié)構(gòu)下降幅度最小，約為4.0%，其高溫穩(wěn)定性較好。三維正交結(jié)構(gòu)和三維五向結(jié)構(gòu)的下降幅度分別約為17.9%和8.6%。

3) 疊層穿刺結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料高溫壓縮失效過(guò)程可分為兩個(gè)階段：第一階段基體合金承受主要載荷，復(fù)合材料表現(xiàn)出一定的線性力學(xué)行為；第二階段基體與增強(qiáng)纖維共同承受載荷，纖維受基體變形產(chǎn)生的擠壓及剪切作用，復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋直至失效，此階段材料表現(xiàn)出非線性力學(xué)行為，其切線模量下降較為迅速。