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1、复 合 材 料 学 报第24 卷 第1 期 2 月 2007 年Acta M ateriae Com po sitae SinicaVol.24No.1February2007文章编号:1000 3851(2007)01 0086 05收稿 日期:200603 03;收修 改稿 日期:200607 10基金 项目:国家 自然科 学基 金(90405015);高 等学校 博士 学科点 专项 科研基 金(20030699040)通讯 作者:矫桂 琼,教 授,博士生 导师,从事 复合 材料力 学的 研究;会员 证号:E63090006 GJ E-mail:jiaogq n Z-pi n 增 强 陶
2、瓷 基 复 合 材 料 拉 伸 和 层 间 剪 切 性 能刘 ,矫桂琼*,管国阳,常岩军(西 北工 业大学力学与 土木建 筑学 院,西 安 710072)摘 要:研究了Z-pin 横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸和层间剪切性能。炭纤维平纹编织物和炭纤维Z-pin 制备的预成型体,通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料。通过单轴拉伸试验及加-卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏规律。采用双切口压缩试验测试材料的层间剪切强度。结果表明,Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线具有非线性特性;Z-pin 嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强
3、度,显著提高了陶瓷基复合材料层间剪切强度,使原来单纯层间基体与织物表面的脱离转变为Z-pin 的剪切破坏和层间基体与织物的脱离双重破坏机理。关键词:Z-pin;陶瓷基复合材料;拉伸试验;双切口压缩试验;层间剪切强度中图分类号:TB321 文献标识码:AInvestigation on tensile and interlaminar shear of plain wovenCMC w it h Z-pin rei nforcementLI U Wei,JI AO Guiqiong*,GUAN Guoyang,CHANG Yanjun(School of Mechanics and C ivil
4、 Construction,Nort hwest Polytechnical University,X i an 710072,China)Abstract:The tensile and interla m inar shear behaviors of cera mic matrix composite(CMC)w it h Z-pin reinforce-ment were investigated.A prefor m consisting of plain woven fabric and Z-pin t hrough thickness reinforcements wasprep
5、ared.The process of che m ical vapor infiltration(CVI)was used to fabricate t he cera m ic matrix composite w it hZ-pins.The tests of uniaxial tensile and unloading-reloading were used t o investigate t he tensile behavior and t hefracture mechanis ms of the co mposite.And a double notch shear(DNS)t
6、est was used toinvestigate the interla minarshear strength and t he fracture mechanis m of interla m inar shear.The results show t hat t he tensile stress-straincurve of the plain-woven cera m icmatrix co mposite la m inate is nonlinear.Z-pin insertion reduces the tensilestrength,and greatly i mprov
7、es t he interla minar shear strengt h(I LSS)and changes t he interla m inar fract ure mecha-nis m of the cera m ic matrix composite.The debonding of the fabric and t he matrix of the interla minar is changed intodouble fract ure mechanis ms of Z-pin shear fracture and t he debonding of the fabric an
8、d t he matrix of the interlam inar.Keywords:Z-pin;cera m ic matrix composites(CMC);tensile test;double notch shear(DNS)compression test;interla minar shear strength(ILSS)陶瓷基复合材料具有密度低、耐高温、强度刚度高、抗冲击性能好等优点,因此已经成为空天飞行器的热防护系统(TPS)和热结构的理想材料。空天飞行器结构与普通飞机相似,一般设计成薄壁加筋板壳结构,因此二维编织陶瓷基复合材料层压板更适合于这类结构。管国阳等在二维编织陶瓷
9、基复合材料拉伸断口附近看到大量分层损伤 1。二维编织复合材料层压板的主要损伤形式是分层 2,3。在热结构中的陶瓷基复合材料既承担着防热作用又承担着较高的飞行荷载,二维编织陶瓷基复合材料的层间强度低、易分层、抗冲击性能也低,限制了其在空天飞行器热承力结构中的应用。为了克服层压板结构层间强度低、抗分层性能差的问题,国内外学者进行了大量的研究,如采用缝纫、Z-pi n 等方法进行 Z 向增强 4-8。Z-pi n 增强树脂基复合材料层合板的研究相对较多 6,7,9-11,而对于Z-pi n 增强陶瓷基复合材料层压板方面的报道很少。仅看到日本Ishihawa 对Z-pin 二维陶瓷基复合材料瓦片的高温
10、力学性能的试验结果 12。2001 年日本空间实验室设计的空天飞行器 HOPE-X 上的陶瓷基复合材料热防护结构也采用了该技术 12,对二维编织陶瓷基复合材料的层压板防护瓦进行 Z 向增强,即所谓的“Z-plus”技术。作为一种新的层间增强概念,Z-pin 增强 陶瓷 基复 合 材料 具 有重 要 的应 用前景。二维编 织 陶 瓷 基 复合 材 料 中 嵌 入 一 定 量 的Z-pin后增加了层间约束,抑止了层间裂纹的扩展,同时也带来了新的力学特性和破坏机理。这些都有待进一步研究。本文作者通过对Z-pin 增强平纹编织C/S iC 陶瓷基复合材料拉伸试验和层间剪切压缩试验,确定了这种材料的拉伸
11、强度和剪切强度及其破坏机理,为今后的深入研究奠定了基础。1 材料与试验1.1 材 料图1 Z-pin 增强平 纹编 织陶瓷 基复 合材料Fig.1 Plain woven ceram ic matrix co mposite(CMC)wit h Z-pin reinforce mentZ-pin 增强二维平纹编织 C/SiC 陶瓷基复合材料在西北工业大学超高温复合材料实验室制备并加工成试件。材料的增强相是1 K 丝束的 T300 平纹编织炭布按0 方向叠层,Z-pin 为3 K 丝束的炭纤维钉,采用化学气相沉积(CVI)工艺制成厚度约为3.5 mm 的铺 层板,见 图 1。材 料 的体 密 度
12、约 为2.137 g/cm3,孔隙率约为11.82%,Z-pin 分布个数为8 个/cm2。1.2 单轴拉伸试验试验在I NSTRON-8871 电子万能实验机上进行,加载速度为0.05 mm/m in,采用 ADLI NK9113数据采集卡和 YD-21 型动态电阻应变仪,全程采集应变数据。试件采用直条形,如图2 所示。试验段粘贴应变片,测量1、2 方向应变。试验过程中,还对个别试件进行卸载-加载,直至试件断裂。1.3 层间剪切试验Z-pin 增强二维平纹编织 C/SiC 陶瓷基复合材料的层间剪切强度采用双切口压缩试验方法在常温下测 定。试 样 如 图 3 所 示。试 验 在 I NSTRO
13、N-1196 电子万能试验机上进行,通过位移控制加载,加载速度为0.1 mm/m in,采用 ADLINK9113 数据采集卡全程采集荷载。2 试验结果及分析2.1 拉 伸图4 是Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线。可以看出,卸载后再重新加载到达上一个卸载点以前,应力-应变关系基本呈线性,表明这是一个弹性过程,该过程中基本没有损伤产生;超过上次卸载应力之后,进入非线性。随着试件变形的增加,应力-应变曲线的斜率减小,表明试件的刚度下降。从加载开始一直到试件的最终破坏,Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料具有78刘 ,等:Z-pin 增强 陶瓷 基复合 材料 拉伸和 层间
14、剪切性 能图2 单 轴拉伸 试样Fig.2 Un iaxial tensile speci men图 3 双切口 压缩试 样F ig.3 Double notch co mpression speci m en图4 Z-pin 增强平 纹编 织陶瓷 基复合 材料 拉伸力-应 变曲线F ig.4 Stress-strain curve of t he tensile speci m en ofplain-woven CMC w ith Z-pin reinforce ment明显的非线性特性,说明Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料在整个拉伸过程中均有损伤产生。表1是材料拉伸实验数据,初始弹性
15、模量取为应力等于50 MPa 时的模量。与未增强二维编织陶瓷基复合材料的拉伸强度相比较,Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度有所降低。从图5 Z-pin 对面内纤维的影响可以看出,Z-p in 穿透经纱和纬纱,将其劈成两部分,形成较大的孔洞,Z-pin 嵌入引起面内纤维断裂和纤维弯曲变形。因此,拉伸强度降低是由于 Z-pin 的嵌入引起 面内纤维损伤、断裂、纤维弯曲变形和形成的孔洞。图 5 Z-pin 对面 内纤 维的影 响F ig.5 Effect of Z-pin onin-plain fiber图6 是Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸试件的断口照片。从图6(a)可以
16、看出,Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸试件在Z-pin 处发生破坏,这可能与 Z-pin 嵌入引起的 面内纤维损伤、断裂和该处应力集中有关。从图6(a)、图6(b)可以看出,试件断口处各铺层断裂位置不一,且参表1 Z-p in 增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸试验数据Table 1 Tensiletest resu lts o f p lain wo venCMC w ith Z-pinre in forcem entNo.Z-pin reinforce mentStrengt h/MPaInitialmodu lus/GPaUnre inforce mentStrength/MPaI
17、nitialmodu lus/GPa1238.2110.2276.9120.52206.9110.3287.6123.13241.4100.6281.0142.24243.993.4248.5115.45257.0110.2277.2120.8Average237.5104.9274.2124.4C.V.0.0780.0690.0550.08388复 合 材 料 学 报图 6 Z-pin 增强 平纹 编织陶 瓷基 复合材 料拉 伸试件 断口照 片Fig.6 Fractographs of tensile speci men of plain woven CMC with Z-pin reinf
18、orce ment差不齐,有层拔出。从图6(c)可以看出,断口纤维束参差不齐,有纤维拔出。0 纤维束基本从0/90搭接的位 置断裂,然后拔出,形成一 排孤立纤维束。从图6(d)可以看出,在纤维拔出的位置留有大量的S iC 碎片。因此,Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸破坏表现为基体开裂,纤维束断裂拔出的破坏机理。2.2 层间剪切表2 是Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料双切口压缩实验数据。与未增强平纹编织陶瓷基复合表2 Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料双切口压缩实验数据Table 2Double no tchshear com pressiontest resu lts o
19、 f p lain w oven CMC w ith Z-p inre info rcem en tNo.123456AverageC.V.ILSS/MPaZ-pin reinforce ment74.1189.0957.9755.1556.7361.3765.740.185Unreinforce ment37.1232.0831.4628.0928.1035.7632.240.107材料相比,Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料的层间剪切强度有显著提高,提高了约1 倍。这主要是因为嵌入的Z-pin 起到了销钉的作用,限制了层与层之间的错动。图7(a)是Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料
20、双切口试样破坏的宏观照片,可以看出,试样从中间层劈开成两部分。图7(b)是层间剪切破坏双切口试样断口的电镜照片,可以看出,Z-pin 的破坏表面比较平齐,是剪切破坏。在层间S iC 基体沉积不充分处存在大的空洞。在基体渗透比较致密的地方,S iC 基体与织物纤维束发生脱离,并附带有少量纤维的拔出,纤维拔出 的地方留有S iC 基体碎片(见图7(c)。因此,Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料层间剪切破坏的机理主要表现为:Z-p in 的剪切破坏和层间基体与织物脱离破坏。98刘 ,等:Z-pin 增强 陶瓷 基复合 材料 拉伸和 层间 剪切性 能图7 Z-pin 增强平 纹编 织陶瓷 基复 合
21、材料 层间 剪切试 样断口 照片F ig.7 Fractographs of interlam inar shear speci men of plain woven CMC with Z-pin reinforce ment3 结 论通过Z-pin 增强平纹陶瓷基编织复合材料单轴拉伸实验和层间剪切实验研究,得到如下结论:(1)Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料在整个拉伸过程中都有损伤产生,其拉伸应力-应变曲线具有非线性特性。(2)Z-pin 嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度,而使层间剪切强度显著提高。(3)Z-p in 增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸破坏表现出基体开裂,纤维束
22、断裂拔出破坏机理。(4)Z-pin 增强平纹编织陶瓷基复合材料层间剪切破坏表现为Z-pin 的剪切破坏和层间基体与织物脱离的破坏机理。参考文献:1 管 国阳,矫桂 琼,张增光.2 D-C/S iC 复 合 材 料的 宏 观 拉 压特性 和失效 模式 J.复合 材料学 报,2005,22(4):81 85.Guan Guoyang,Jiao Guiqiong,Zhang Zengguang.Uniaxialmacro-mechanical property and failure mode of a 2D-woven C/SiC co mposite J.Acta Materiae Co mpo
23、sitae S in ica,2005,22(4):81 85.2 Wang M ingde,Laird C.Damage and fracture of a cross wovenC/SiC co mposite subj ect to co mpression loading J.Journalof Materials Science,1996,31(8):2065 2069.3 Keit h W P,Kedward K T.Shear damage mechan is ms in awoven,nica lon-reinforced ceram ic-matrix co m posite
24、 J.Jou rnalof the Am erican Ceram ic Society,1997,80(2):357 364.4 M ignery L A,Tan T M,Sun C T.The use of stitch to suppressde lam ination in lam inated co mposite C/AST M.Ph ilade lph ia:Am erican Society for Testing and M aterials,1985:371 385.5 Do w M B,DexterH B.Develop ment of stitched,braideda
25、nd woven co mposite structures in the ACT program and atLangley Research Center(1985 to 1997)summary and bibliog-raphy,NASATP-97-206234 R.Hampton,V irgin ia:NASA,1997.6 Freitas G,Magee C,Dardzinski P,et al.F iber insertionprocess for i mproved damage tolerance in aircraft lam inatesJ.Journal Advance
26、d M aterial,1994,25(4):36 43.7 Partridge I K,CartiD D R.Delam ination resistant lam inatesby Z-fiber pinn ing I:Manufacture and fracture performanceJ.Co mposites Part A,2005,36(1):55 64.8 Ratcliffe J G,O B rien T K.D iscrete spring model for predictingdelam inationgro w th inZ-fiberreinforcedDCB spe
27、ci m ens,NASA/TM-2004-213019 R.Hampton,V irgin ia:NASA,2004.9 Dransfield K,Baillie C,Mai Y iu-W ing.I mproving the delam i-nation resistance ofCFRP by stitching A review J.Co mposites Science and Technology,1994,50(3):305 317.10artiD D R,Troulis M,Partridge I K.Delam ination of Z-pinned carbon fibre
28、 reinforced lam inates J.Co mpositesScience and Technology,2006,66(6):855 861.11yrd L W,B irman V.The esti mate of the effect of Z-pins onthe strain release rate,fracture and fatigue in a co mposite co-cured Z-pinned double cantilever bea m J.Co mposite Struc-tures,2005,68(1):53 63.12akashi Ishikawa,Toshio Orgasawara.Overview of develop-ment activities of spaceplane co mponents using NUSK-CMC(CMC wit h continuous S i-Ti-C-O fiber),AI AA-2001-1879 R.Kyoto,Japan:AI AA,2001.09复 合 材 料 学 报