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1、 一 第 l 6卷第 4期 1 9 9 5年 l O月 宇航学报 J 0URNAL OF AS TRONAUTI CS Vo 1 1 6 No 4 Oc t 1 9 9 5 多向编织碳 碳复合材料力学行为研究 挂兰 赫晓东 顾震隆(啥尔滨工业大学复合材料所 喑尔滨 1 5 0 0 0 1)摘要本文综述了作者近十年来在多向编织碳 碳复合材料力学性能研究方面的成果 包括力学摸型与强 v虚准则、热应力分析、断裂行为、性能预报与优 化设计、超高温试验技术及组织性能与高温退化等 内容，井 分 析 了其存 在 的新 问题和 解决 途径。主垃调 碳，碳复台 !在!丝簦 1 引言 材料技术是航空航天的关键之一
2、，没有材料技术上的成就，航空航天的任何方案都难以 实现。碳 碳(以下简记为 C C)复合材料具有独特的综合性能，作为一种新型高温热结构材 料得到了广泛承认，并已成功地用于制造航天飞机的鼻锥和机翼前沿、火箭发动机喷管喉 衬、导弹端头帽、军用飞机的制动器等 。同时由于 C C复合材料 的可设计性，通过改变纤 维、编织形式和致密化次数，可以在很宽的范围内裁选 C C的力学性能 满足使用要求。对 结构设计者来说，高比强度、高比模量、高温低蠕变性能以及高破坏容限，使 C C具有很大 的潜力。作为一种新型战略材料，在美、俄、英、法等国家，其研制和发展主要由空军、海军或 政府预算中给予支持。我国为适应航空航
3、天事业的发展，早在 7 O 年代末就开始这方面的研 究工作，陕西非金属材料工艺研究所成功地研制了毡基 C C，缠绕四向C C复合材料f 北京 材料工艺研究所继三向正交 C C后，又初步完成了细编穿刺 C C复合材料的研制工作。然 而，为了有效地利用 C C材料进行航空航天结构设计，还必须深入了解 C C复合材料在不 同环境的宏、微观力学行为，获得可靠的材料性能数据0 。本文回顾了作者近十年来在多向 编织 C C复合材料力学性 能研究方面的成果，分析了所面临的新问题和解决前景。2 力学模型、强度准则与热应 力分析 2 1 力学模型 C C材料热结构分析的前提是建立力学模型，只有正确反映该种材料的
4、应力一应变关 系，所 计算 的热 应 力才 有 可 能接 近 实际，设计 工作 才能 建 立在 可靠 的基 础 上。针 对 国 产 3 D C C复合材料，顾震隆 等测定了拉压模量、剪切模量、泊松比、剪切极限应变等数据 建立了反映 C C复合材料的结构关系基本特征的非线性双模量力学模型，分析了模型应该 本文于 9 9 4 年 3 月 1 0日收到 维普资讯 http:/ 第 l 期 杜善义，多向嫡飒碳，囊复合材料力学行为研究 9 5 翼备的条件，给出表征 c c材料力学模型的一般表达式：G=c J r 口()+c 一()i，J，量=1，2 ，6 式中 ()是阶梯函数，根据()的正负号来决定()
5、=1 或 0。同时，从拉伸、压缩、双轴拉伸、双轴压缩等实验证明，3 D C C复台材料在拉伸、压缩时的应力一应变关系 基本上是线性的。只有剪应力一剪应变是非线性的，非线性行为从一开始就很明显，破坏时 的剪切应变很大，可达(2 3)I O 。实验测得的剪切应力 一 应变拟合关系；r；口+b 7(7 口 b)式中：z向：a；2 7 5 1 0 。m。N，b；8 3 1 0 。m N XY平 面 l a=3 4 21 0 一 。m。N，b=7 6 3 1 0 一 。m N 即考虑双模量特性又考虑剪切非线性，因此形成了完整表征 C l C材料的力学模型，与 如n e s 通过测 定 AVC O Mo
6、d 3 a c c复合材料主方 向上的拉伸和压缩特性 曲线建 立的 j o n e$一 Ne l s o n Mo r g a n非线性多模量材料模型类似可用于准确分析 c c结构部件的应力场。2 2 强度准则 3 D C C复合材料强度准则是其结构设计和校核的主要依据，在现有的国内外文献中没 有 3 D C I C强度准则方面的报道，只有在个别文章中讨论到最大应力最大应变强度准则对设 计的影响。我们通过简单受力、双轴受力的实验数据在适当的应力空间中比较不同准则，提 出以可作为设计依据的 3 D c c材料在复合状态下的强度准则。为考虑试验数据的分颤性，用 t 一分布来衡量实验强度的置信度“。
7、2 3 3 DC C端头帽热 应力分析 导弹再入大气层时，在几十分之一秒内，端头帽表面温度可达到 2 5 o o 3 5 o o C。美国针 对 3 D C C端头帽的热应力分析已发展了几种计算程序，其中用得最多的是 S A AS I。该程 序是根据石墨材料的端头帽来研制的，石墨材料的应力一应变关系。为适合于国产 3 D C C 材料端头帽热应力计算，在 S AA S I 基础上重新研制了计算程序 N S AA S，其优点是反映国 产 B D C C的双模量模型，根据材料主方向的应力来决定用拉伸模量还是压缩模量以及广义 胡克定律中柔度矩阵主对角线两边的柔度系数如何确定 考虑材料剪切非线性行为
8、程序中 增添了 3 D C 1 C材料的强度准则以检查结构的安全性 在分析结束后，可以图形输出直观地 描述物体变形情况、应力分布 通过端头帽的应力分析来比较纤维和织物的不同编织方案及 端头帽的不同设计方案的优劣，使设计趋向最佳化。结果表明t 改变不同方向的纤维根数 对环向和径向的弹性模量和应力的影响比较显著，而对轴向的应力影响很小，对 R Z平面内 的剪应力几乎没有影响 3 材料的薯度与断裂 3 1 多维编织碳 碳复合材料的强度 c c复合材料在碳布铺设，纤维束穿刺以及 随后的浸渍、碳化、石墨化复合工 艺过程 中，产生一系列机械损伤，对碳纤维束最终强度带来明显影响。我们通过 自制设备潸定了 3
9、 D 正交 c c复合材料中纤维束的拉伸、扭转性能，细编穿刺 c c材料 z向纤维柬性能，用坑 维普资讯 http:/ 宇航学 报 第 l 6卷 计方法分析了工艺、织物结构因素对细编穿刺 c c材料纤维束性能的影响 证明工艺过程 将大大降低纤维的性能，其中特别是纤维的强度。研制了一套基体剪切试验装置，根据实验 数据对多个试样的结果拟合，得到剪应力一应变关系。利用微脱粘实验技术在界面力学模型 和理论分析基础上通过实验测定和有限元计算，系统地研究了细编穿刺 c z c复合材料 Z向 纤维束内纤维与基体以及 X-Y向碳布与基体的界面剪切强度，用扫描电镜分别研究了其 界面结合情况。研究了三种细编穿刺c
10、 c复合材料的室温力学性能。为了获得表现宏观各向同性的材 料特性，必 须减 小 XY 向碳布的穿刺损伤，增 加 z向纤维束的间距，把 z向和 XY 向的增 强 作用调节到适当值。根据宏观断口和 S E M 观察确定 X Y向和 z向拉压破坏模式，X Y向的 压缩为碳布剪切破坏，z向压缩为纤维基体界面局部因剪应力作用而脱开并逐渐压突或屈 曲，整个 z向纤维束散开失去承载能力t X Y向拉伸时，碳布沿厚度台阶断裂，应力一应变关 系表现出双线性。对 z向拉伸 首先是低应力下基体开裂，微裂纹通过基体碳集聚区扩展 纤维抑制作用使其沿纤维 基体界面扩展，在纤维束某一薄弱环节断裂拨出 最终失去承载 能力 针
11、对这种模型 按统计强度理论可得应力一应变关系为 t f E p E 一(m+1)r L Tr E：)三一 Ao So zr (m一+1)，式中，A。、S o、n l 为两参数 We i b u l l 参数 t 为界面剪切强度，R、f 为纤维束直径和体积分散，由文献 中有关 3 D C C数据得出细编穿刺 c c材料 z向应力一应变理论曲线，与实验符 合较好。3 2 碳 碳复合材料断裂行为 c c材料在复合过程中，不可避免地会产生工艺缺陷，为了确定其报废标准，就需要进 行断裂行为的研究。通过在偏光显微镜上加装 自制的附件，使之能够一面加载，一面观察 3 D C C裂纹尖端在受力情况下的表现，同
12、时作 3 D C C在 2 2 平面和 2 3 平面内的简单 拉伸和偏轴拉伸试验 结果表明：在 0 腮 5。时，裂纹自相似扩展I 5。0 1 5。，裂纹先 自相似 扩展 最后沿纤维束(或垂直纤维束)剪断试样 1 5。0 7 5。，在裂纹先 自相拟扩展，最后沿 纤维束(或垂直纤维束)剪断试样 I 1 5 B 7 5 在裂尖处剪断试件“。所有破坏都是灾难 性 的，没有稳定 扩展过程 裂纹 尖端 没有 机会 形成分支，材料 的缺 口强度决 定于 裂纹尖端处 的纤维束的强度，困此可以把 3 D C C转化成纤维束单向增强的复合材料强度问题来解决，0 1 5 由纤维束的拉伸强度决定 纤维束同时受拉应力和
13、不可忽略的剪应力，其强度随剪 应力变化 I 在 1 5。e 7 5。纤维束强度完全由纯剪切强度来决定。从大样中切取纤维束试件，测量拉伸、剪切、拉剪、剪拉下的纤维束强度 证明其符合 We i b u l 1 分布，并求出a、8 值。通过 计算裂纹尖端的应力值，简单拉伸情况下用剪滞法，其它情况下用有限元法。用剪滞法计算 时，要 计 算有 限宽 试件 内的应 力 即要 计 算 He d g e p e t h无 限大试 件的应 力集 中系数 的修正 系数，用有 限元法计 算时用 Gl o b a l L o c a l 方法先按均 匀的 3 DC C材料计算裂纹尖端较 远处 的应力，然后再计 算各
14、单层 内的应力，给出裂纹尖 端应力集 中0 。用单层 内算得 的应力 核实实验所观察到的损伤机理 最后用 Z we b e n的概率强度准则预报各种情况下 3 D C C材 维普资讯 http:/ 第 4 期 杜善艾：多向编织碳 硅复合材料力学行为研究 9 7 料 试 件强 度 并 与 试 验 结 果 比较。小 偏 角：=口 =V I E(1+古)南)”2 一 专 太 偏 角：=鬈 打 簧(南)I，P(1+吉)式中户：p(k 口)：1 一e x p E 一2 M(k 。)为垂直于切口的纤维束层数，为失效长度。为了分析毡基 C C复合材料的断裂特性，我们把其简化为短切纤维增强复合材料，建立相 应
15、 的增韧模 型和表达式，分析 了其裂纹 扩展 阻力特性。4 性能预 报与织物设计 在设计 C C材料结构部件时，需要考虑 C C材料的不同编织方案。我们由组分材料的 基本性能，用细观计算力学的方法来计算不同编织材料的力学性能和高温性能，优化材料编 织方 案 选取一个代表性 单胞(Un i t C e l 1)，即包括不同取 向纤维束和基体、真实地反 映复 合材料结构各个细节的最小单位；单胞在空间规则排列构成它所代表的复合材料。通过建立 复合材料的等效性能与状态变量平均值之间的关系，可以用与均匀值之间的关系 可以用与 均匀各向同性材料应力一应变关系相同的形式来描述复合材料单胞：I J=这里c 是
16、单胞的有效模量 即材料的总体模量。单胞的平均应力、应变是每个单元应力、应 变 的体平均：|一 l d ：l jd 预报C C材料的宏观弹性常数就是预报 C i(，=1，2，6)。对非均匀的C C材料，材料中 产生的应力场是非均匀的，为了求出平均应力，采用有限元法首先求各相材料(纤维、基体)中 的应力，然后均匀化。这样在给 出几组不同的边界条件下，可以很快求出。为了求出 C 令 应变：己 一 常数，=；一=0，则平均弹性 应 力 一 应变关 系变成：J 得：C 一 鹰，同样可求出 C 及其它弹性常数。4 1 2 D C C材料性能预报 将 3 D 编织材 料简化为 E o 9 o 。正 交反对
17、称层合板，基于 Ki r c h h o ff L o v e假设，利 用经 典层板模拟分析编织参数对 2 D编织复合材料性能的影响。2 D编织复合材料 x一向，Y一向 局部刚度 为：1，Q 音 2-j i：，Q u )d a+(一 一 Z)Q 维普资讯 http:/ 宇航学 报 第 1 6 卷 式中 是织物缎数，n为纱线宽度，定义见F 1 9 。4 2 3 D C C材 料性 能与织物设计 根据实测的 3 D正交 C C纤维束、基体性能，有限元方程和材料单胞模型，编制 了专用 非线性程序。有限元程序中采用 8节点三维等参元，非线性计算采用增量理论。研究了界面 脱粘对 3 D正交C C材料剪切
18、非线性的影响0 。同时根据细编穿刺 C C材料组分(纤维、基 体)的高温性能数据，参 比国产碳纤维的强度与模量，预报了其高温性能，结果与实验吻合。着重研究了纤维束 K数，碳布缎数以及 z向穿刺纤维束间距对 C C复合材料高温性能的影 响，结果表明：碳布缎数对性能影响不大，对性能影响最大的是 z方 向的织物参数，通过正 确选取这些织物参数可以获得复合材料所需的性能，指导材料设计0 。5 材料超高沮性能与徽结构 5 1 超高温力学性 能测试技术 系统地运用超高温力学性能测试理论，建立了一套碳基复合材料加热、控温、测温、高真 空、加载和数据采集一体化的快速通电加热测试技术c e “。设计光 电高温计
19、控温模块和孔 径光栏，实现 2 8 0 0 C 的加热控制。利用 3 0 0 0 C 超高温非热接触红外辐射温度计测温 设计适 合国产 W R e热电偶的线性化补偿电路和控温模块，增加 2 3 0 0 C的热电偶接触测温功能I 按照热传导理论，根据材料的热学性质、内部热源、初始条件和边界条件，用有限元法计算各 点在各瞬时的温度场，与红外热像仪实测结果吻合。利甩上述技术完整地测试了细编穿刺 c c复合材料高达 2 8 o o x 的拉伸性 能和高达 2 9 o o c的压缩性能，分 析 了其随温度的变 化规 律，给出了相应 的多项式拟合函数 2 。5 2 毡基 c c的组织、性能与高温退化 毡基
20、 c c复合材料中毡丝排列有一定取 向，表现为准横观各向同性，其强度主要取决 于 C V D碳包覆碳纤维的皮芯双层结构，碳丝相互交接形成封闭自锁网络降低了纤维的增 韧效果。毡基 C C的烧蚀规律受碳纤维、沉积碳和浸渍碳复合组织的缺陷和致密度支配，随 着温度升高，不同碳热膨胀失配，在界面的薄弱处产生裂痕，成为输送氧的通道，加速了烧 蚀，当达到一定高温后，浸渍碳开始挥发，2 8 o o x 短时内碳纤维即完全暴露，部分碳纤维端头 芯部被严重烧蚀 2 。5 3 3 D C C氧 化与烧蚀机 理 针对非均质、各向异性 C C材料在超高温和非平稳状态下的应用条件，分析了 C C复 合材料的低温氧化动力学
21、，并将其分为三个阶段 I 区 I 区 I 区 A t n l：1 一 m e 垒：m o a t n l：1 一 m o f 2 5 1 I m0 f f A m,7 0 1 I辨 0 f 式中，Am,为某一时刻的失重，(一 1，2，3】为氧化速率，根据氧化活化能计算和 S E M 观 维普资讯 http:/，第 4 期 杜善义 多向编织碳 礞复 合材辩力学行为研究 9 9 察确立了不同温度下的氧化机理。用 X P S分析了不同温度低真空环境氧化的 C C复合材 料纤维表面结构官能团的变化，提出碳氧化的微观过程为“：一cc 。c o o马c。t：c 0 通过研究 C c复合材料超高温下的烧蚀机
22、理与烧蚀产物，建立了相应的非平衡烧蚀模 型，由XR D分析探讨 了超高温下C C复合材料擞结构的演化I 并从 C C复台徽结构出发 建立了氧化的质量守恒方程和边界条件t 具体分析了扩散控制与反应动力控 j 对 C C复合 材料氧化的影响，为C C热结构部件的烧蚀塑面分析和高温烧蚀情况下结构优化设计刨造 了条件。6 问曩与晨望(1)多维编织材料既是一种材料，又是一种结构，由于其增强纤维在毛坯中是连续的，用 传统的取试片方法表征 c c材料的性能代表不了实际的材料性能，因此需要进一步开展多 维编织的性能表征与测试规范研究(2)编织材料的增强体是织物 其性能的主要影响因素是织物结构，包括纤维柬、编织
23、参 数 t 这里存在一个织物结构的优化问题。8 O 年代发展起来的多维整体编织技术，其纤维的交 叉给力学处理带来了困难。(3)C C材料成本高，生产周期长，因此用 1 1的毛坯来研究是不经济的，必须找出试 件与缩 比件之间的性能对应关系 使得能够直接用小试片缩比件来代表 1 t 1 真实结构件的 材料性能。(4)由于工艺的限制，多维编织 C C-材料不可避免地存在缺 陷t 它们对高温恶劣环境下 工作的 C C部件的安全性的影响，存在着对其严重性评 定的问题，因此需要开展含缺陷 C C材料细观热强度与损毁机理研究 针对上述新问题 目前我们正在国家自然科学基金及中国航天工业总公司支持下，力学 与材
24、料科学、宏观与微观、理论与实验结合开展研究，可望在较短的时间内获得进展。参考文献 1 顾震壹 三 向礞礞材料简升 复音材料学报，1 9 8 8，5(4)2 韩杰才，辩晓末，杜着义 破礞复音材料研究现状与进晨 宇航材料工艺 1 9 9 4，2 3(4)1-1 1 3 顾震 盎等No n J i n e c r B i mo c t u l u s Mo d e l S t r e n s t h Cr i t e c lo n o f 4 D Cb o n c毫 r b e n MB t e r i 毫 1 J Co mp o s i t e Ma t e fi-al s，1 9 8 9，23(
25、3)，9 8 8 4 履震隆 三向碳碳材料的非线性双模量力学模型和强度准舅 I 复合材料学报，1 9 8 9，6(2)5顾 震窿 等 No n l i n e a r B i mo d u l u Mo d e l a n d S t r e n g t h Cr i t e fi o n o f Tr i d i r e c t i o md l y Wo v e n Fi b e r Re i n f o e d Co mp o s i t e Ma t e r i a l s P r o c I n t mp o o f C o mp o e i t e Ma t 8 L S t r u
26、 c t u r e，B e ij i n，J u n e 1 9 8 6 I 7 5 7 7 6 1 6 郭勇平，崩震詹 三向硪蕞瑚头帽热应力分析 复音材料学报，1 9 8 8 5(4)维普资讯 http:/ 1 O o 宇航学报 第 1 6 卷 韩杰才，杜善才 多向 C C材料界面力学性能涮试与表怔 复合材料学报，1 9 9 5，1 2(4)韩燕才 多向 C C材料超高温力学性能与鞭结构演化 哈尔滨工业大学博士学位论文，1 9 9 2 韩杰 才，赫 晓东，杜善 义 多雏 编织 c C复台 材料的 强度与 断裂 宇 航学报，1 9 9 9，1 6(I)：6 9 7 6 睡震隆 复台材料的发展
27、现状及我国复台材料面临的阃题 力学与实践，1 9 8 8，2 顾 震隆，孟兰S t r e n t h Pr e d i c t i o n f o r 3 D C a r b o n C a r b o n Ma t e r i a Un d e r S i mp l e Te n s i o n J Co mp o s i t e Ma t e r i a s，1 9 89，23(3)：99 7 顾 震隆，陈剑峰 P r edi c t i o n 0 f No t c h e d Bir e n t h o f 3 D C a r b o n C a r b o n Ma t e r i
28、 a l s Un d e r T e n s i o n wl t h L a r g e Of f Ax i s An gl e，Pa r t _J COmpo s i t e M a t e r i a l s1 9 9 0，2 24(9)：9 97 9 67 顾 震睦，刺培 广P r edi c t i o n o f No t c h e d S t ren t h o 3 D Ca r b o n C a r b o n Ma t e r i a l s Un d e r T e n s i o n wi t h La t e Of f-Ax i s Ang l ePa r t _
29、J Comp o sit e Ma t e r l a l s，19 90，2 4(9)：9 6 897 6 廒震隆 三向碳碳材料在大偏轴角拉伸下的切 口强度预报 复合材料学报，1 9 8 9，6(4)顾震隆 三向碳碳材料在简单拉伸下的切 口强度预报 复合材料报学，1 9 8 9 6(3)顾震蠹 三向碳碳材料在小轴值角拉忡下的切口强度两报 复音材料学报，1 9 8 9 6(4)韩杰才等 毡基碳碳复合材料的强度与断裂，第七届叠国复台材料学会会议地文集(下)，F-9 8，1 9 9 2 6 顾震隆 固体力学可取为复合材料的发展提供更多的服务 力学与实践，1 9 8 8，6 赫晓东，韩杰才，杜善义
30、细缩穿刺碳碳复事材料性 能预报 计算力学理论与应用 科学出版社，1 9 9 9 硕震隆，吕文涛 多向碳碳材料弹性常数的理论预报 复合材料学报，1 9 8 8，5(4)：2 1 赫晓东 编织复合材料细观计算力学研究 啥尔滨工业大学博士学位论文，1 9 9 2 牛济泰，韩杰才 H i g h T e m p e r a t u r e S i m u l a t i o n T e s t i ng Me t h o d f o r C C C o mpos it e s P r o c I n t，S y m p o n P h y s i c a l Si mu l a t i o n，I n
31、 t Ae 且 de mi c pr e s s，Au g 1 99 0Ha r bi n，P3 33 33 7 韩杰才等 多向C C超高温力学性能楫 I 试技术研究 宇航学报，1 9 9 4 1 9(4)t 1 7 2 3 韩杰才，杜善义 Me e h a n l e a l A t m l y s i s o f 3 D C C C o m p o s i t e s a t e l e v a t ed t e p e x a t u r e P r。c，2 n d I n t S Yru p o n C Omp o sit e 8 L S t r u e t P e k i n g U
32、n l v Pres s，Au g 1 9 9 2，B e n g，P 1 5 6 1 6 1 韩杰才，赫晓东 C o m p res s i v e p r o per t i e s o f C a r bon C a r bonC Om p o*i c e s a t u p t o 2 9 0 0 2 1 s t B i e n n i a 1 Co n f o nCar-bo n，Ext e n d e d Ab s t r a t，J u ne 1 99 3，N Y P17 4-1 75 赫晓末，韩杰才 H i g hT e mp e r a t d r e P r o per t
33、 i e s o f C*r bon C*r b o n C O mpos i t e s 2 1 s t B i e n n i a l Co n f o n C a r b o n，E x-t e n d e d Ab s t r a c t，J u n e 1 9 9 3，N Y P 1 2 1 7 3 赵枫，韩杰才 A S t u d y o f t h e e h a r a e t e r i s t l e a o A b h t i v e C C a t h i g ht e mper a t u re P r o c I n t S y m p P h y s i c a
34、l Bimu l ad on，I n t Ac a d e mi e Pr e s sAu g 1 9 9 0，Ha t b i nP2 4 9 2 5 2 剂连元，韩杰才 Ox i d a t io n o f C CC o mpos i t e s i nA I r a t D i f f e ren t T e m per a t u re2 1 s t B i e n n i a l c o n f o n C a r bon，i x-t e n d ed Ab s t r a c t，J u n e 1 9 9 3，N Y，P5 3 5 5 3 6 韩杰才，赫晓东，杜善义 O x i 血t i o n a n d A b a fi on o f 3 D C C a t u p t o 3 0 O O C C a r b。n，1 9 9 5 船(4)韩杰才等 T h e m c t i v t y o f Car b。n C a r bon C Om p o nit e n u p t o 3 0 0 0 2 1 s t B i e n nia l c 0 n f o n COr b o R，E x t e n d e d Ab s t rac t，J u n e 1 9 9 3 NYP5 4 5 5 4 6 0 坫 曲n跎 ；宕 ”耄 暑 曲舶 维普资讯 http:/