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1、纤维素纤维增强高韧性水泥基复合材料的拉伸力学性能（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）纤维素纤维增强高韧性水泥基复合材料的拉伸力学性能邓宗才,薛会青,李朋远,张鹏飞(北京工业大学建筑工程学院,北京100124摘要:研究了3种纤维掺量U F 纤维素纤维增强水泥基复合材料(U F 2ECC 的单轴拉伸性能及纤维掺量对ECC 力学性能的影响规律,探讨了裂缝扩展宽度与轴拉应力的关系,分析了ECC 的拉伸断裂能与特征长度.结果表明:当纤维体积掺量由013%提高到016%时,U F 2ECC 的最大拉应变提高183%,断裂能提高419%,特征长度提高281%.ECC 复合材料
2、的最大拉应变是聚丙烯纤维混凝土的820倍.U F 纤维素纤维具有良好的阻裂增韧效用,显著提高了ECC 的变形能力,ECC 在单轴拉伸荷载下能实现应变硬化和多重裂纹初裂.关键词:单轴拉伸;断裂能;应变硬化;多重裂纹;混凝土;复合材料;纤维素纤维中图分类号:TU 528文献标志码:A 文章编号:0254-0037(202108-1069-05收稿日期:2021202110.基金项目:北京工业大学第六届研究生科技基金项目资助(ykj -2007-1819.作者简介:邓宗才(1961,男,陕西扶风人,教授,博士生导师.随着混凝土工程日益向超大跨、超高层等方向发展,对水泥基复合材料的阻裂、增韧的要求越来
3、越高,需要开发高韧性、大变形的新型水泥基复合材料.目前广泛应用的普通纤维混凝土并不能满足这种需要,如聚丙烯纤维可以改善混凝土早期抗裂性能,但对硬化混凝土的增强增韧作用甚微;钢纤维能提高混凝土抗弯强度,但不能明显改善混凝土早期抗裂性能和变形能力.作者尝试用纤维素纤维配制高韧性水泥基复合材料,纤维素纤维与合成纤维相比具有4个优点:1具有天然的亲水性能,可使纤维单丝均匀分布在基体材料中,分散性极好,无结团;2内含空腔,能在水化初期储存部分自由水,控制水泥水化速度,降低水化热,从而明显改善混凝土早期阻裂性能;3纤维根数多、比表面积大、纤维间距小,可形成三维乱向网络结构,有效阻止混凝土裂缝的产生和扩展,
4、可以大幅度提高硬化混凝土变形能力;4纤维素纤维具有较高的强度和弹性模量.故对U F 纤维素纤维增强水泥基复合材料(U F 2ECC 的制备技术及理论研究具有重要的工程价值和学术意义123.单轴直接拉伸试验能较准确地反映ECC 的抗拉阻裂性能,但目前关于纤维素纤维增强水泥基复合材料直接拉伸试验研究未见报导,作者用单轴拉伸试验测得了ECC 应力-应变全过程曲线及其主要力学性能指标,如初裂强度、抗拉强度、弹性模量、最大拉应变和断裂能等,为配制新型高韧性水泥基复合材料提供参考数据.1试验方法111材料配合比材料配合比见表1.其中水泥为P.O.4215普通硅酸盐水泥,砂为ISO 标准砂,水为自来水,减水
5、剂取萘系减水剂.纤维是罗洋科技提供的U F 纤维素纤维,纤维材性见表2.第35卷第8期表1材料配合比T able1Mix proportions of m aterials编号水泥掺量/(kgm-3标准砂掺量/(kgm-3水掺量/(kgm-3减水剂掺量/(kgm-3纤维质量掺量/(kgm-3纤维体积掺量/%表2纤维材性T able2The properties of f iber名称直径/m长度/mm密度/(gcm-3抗拉强度/MPa弹性模量/GPa U F纤维素纤维1417211213111600900815112试件成型与养护单轴拉伸试验采用12mm40mm160mm的长方体试块.试件成型
6、24h后拆模,放入标准养护室养护28d,试验前3h拿出试块晾干,准备试验.每种纤维掺量的配合比完成3个试块的拉伸试验.113试验设备与方法拉伸试验采用美国M TS810材料试验机,计算机采集位移、应变和承载力,其中应变由分别安置在试件两面标距为50mm的引伸计测定.为防止试件上下加压端因局部受压而破坏,加载前在试件的两侧粘上长50mm、宽40mm、厚1mm的铝板,试件粘接6h后进行抗拉试验.图1U F2ECC的多重裂纹初裂图Fig.1Multiple cracking photo for U F2ECC图2U F2ECC的2全曲线Fig.2Tensile2curves for U F2ECC2
7、试验结果211UF2ECC的多重裂纹初裂图试验测得的U F2ECC的多重裂纹初裂情况如图1所示.由图1可见,U F2ECC在拉伸过程中并没有发生单裂纹破坏,而是发生多重微细裂纹初裂现象,这表明结构材料在初裂后并没有迅速失去承载力而发生破坏.212轴拉应力-应变曲线特征典型U F-ECC的抗拉应力-应变全曲线如图2所示.为了比较,列出了普通混凝土(C及聚丙烯纤维混凝土(PP的拉伸全曲线.由图2可见,普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土在达到抗拉强度后,应力-应变曲线急剧下降,构件迅速0701北京工业大学学报2021年失去承载力,都是单裂纹破坏4;而U1、U2和U3的最大拉应变远远高于基体峰值应变.当水泥
8、基复合材料出现第1条可视裂纹时,由于裂纹附近的U F 纤维素纤维与水泥水化产物的黏着作用良好,形成三维乱向网络结构,可以有效地阻止U F 2ECC 裂缝的萌生和扩展,微细裂缝随着荷载的增加而加密.U F 纤维素纤维的根数多,比表面积大,纤维间距小,强度和弹性模量较高,在U F 2ECC 内部形成更有效的增强增韧体系,提高了复合材料的延性,U F 2ECC 实现了应变硬化和多重裂纹初裂5211.在出现第1条可视裂纹后,U3的下降段比U2、U1平缓,表明U3的阻裂增韧效用优于U2、U1.213单轴拉伸力学指标由试验测得的拉伸全曲线获得了U F 2ECC 单轴拉伸力学指标,其平均值列于表3,表中V
9、f 为纤维体积掺量;f c 为初裂强度(第1条肉眼可视裂纹出现时强度;f t 为抗拉强度;u 为最大拉应变(拉伸试验结束时试件的总应变;E t 为弹性模量;G F 为断裂能;L c 为特征长度.表3UF 2ECC 的单轴拉伸力学指标T able 3U niaxial tensile mechanical perform ance index for UF 2ECC编号V f /%f c /MPa f t /MPa u /10-6E t /GPa G F /(N m -1L c /mm U1U F 2ECC 的最大拉应变介于130810-3到370210-3之间,U3的最大拉应变比U2提高72%
10、,比U1提高183%.随着纤维掺量的增加,最大拉应变明显增大.U F 2ECC 复合材料的最大拉应变是聚丙烯纤维混凝土0117010-3的820倍2.U F 2ECC 复合材料的变形能力显著高于普通纤维混凝土,具有高韧性和大变形的特点.表明U F 纤维素纤维使水泥基复合材料的变形能力大幅度提高,具有良好的阻裂增韧性能.根据试验结果,回归了初裂强度和最大拉应变与纤维体积掺量之间的数量关系.U F 2ECC 的初裂强度f c 与纤维体积掺量V f 的关系为f c =118667V f +012767(R 2=019231(1U F 2ECC 的最大拉应变u 与纤维体积掺量V f 的关系为u =79
11、80V f -1203(R 2=019721(221311裂缝扩展宽度与拉应力的关系曲线U F 2ECC 在拉伸过程中的总变形量为=e +o +w(3式中,w 是裂缝扩展宽度;e 和o 分别为试块断裂区以外的弹性变形和剩余变形;且有e =l E t(4-1p e =p l E t (4-2o =p -p e(5式中,是轴拉应力;p 是峰值应力;p 和p e 分别是与峰值应力对应的总变形和弹性变形;E t 是弹性模量;l 是试件标距.1701第8期邓宗才,等:纤维素纤维增强高韧性水泥基复合材料的拉伸力学性能裂缝扩展宽度w 与试件长度无关,在最大荷载值以前无宏观裂缝.由式(3求得裂缝扩展宽度为w
12、=-e -o(6 图3U F 2ECC 的拉伸2w 关系曲线Fig.3Tensile 2w curves for U F 2ECC 裂缝宽度与拉应力的关系曲线如图3所示.21312断裂能断裂能G F ,是形成单位面积裂缝所消耗的能量,为应力-裂缝宽度曲线下的面积,即G F =w f 0(w d w (7断裂能计算结果列于表3,可见,纤维掺量增加,ECC 断裂能在增加.断裂能与纤维体积掺量的关系为:G F =576157V f -128133(R 2=019956(8断裂能值反映了ECC 在断裂过程中消耗的能量.断裂能愈大,U F 2ECC 在断裂过程中消耗的能量愈大,纤维的阻裂效果愈显著.当纤
13、维掺量由013%提高到016%时,U F 2ECC 的断裂能提高419%.普通砂浆的断裂能平均值是19125N/m 5,U F 2ECC 的断裂能介于41133N/m 到214130N/m 之间,是普通砂浆的111510113倍,这是由于ECC 的多裂纹扩展吸收了更多的能量.21313特征长度通常用Hillerborg 提出的特征长度L c 表示纤维混凝土的脆性断裂性能,且L c =E t G Ff 2t 特征长度计算结果列于表3.L c 愈小,U F 2ECC 材性愈脆.随着纤维掺量增加,U F 2ECC 的特征长度增加,脆性降低,韧性增加.当纤维掺量由013%提高到016%时,U F 2E
14、CC 的特征长度提高281%.普通砂浆的特征长度平均值是110mm 5,U F 2ECC 的特征长度介于3691451408187mm ,是普通砂浆的213611181倍,表明U F 2ECC 的脆性比普通砂浆显著降低.且随着纤维掺量的增加,U F 2ECC 脆性明显减小.3结论1U F 纤维素纤维具有良好的阻裂增韧效用,显著提高了水泥基复合材料的抗裂性能和变形能力,即ECC 实现了多裂纹扩展,具有应变硬化特性.可以用U F 纤维素纤维制备高韧性水泥基复合材料.2U3的最大拉应变比U2提高72%,比U1提高183%.U F 2ECC 的最大拉应变介于1130810-33170210-3,U F
15、 2ECC 的最大拉应变是聚丙烯纤维混凝土的820倍.纤维掺量对最大拉应变影响大,随着纤维掺量的增加,最大拉应变显著增大.3U3的初裂强度比U2提高12%,比U1提高71%.4当纤维掺量由013%提高到016%时,U F 2ECC 的断裂能提高419%,特征长度提高281%.由于ECC 的多裂纹扩展吸收了更多的能量,随着纤维掺量的增加,U F 2ECC 脆性明显降低.参考文献:1邓宗才.高性能合成纤维混凝土M .北京:科学出版社,2003.2邓宗才,李建辉,傅智,等.聚丙烯纤维混凝土直接拉伸性能的试验研究J .公路交通科技,2005,22(7:45248.DEN G Z ong 2cai ,L
16、 I Jian 2hui ,FU Zhi ,et al.The uniaxial tension test of polypropylene fiber reinforced concreteJ .Journal of Highway and Transportation Research and Development ,2005,22(7:45248.(in Chinese 3姜国庆,刘小泉,孙伟,等.高性能特种水泥基复合材料(HPSCC 的关键技术研究C黄承逵,丁一宁,何化南.纤维混凝土的技术进展与工程应用.大连:大连理工大学出版社,2006:329.J IAN G Guo 2qing
17、,L IU Xiao 2quan ,SUN Wei ,et al.The experimental research on the pivotal technique of high performance2701北京工业大学学报2021年special cementitious composites (HPSCC C HUAN G Cheng 2kui ,DIN G Y i 2ning ,HE Hua 2nan.Development and Utilization of Fiber Reinforced Concrete.Dalian :Dalian University of Techn
18、ology Publisher ,2006:329.(in Chinese 4张君,公成旭.高韧性纤维增强水泥基复合材料单轴抗拉性能研究C黄承逵,丁一宁,何化南.纤维混凝土的技术进展与工程应用.大连:大连理工大学出版社,2006:27232.ZHAN GJ un ,G ON G Cheng 2xu.Tension behavior of high ductile fiber reinforced cementitious composite C HUAN G Cheng 2kui ,DIN G Y i 2ning ,HE Hua 2nan.Development and Utilization
19、 of Fiber Reinforced Concrete.Dalian :Dalian University of Technology Publisher ,2006:27232.(in Chinese 5刘汉阳,刘志勇.低掺量聚合物水泥砂浆的断裂能J .河北建筑工程学院学报,1999,17(1:32234.L IU Han 2yang ,L IU Zhi 2yong.Fracture energy of low content polymer modified cement mortar J .Journal of Hebei Institute of Architectural Eng
20、ineering ,1999,17(1:32234.(in Chinese 6L I V C.高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用J .硅酸盐学报,2007,35(4:5312536.L I V C.Progress and application of engineering cementitious compositesJ .Journal of the Chinese S ociety ,2007,35(4:5312536.(in Chinese 7L I V C ,WAN G S ,WU C.Tensile strain 2hardening behavior of PVA 2
21、ECCJ .ACI Materials Journal ,2001,98(6:4832492.8L I V C.Advances in ECC research J .ACI Special Publication on Concrete :Material Science to Applications ,SP 2002:2062223,3732400.9L I V C ,L EUN G C K Y.Steady state and multiple cracking of short random fiber composites J .ASCE Journal ofEngineering
22、 Mechanics ,1992,118(11:224622264.10L I V C.Engineering cementitious composites for structural applicationsJ .ASCE Journal of Materials in Civil Engineering ,1998,10(2:66269.11K ANDA T ,L I V C.Interface property and apparent strength of high 2strength hydrophilic fiber in cement matrix J .ASCE Jour
23、nal of Materials in Civil Engineering ,1998,10(1:5213.T ensile Mechanical Properties of Cellulose Fiber R einforcedHigh Ductility Cementitious CompositesDEN G Z ong 2cai ,XU E Hui 2qing ,L I Peng 2yuan ,ZHAN G Peng 2fei(College of Architecture and Civil Engineering ,Beijing University of Technology
24、,Beijing 100124,China Abstract :Uniaxial tensile behavior is the important character for studying resistivity and toughening effect of engineering cementitious composites (ECC .Uniaxial tensile test of three ratios U F cellulose fiber reinforced cementitious composites (U F 2ECC and the influence re
25、gularity on the mechanical properties of ECC under different fiber content is studied in this paper.The relationship of crack width and tensile stress is researched.Tensile fracture energy and characteristic length are discussed.The result indicates that from 013%to 016%of U F cellulose fiber in vol
26、ume ,maximum tensile strain ,fracture energy and characteristic length for U F 2ECC respectively improve 183%,419%and 281%.The maximum strain of U F 2ECC is 8-20times more than that of polypropylene fiber reinforced concrete.U F cellulose fiber has good resistivity and toughening effect ,and signifi
27、cantly improves the cracking resistance and deformability for ECC.ECC can show strain 2hardening and multiple cracking performances in uniaxial tensile test.K ey w ords :uniaxial tensile ;fracture energy ;strain 2hardening ;multiple cracking ;concrete ;composite ;cellulose fiber(责任编辑郑筱梅3701第8期邓宗才,等:
28、纤维素纤维增强高韧性水泥基复合材料的拉伸力学性能热处理温度对中间相沥青基碳/碳复合材料力学性能的影响Effect s of Heat Treat ment Temperat ure on MechanicalProperties of Mesop hase Pitch2basedC/C Composites刘皓,李克智,李贺军,卢锦花,翟言强(西北工业大学材料学院,西安710072 L IU Hao,L I Ke2zhi,L I He2jun,L U Jin2hua,ZHA I Yan2qiang(School of Materials Science and Engineering,Nort
29、 hwestern Polytechnical University,Xian710072,China摘要:通过三点弯曲实验,并借助XRD,SEM断口形貌分析,研究了最终热处理温度对中间相沥青基碳/碳复合材料微观结构与力学性能的影响,并对其断裂机制进行了探讨。结果表明:随着最终热处理温度的升高,材料的石墨化度增大,层间距d002减小,微晶尺寸L c增大;材料未经热处理时,纤维与基体间界面结合较强,抗弯强度较高,弯曲断口较为平整,具有脆性断裂特征;随着热处理温度的升高,基体收缩,纤维与基体间界面结合减弱,抗弯强度减小,弯曲断口纤维拔出较长,材料具有韧性断裂特征。关键词:碳/碳复合材料;热处理温度
30、;中间相沥青;力学性能中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:100124381(20070120015204Abstract:The effect s of final heat t reat ment temperat ure on t he micro struct ure,mechanical p roperties and fract ured surface image of mesop hase pitch2based2D C/C compo sites were st udied by t hree2point bending,XRD and SEM test,and t
31、 he fract ure mechanism was investigated.The result s show t hat t he grap hitization degree and microcrystal size(L cincrease,interlayer distance(d002decrease wit h t he increase of final heat t reat ment temperat ure of t he C/C composites.The interface bonding strengt h weakens wit h t he increas
32、e of heat t reat ment temperat ure.The flexural strengt h of composites after heat treat ment is lower t han t hat of unt reated,t he fract ure characters of composites are changed f rom t he brittle fract ure to like2tough.K ey w ords:carbon/carbon composite;heat t reat ment temperat ure;mesop hase
33、 pitch;mechanical prop2 erty碳/碳复合材料(C/C是以碳纤维或石墨纤维增强的材料,其整个体系是由碳元素组成,是一种优异的高温结构与功能材料。它具有低密度、高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、抗热震等一系列优异性能1,2。碳/碳复合材料的力学性能随温度的升高而提高,在惰性气氛中可使用到3000,这是其他结构材料所无法比拟的,是目前公认的最有发展前途的高温结构材料3。正是由于碳/碳复合材料的这些特殊性能,使其在航空、航天领域得到了越来越广泛的应用,并且逐渐向民用、医学等领域扩展4。一般来说,对于碳、石墨材料,随着最终热处理温度的升高,石墨化度提高,材料的导电、导热性能提高,
34、摩擦磨损性能得到改善,但是材料的力学性能降低5。在碳/碳复合材料的制备过程中,最终热处理温度对材料的性能有较大影响。本工作以3K PAN基碳纤维为增强体,以中间相沥青为基体前驱体,采用压力浸渍2碳化工艺制备2D中间相沥青基碳/碳复合材料。对所制备的材料进行不同温度的热处理,通过XRD、力学性能、弯曲断口SEM形貌分析,研究了热处理温度对中间相沥青基碳/碳复合材料微观结构和力学性能的影响,并对其断裂机理进行了探讨。1实验1.1碳/碳复合材料的制备增强体选用吉林碳素厂生产的3K PAN平纹碳布,经过剪切、叠层和纵向穿刺及400空气氧化的表面处理,即可作为2D C/C复合材料预制体,预制体的密度为0
35、.85g/cm3。基体前驱体选用三菱天然气化学股份生产的中间相沥青,软化点为283.7,中间相含量为100%(质量分数。采用高压浸渍2碳化工艺制备中间相沥青基碳/碳复合材料,浸渍在负压状态下进行,高压碳化时采用特殊装置6机械加压,碳化压力为80MPa,碳化温度为850950。浸渍2碳化工艺进行4次循环。最终热处理温度分别为2100, 2300,2500。1.2石墨化度的测量和表征石墨化度是根据Franklin模式,由Mering和Maire公式计算的,其简化计算公式为d002=013354g+013440(1-g即g=(013440-d002/(013440-013354(1式中:g为石墨化度
36、(%;d002为(002面的层间距(nm;013440nm为完全未石墨化碳的层间距; 013354nm为理想晶体的层间距。d002根据Bragg公式计算:2d002sin=。c轴方向微晶的平均堆积高度计算公式为L c=K/(002cos(2式中:K为形状因子,取值为1;为入射光的波长,取值为0115418nm;002为002衍射线半宽高(rad。用XPert型X射线衍射光谱仪测定角。采用粉末试样,管电压为40kV,管电流为35mA,扫描范围2区间为2060,间隔为0.03(/步,速度0.5步/s。1.3碳/碳复合材料的力学性能测试及断口形貌观察截取55mm10mm4mm的弯曲试样,按照三点弯曲
37、标准(Q/G B95-92在Instron1195型电子万能试验机上进行弯曲性能测试。沿垂直于碳布叠层方向加载,上压头半径R为3mm,下支座半径R为2mm,跨距为40mm,测试速度为0.5mm/min。采用J SM26460型扫描电子显微镜(SEM观察弯曲试样断口形貌。2结果与讨论2.1热处理温度对中间相沥青基碳/碳复合材料微观结构的影响碳/碳复合材料的基本结构为乱层结构或介于乱层结构与石墨晶体结构之间的过渡型。石墨晶体是网平面的三维有序堆聚,而乱层结构仅在网平面上二维有序,其整体呈紊乱状态,层间距较大,表观微晶尺寸L c较小,通常超过某一热处理温度时,开始发生三维层平面的排列,这种变化伴随着
38、层间距的减小和微晶尺寸的增加,即伴随着石墨化过程7,8。石墨化度在宏观上的含义是指材料中具有完整的石墨晶体结构的比例,在微观上是指不同过渡状态的碳结构接近理想石墨晶体的程度9。表1为不同热处理温度的中间相沥青基碳/碳复合材料的结构参数。可见,随着热处理温度的升高,材料的石墨化度提高,层间距d002减小,微晶尺寸L c增大。表1不同热处理温度的碳/碳复合材料的结构参数Table1Microstructure parameters of mesophase pitch2based C/C composites with different heat treatment temperatures H
39、eat treat menttemperature/Untreated210023002500 g/% 1.258.175.682.6d002/nm0.34390.33900.33750.3369L c/nm 5.8221.5127.9534.95分析认为,这是因为随着热处理温度的升高,体系获得的能量增高,碳原子振动频率加快,振幅增大,二维乱层结构向三维理想结构过渡,六角环形层面沿c 轴方向靠近堆积,层面间距(d002减小。同时,乱层结构中缺陷逐渐消除,促使二维微晶沿a轴和c轴方向逐渐增大。另外,由于所制备的碳/碳复合材料基体前驱体为中间相沥青,而中间相沥青具有液晶特征,碳化后液晶的部分特征被
40、保留下来,经过2500最终热处理后,石墨化度高达82.6%,是易石墨化碳。2.2热处理温度对中间相沥青基碳/碳复合材料的力学性能及断裂特征的影响表2是不同热处理温度的中间相沥青基碳/碳复合材料的力学性能。可见,随着热处理温度的升高,材料的抗弯强度和抗弯模量均减小。未经过热处理的材料的抗弯强度及抗弯模量分别是2500热处理材料的1.18倍和1.30倍。表2中间相沥青基碳/碳复合材料的力学性能Table2Mechanical properties of mesophasepitch2based C/C compositesHeat treat menttemperature/Untreated21
41、0023002500 Density/(gcm-3 1.87 1.87 1.87 1.87 Flexural strengt h/MPa278.7260.3246.5235.3 Flexural modulus/GPa54.149.545.341.5图1为不同热处理温度的中间相沥青基碳/碳复合材料的载荷2位移关系曲线。可以看出,不同最终热处理温度的碳/碳复合材料的断裂特征不同。未经热处理的材料在断裂前载荷和位移之间具有较好的线性 图1中间相沥青基碳/ 碳复合材料的载荷2位移曲线Fig.1The curves of load 2displacement of mesophase pitch 2b
42、ased C/C composites关系,材料一旦破坏 ,载荷下降较快,但是下降到一定程度时,会出现阶梯性的下降特征,材料的整个断裂过程偏向于脆性断裂。随着热处理温度的升高,材料在断裂前载荷2位移曲线表现出非线性特征,在材料的断裂破坏过程中,载荷不是突然下降而是呈阶梯性的缓慢降低,具有韧性破坏的断裂特征,表现出“假塑性效应”。2500热处理后材料的“假塑性效应”最为显著。图2为不同热处理温度的中间相沥青基碳/碳复合材料的SEM 断口形貌。从图2可以看出,未经热处理的材料的断口较为平齐(图2a ,2100热处理的材料的断口为断裂台阶较低、台阶数较多(图2b ,2300热处理的材料的断口为断裂台
43、阶较高、台阶数较多(图2c ,2500热处理的材料的断口主要为纤维拔出(图2d 。图2中间相沥青基碳/碳复合材料的断口形貌(a 未经热处理;(b 2100;(c 2300;(d 2500Fig.2SEM photographs of fracture surface of mesophase pitch 2based C/C composites(a untreated ;(b 2100;(c 2300;(d 2500采用压力浸渍2碳化工艺制备中间相沥青基碳/碳复合材料时,由于中间相沥青的碳化收缩,材料内部会形成气孔、裂纹等缺陷。复合材料制件中的气孔、裂纹及纤维与基体的界面结合强度对材料的断裂
44、破坏过程有很大影响10。碳/碳复合材料的断裂破坏过程实际上是原始裂纹及材料受载后新产生的裂纹在材料内部扩展的过程11。材料未经热处理时,碳纤维与基体碳的界面结合较强,在弯曲载荷的作用下,基体裂纹扩展时穿过纤维,纤维和基体一起断裂,在形貌上断裂台阶很低、断口比较平齐(图2a 。这种情况下,基体把载荷很好地传递给了增强体(碳纤维,复合材料能够达到较高的强度,但材料断裂后载荷下降得较快,偏向脆性断裂。材料经热处理后,基体碳进一步收缩,碳纤维与基体碳的界面结合减弱,材料在断裂过程中,基体裂纹在扩展时沿基体方向和沿界面方向交替进行,裂纹扩展遇到纤维时,一部分能量被界面吸收,引起纤维与基体脱粘,裂纹前端在
45、应力集中的作用下沿界面方向向前扩展,另一部分能量用于基体裂纹绕过碳纤维后沿原来方向继续扩展。随着最终热处理温度的升高,基体碳继续收缩,碳纤维与基体碳的界面结合进一步减弱,基体裂纹逐渐过渡到主要沿界面方向扩展,在断口形貌上表现为纤维拔出越来越长(图2b ,c ,d ,这种情况下,基体传递载荷的作用逐渐降低,裂纹的扩展速度得到延缓,复合材料的抗弯强度随着热处理温度的升高而降低,但是材料的韧性却有所提高。另外,随着热处理温度的升高,碳纤维和基体碳的模量增加,碳/碳复合材料的模量理论上也应该增加,但是由于热处理时,基体进一步收缩,碳纤维与基体碳的界面结合减弱,碳纤维的模量得不到充分发挥,最终复合材料的
46、模量表现为随着热处理温度的升高而减小。3结论(1采用压力浸渍2碳化工艺制备的中间相沥青基碳/碳复合材料,随着热处理温度的升高,材料的石墨化度增大,层间距d002减小,微晶尺寸L c增大。材料经2500热处理后,石墨化度可达82.6%。(2随着热处理温度的升高,中间相沥青基碳/碳复合材料的抗弯强度和抗弯模量均减小。未经过热处理的材料的抗弯强度及抗弯模量分别是2500热处理材料的1.18倍和1.30倍。(3中间相沥青基碳/碳复合材料的力学性能和断裂特征与材料的界面结合状况有关,而界面结合又与最终热处理温度有关。材料未经热处理时,界面结合较强,材料的抗弯强度、模量较高,弯曲断口较为平整,具有脆性断裂
47、特征。随着热处理温度的升高,基体进一步收缩,界面结合减弱,材料的抗弯强度、模量减小,弯曲断口纤维拔出较长,材料具有韧性断裂特征。参考文献1李贺军.碳/碳复合材料J.新型炭材料,2001,16(2:79-80.2SAV A GE G.Carbon2Carbon C ompositesM.London:Chapman&Hall,1993.31-35.3MORIMO TO T,O GU RA Y,KONDO M,et al.Multilayer coat2ing for carbon/carbon compositesJ.Carbon,1995,33(4:351 -357.4PAR T HA P PAUL,STUAR T T SCHWAB.Carbon materialsobtained from organometallic modification of pitch and it s oxida2 tion resistance propertiesJ.Carbon,1996,34(1:89-95. 5H ESHMA T A.The effect of intermediate g