三維編織C-C復(fù)合材料的疲勞行為以及損傷演變研究.pdf

1、C/C復(fù)合材料綜合了碳材料的高溫性能和復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，具有比重輕、高比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)異的燒蝕性能和摩擦性能、良好的抗熱震性能、低蠕變、高溫下強(qiáng)度保持率高以及生物相容性好等一系列優(yōu)異的性能，它既可以作為功能材料、又可以作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用，是目前唯一可用于2800℃以上高溫的復(fù)合材料。其中，以碳纖維三維編織物為增強(qiáng)體制得的C/C復(fù)合材料，由于其一次編織成型、不需要縫合和機(jī)械加工，纖維貫穿材料的長、寬、高三方向形成三維整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

2、，可更有效地提高厚度方向的強(qiáng)度和抗沖擊損傷的性能，從而克服了一維和二維增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)缺陷，因此已成為航天、航空等高科技領(lǐng)域的重要新型材料。作為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，三維整體編織C/C復(fù)合材料在服役過程中不可避免地涉及疲勞加載的情況，而疲勞損傷的逐步積累會在某一循環(huán)次數(shù)下導(dǎo)致材料的突然斷裂，這種斷裂往往無明顯征兆，危害性極大，因此對其疲勞行為進(jìn)行研究具有十分重要的意義。在本論文中，以C/C復(fù)合材料疲勞行為及損傷擴(kuò)展為核心內(nèi)容，主要研究分為六部

3、分：彎彎疲勞行為研究、拉拉疲勞行為研究、疲勞損傷演變及強(qiáng)化機(jī)制研究、切口試件疲勞行為研究、疲勞加載對斷裂韌性的影響、材料熱膨脹規(guī)律及高溫強(qiáng)化機(jī)制的研究。 研究了三維整體編織C/C復(fù)合材料的彎彎疲勞行為，測定了三維整體編織C/C復(fù)合材料的彎彎疲勞壽命(S-N)曲線以及疲勞加載過程中的載荷-撓度回滯曲線，通過試件實(shí)物照片和SEM疲勞斷口分析，探討了在不同應(yīng)力水平下，材料的損傷模式。揭示了纖維與基體界面的滑動磨損在疲勞失效中起重要的作

4、用，應(yīng)力水平的高低控制著這種滑動磨損的程度和速度。 通過夭折實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到一定周次中止)以及SEM疲勞斷口分析，研究了拉拉疲勞加載對三維整體編織C/C復(fù)合材料性能的影響。測定了三維整體編織C/C復(fù)合材料的疲勞壽命(S-N)曲線。發(fā)現(xiàn)拉拉疲勞加載不但使材料的拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)，使其彎曲強(qiáng)度也得以強(qiáng)化，但疲勞強(qiáng)化存在有極限水平。并且，隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，材料的斷裂也由脆性轉(zhuǎn)化為假塑性模式。 根據(jù)三維整體編織C/C復(fù)合材料自身的

5、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇X-ray衍射以及電阻檢測作為無損檢測手段，輔以SEM掃描電鏡觀察，對該材料在疲勞加載過程中的顯微結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了的全面、深入的研究。發(fā)現(xiàn)了疲勞加載不但使纖維/基體之間的界面弱化，同時(shí)還具有增加碳層面間距、表觀微晶尺寸減小以及消除界面殘余熱應(yīng)力的功效，這些微觀結(jié)構(gòu)的變化都將使C/C復(fù)合材料的性能得以提高。提出了低應(yīng)力作用下的疲勞加載實(shí)際上是C/C復(fù)合材料“疲勞訓(xùn)練”過程的觀點(diǎn)。 考察了切口三維整體編織C/C復(fù)合材料的

6、靜態(tài)力學(xué)性能以及疲勞行為。發(fā)現(xiàn)三維整體編織C/C復(fù)合材料在靜載以及疲勞加載條件下對切口均無敏感性，而疲勞載荷則會進(jìn)一步降低材料對切口的敏感性，在斷裂過程中，會不斷出現(xiàn)應(yīng)力松弛和應(yīng)力提高的交替現(xiàn)象。切口材料在靜態(tài)彎曲時(shí)的斷裂模式以復(fù)合材料的“裂紋擴(kuò)展模式”為主，雖然在斷裂時(shí)，材料也表現(xiàn)出界面損傷、纖維拔出的現(xiàn)象，但主要還是由垂直于加載方向的單一裂紋主導(dǎo)的斷裂模式，表現(xiàn)出脆性斷裂的特征。而切口試件的疲勞斷裂，卻是表現(xiàn)出多種損傷形式：裂紋擴(kuò)展

7、方向偏轉(zhuǎn)，基體的松散、基體中的分層裂紋、裂紋尖端的塑性變形等等，材料的斷裂模式以復(fù)合材料的“總體損傷模式”為主。 研究了疲勞加載對C/C復(fù)合材料斷裂韌性的影響。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)疲勞加載使C/C復(fù)合材料斷裂韌性顯著提高，提高幅度達(dá)4.5倍。 全面的考察了三維整體編織C/C復(fù)合材料從室溫到1300℃溫度范圍內(nèi)的熱膨脹行為，發(fā)現(xiàn)三維整體編織C/C復(fù)合材料從室溫到100℃的溫度范圍內(nèi)，CTE受材料密度和孔隙的制約，呈負(fù)膨脹狀態(tài)；在高