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纖維含量對CC復合材料力學性能的影響

技術應用 | 來源:本網 | 發布日期:2018-03-08 查看次數:2275

核心提示:  炭麥技太纖維含量對C/C復合材料力學性能的影響蔡大勇,李東春(燕山大學材料科學與化學工程學院,秦皇島066004)果表明:當炭纖維的體積分數小于8.3時,隨著炭纖維體積分數的增加,復合材料的抗折

  炭麥技太纖維含量對C/C復合材料力學性能的影響蔡大勇,李東春(燕山大學材料科學與化學工程學院,秦皇島066004)果表明:當炭纖維的體積分數小于8.3%時,隨著炭纖維體積分數的增加,復合材料的抗折強度逐漸升高;之后,隨著炭纖維的體積分數的增加,復合材料的抗折強度逐漸下降;短纖維增強C/C復合材料的斷口特征為大量纖維拔出,其斷裂過程為界面破壞所控制。

  c/c復合材料以其優良的力學、熱學及電學性能在航天、航空、核能領域及許多民用工業領域受到極大關注。十幾年來,C/C復合材料的研究得到了迅速發展和廣泛應用,已成為90年代乃至21世紀的關鍵材料之一。目前,C/C復合材料的制備方法主要是采用化學氣相沉積(CVD)法、高壓液相浸漬以及加壓炭化法,以上3種方法各有其特點,但無論哪一種方法,其生產周期都較長,工藝環節較多,同時生產工藝難以精確控制,生產成本太高,雖然以上問題軍事領域還可以接受,但勢必影響它的發展和廣泛應用,目前雖然已有一些新的快速致密化工藝,但距實際應用還有相當大的距離3.本文采用鍛后石油焦及煤焦油中溫浙青基體原材料,采用加壓焙燒的方法制備出了低成本的短纖維增強的炭基復合材料,研究了炭纖維體積含量對C/C復合材料力學性能的影響。

  1試驗材料與研究方法基體材料采用鍛后石油焦、煤焦油中溫浙青(質量比為7:3),增強體采用聚丙烯腈(PAN)基短切炭纖維(5mm)以加壓焙燒法制備C/C復合材料,最高焙燒溫度900K二次熱處理溫度1由可見,當炭纖維體積分數較低時,纖維的增強效果不明顯,隨著炭纖維體積分數的增加,復合材料的抗折強度逐漸升高;當炭纖維的體積分數達到8.3%時,復合材料的抗折強度達到24.0MPa;之后,隨著炭纖維的體積分數的增加,復合材料的抗折強度逐漸下降。

  2.2C/C復合材料的斷口分析對復合材料抗折強度接近平均強度的試樣進行斷口分析,如所示。

  由可以看出:當復合材料中的炭纖維體積分數較低時(a、b),基體中的炭纖維分布均勻,沒有觀察到纖維偏聚區存在,炭纖維均勻地穿插浙青炭之中。當復合材料中的炭纖維含量較高時(c)炭纖維出現明顯的偏聚現象,偏聚區的炭纖維呈束狀或呈嚴重的相互搭結狀分布,由于偏聚區內基體材料很難浸入而易形成孔洞,該類孔洞成為復合材料中明顯的結構缺陷。對于纖維增強復合材料而言,當纖維含量較低時,纖維不能起到有效的增強作用,所以抗折強度較低,隨著纖維含量的逐漸增加,抗折強度有所提高。當纖維含量較高時,由于偏聚區的存在而在復合材料內部形成結構缺陷,該類缺陷嚴重地影響了材料的機械性能,所以此時隨著纖維含量的增加抗折強度下降。

  通過斷口高倍觀察還可以看出,斷口表面大量纖維被拔出,纖維斷面平齊,幾乎沒有發現纖維斷裂能量就越多,同時,纖維含量越高,基體中的裂紋越不容易擴展,復合材料的強度越1~11.當纖維含量過高時,由于混料條件的限制,大量纖維不但不能有效地起到增強作用,纖維聚集區反而成為新的薄弱環節,在應力作用下該處很容易破壞,所以復合材料的強度隨著纖維含量的增加反而降低。

  3結論C/C復合材料斷口的高倍觀察的跡象,同時纖維表面粘附少量的基體材料。

  由此可以判定,C/C復合材料的斷裂過程中并未發生增強體炭纖維的斷裂,纖維的拔出為破壞的主要形式,材料的斷裂過程為基體與炭纖維的界面破壞所控制。由SEM結果可知,在斷裂過程中,裂紋的擴展總是避開炭纖維。對于本試驗條件下的C/C復合材料而言,有很多促使裂紋產生的因素,例如材料本身的氣孔、微裂紋及短纖維末端的應力集中等。

  在加載過程中,裂紋可能在復合材料中多處產生、擴展,當擴展裂紋與纖維相遇時,在纖維與基體所決定的應力條件下,裂紋的擴展方向發生轉移,開始沿著基體與纖維的界面擴展直到纖維的末端為止,從而導致纖維與基體部分分離。由于基體總是最弱的,在載荷作用下基體裂紋很快擴展到下一根纖維,并重復界面斷裂的過程直至材料斷裂,而纖維不可能發生斷裂。所以短纖維增強C/C復合材料的破壞形式為界面破壞所控制,表現為斷口處大量纖維拔出。

  纖維增強復合材料中的界面是增強相與基體相的中間相,界面是增強相與基體相的連接者,纖維與基體復合過程的本質就是纖維表面形成完整傳遞應力的界面,界面的作用是將加于復合材料的載荷,經由基體通過界面傳遞到增強體,這就要求界面有一定的粘結強度,合適的粘結強度使界面能夠傳遞應力。另外,界面在一定外力作用下脫粘,使纖維拔出,纖維與基體發生摩擦并增大表面能,使材料以拔出功和摩擦功等形式吸收外載能量,從而提高材料的抗破壞能力。對炭纖維而言,其表面光滑且惰性大,與基體相容性差,不能很好地與基體進行粘合,僅依靠粘結劑浙青炭化后形成的炭網把焦炭粉與炭纖維連結起來形成塊體纖維與基體的界面結合較M7~9.所以,C/C復合材料在斷裂時斷口處大量纖維被拔出,同時,纖維表面的粘附物較少。

  C/C短纖維復合材料在斷裂過程中,吸收能量的主要機制是脫膠,所以,在纖維混合均勻的條件當炭纖維體積分數小于8.3 %時,隨著炭纖維體積分數的增加,復合材料的抗折強度逐漸升高,之后,隨著炭纖維的體積分數的增加,復合材料的抗折強度逐漸下降;短纖維增強C/C復合材料的斷口特征為大量纖維拔出,其斷裂過程為界面破壞所控制。


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