三維編織C-C復合材料的疲勞行為以及損傷演變研究.pdf

1、C/C復合材料綜合了碳材料的高溫性能和復合材料優(yōu)異的力學性能，具有比重輕、高比強度和比剛度、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、又可以作為高溫結構材料使用，是目前唯一可用于2800℃以上高溫的復合材料。其中，以碳纖維三維編織物為增強體制得的C/C復合材料，由于其一次編織成型、不需要縫合和機械加工，纖維貫穿材料的長、寬、高三方向形成三維整體網狀結構

2、，可更有效地提高厚度方向的強度和抗沖擊損傷的性能，從而克服了一維和二維增強體的結構缺陷，因此已成為航天、航空等高科技領域的重要新型材料。作為理想的高溫結構材料，三維整體編織C/C復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)次數下導致材料的突然斷裂，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行研究具有十分重要的意義。在本論文中，以C/C復合材料疲勞行為及損傷擴展為核心內容，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、疲勞損傷演變及強化機制研究、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)律及高溫強化機制的研究。 研究了三維整體編織C/C復合材料的彎彎疲勞行為，測定了三維整體編織C/C復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，通過試件實物照片和SEM疲勞斷口分析，探討了在不同應力水平下，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。 通過夭折實驗(實驗進行到一定周次中止)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復合材料性能的影響。測定了三維整體編織C/C復合材料的疲勞壽命(S-N)曲線。發(fā)現拉拉疲勞加載不但使材料的拉伸強度增強，使其彎曲強度也得以強化，但疲勞強化存在有極限水平。并且，隨疲勞循環(huán)次數的增加，材料的斷裂也由脆性轉化為假塑性模式。 根據三維整體編織C/C復合材料自身的

5、結構特點，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構演化進行了的全面、深入的研究。發(fā)現了疲勞加載不但使纖維/基體之間的界面弱化，同時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力的功效，這些微觀結構的變化都將使C/C復合材料的性能得以提高。提出了低應力作用下的疲勞加載實際上是C/C復合材料“疲勞訓練”過程的觀點。 考察了切口三維整體編織C/C復合材料的

6、靜態(tài)力學性能以及疲勞行為。發(fā)現三維整體編織C/C復合材料在靜載以及疲勞加載條件下對切口均無敏感性，而疲勞載荷則會進一步降低材料對切口的敏感性，在斷裂過程中，會不斷出現應力松弛和應力提高的交替現象。切口材料在靜態(tài)彎曲時的斷裂模式以復合材料的“裂紋擴展模式”為主，雖然在斷裂時，材料也表現出界面損傷、纖維拔出的現象，但主要還是由垂直于加載方向的單一裂紋主導的斷裂模式，表現出脆性斷裂的特征。而切口試件的疲勞斷裂，卻是表現出多種損傷形式：裂紋擴展

7、方向偏轉，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合材料的“總體損傷模式”為主。 研究了疲勞加載對C/C復合材料斷裂韌性的影響。試驗結果發(fā)現疲勞加載使C/C復合材料斷裂韌性顯著提高，提高幅度達4.5倍。 全面的考察了三維整體編織C/C復合材料從室溫到1300℃溫度范圍內的熱膨脹行為，發(fā)現三維整體編織C/C復合材料從室溫到100℃的溫度范圍內，CTE受材料密度和孔隙的制約，呈負膨脹狀態(tài)；在高