C/C和C/SiC復合材料的夏比沖擊性能研究

嚴科飛， 張程煜， 喬生儒， 韓 棟， 李 玫

(西北工業大學超高溫結構復合材料國防科技重點實驗室，西安710072)

連續碳纖維增韌陶瓷基復合材料具有耐高溫、低密度、高比強、高比模和抗燒蝕等優異性能，主要應用于高溫結構件［1］，其中主要有C/C和C/SiC，兩類材料帶有防氧化涂層后，其機械性能和抗氧化性能都得到提高［2］。目前，研究的預制體結構主要為二維穿刺和二維層合板結構，層合板結構大幅度提高了復合材料的韌性和可靠性［3］，但是層間強度低，在沖擊載荷下容易損傷。兩種材料在作為剎車盤鍵槽使用時，剎車時鍵槽會受到劇烈沖擊。因此，研究材料的沖擊性能尤為重要。Brennan等使用夏比沖擊試驗法研究了編織方式、試樣形狀和試驗溫度對SiC/Lithium Aliminosilicate(LAS)玻璃陶瓷的沖擊性能［4］。Park等使用落錘沖擊試驗法研究了具有抗氧化涂層C/C復合材料的沖擊性能［5］。Liu等使用懸臂梁法研究了碳纖維增強陶瓷基復合材料的沖擊性能［6］。Mscke等研究了二維(2D)和三維(3D)C/C的夏比沖擊性能［7］，結果表明2D C/C相比3D C/C復合材料沖擊吸收能量較大。Xu［8］和Fan等［9］分別研究了三維紡織和三維針刺C/SiC復合材料的沖擊性能，結果表明C/SiC復合材料具有良好的抗沖擊性能。這些研究都是針對C/C和C/SiC的面內沖擊性能，對于面外沖擊韌度的研究較少。此外，由于化學氣相滲透工藝的缺陷，制備的材料不均勻，即便是同一批生產或者是同一塊沉積板，也存在密度不均勻［10］的情況。然而，密度對材料力學性能影響較為明顯［11～13］，但是密度對沖擊能量的影響尚未見報道。

本工作應用夏比沖擊試驗法，研究了C/C和C/SiC兩種復合材料的沖擊性能，得到材料密度和沖擊能量的關系。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

使用化學氣相滲透(CVI)方法制備了C/C和C/SiC復合材料，C/C復合材料的預制體由無緯布碳氈混編針刺而成，密度為0.4 g/cm3，C/SiC預制體為二維正交編織結構，密度為0.55 g/cm3。纖維均為T-300碳纖維。沉積基體之前，在纖維表面沉積一層厚度約為200nm的熱解碳界面層，熱解碳界面層、C基體和 SiC基體的沉積溫度均為950～1000℃。獲得制備的材料后，用數控機床從板邊緣到中心依次加工9個試樣，C/C復合材料試樣的尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，C/SiC復合材料試樣尺寸為55 mm×10 mm×4 mm。C/SiC加工成試樣后，在表面沉積一層SiC涂層。因為CVI過程中，沉積室內的溫度場和氣流場不可能絕對均勻，從而引起同一塊板上的不同部位的密度不同。每個試樣的密度用體積法測量。

1.2 試驗過程

使用SANS ZBC-4B型夏比(Charpy)擺錘沖擊試驗機進行試驗。擺錘刀口接觸試樣時，打擊瞬時線速率為2.9±0.29 m/s，擺錘刀刃半徑為2 mm，跨距為40 mm，沿垂直于鋪層方向沖擊。兩種材料分別測試9個試樣。使用光學顯微鏡和S-4700型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣斷口形貌。

2 結果與討論

圖2 C/SiC復合材料沖擊性能與密度的關系Fig.2 Effects of density of C/SiC composite on the charpy impact properties

2.1 沖擊能量

圖1和圖2分別為C/C和C/SiC兩種復合材料密度和沖擊能量的關系圖。從兩圖中均能看出：C/ SiC的沖擊能量大于C/C，說明C/SiC的抗沖擊性能大于C/C材料。同時，隨著密度的增加，材料的沖擊能量降低，沖擊能量與材料密度基本呈線性關系。

圖1 C/C復合材料沖擊性能與密度的關系Fig.1 Charpy impact energies of C/C composite with different densities

2.2 斷口形貌

圖3為不同密度的C/C和C/SiC材料試樣夏比沖擊破壞后的宏觀照片。從圖中可以看出，C/C和C/SiC復合材料的宏觀照片的基本特點是，低密度試樣斷口參差不齊，有大量纖維束和纖維拔出。而高密度試樣斷口較為平整，僅有少量的纖維拔出。

圖4a和4c為較低密度C/C和C/SiC試樣的SEM圖，從圖中可以看出纖維束斷口參差不齊，纖維拔出較長，數量較多，纖維表面較為光滑，黏附的基體材料少。圖4b和4d為較高密度C/C和C/SiC試樣的SEM圖，從圖中可以看出，纖維束斷口比較平整，纖維拔出較短，數量較少，幾乎都是纖維束被剪斷，纖維表面黏附的基體多。

2.3 分析和討論

圖3 兩種材料沖擊失效后的宏觀照片 (a)C/C密度為1.06 g/cm3;(b)C/C密度為1.54 g/cm3; (c)C/SiC密度為1.88 g/cm3;(d)C/SiC密度為2.03 g/cm3Fig.3 Photograph of two materials after impact test (a)C/C composites，density：1.06 g/cm3;(b)C/C composites，density：1.54 g/cm3;(c)C/SiC composites，density：1.88 g/cm3;(d)C/SiC composites，density：2.03 g/cm3

圖4 兩種材料沖擊失效后的SEM照片 (a)C/C，密度：1.06 g/cm3;(b)C/C，密度：1.54 g/cm3; (c)C/SiC，密度：1.88 g/cm3;(d)C/SiC，密度：2.03g/cm3Fig.4 SEM microgragh of two materials after impact test (a)C/C composites，density：1.54 g/cm3;(b)C/C composites，density：1.54 g/cm3;(c)C/SiC composites，density：1.88 g/cm3;(d)C/SiC composites，density：2.03 g/cm3

本研究得到的密度和沖擊性能的關系和以前研究中C/C和C/SiC復合材料其他力學性能隨密度的增大而增加的結果［11，12］相反，特別是與強度隨密度增加的結果相反。

造成此差別的原因在于試驗方法和表征對象的不同。沖擊試驗反映了基體、基體/纖維界面、纖維等組分耗散能量的能力。對于本工作中兩種材料而言，所用的基體和界面沉積工藝和纖維相同，因此可認為纖維和纖維/基體界面條件基本相同，這樣基體的含量和缺陷(包括基體裂紋密度和孔洞等)就決定了材料的沖擊性能［14］。兩種復合材料中的碳基體和SiC基體都屬于脆性基體，隨密度增加，基體的裂紋和孔洞等缺陷密度增加，其抗沖擊性能下降。另外，基體裂紋和孔洞等缺陷處往往會引起附近纖維上的應力集中和纖維/基體界面脫粘，一定程度上加劇了沖擊過程中纖維的破壞，從而導致密度大的材料沖擊韌度降低。

纖維拔出的長度也間接反映材料的斷裂功。材料的斷裂功WF可用下式表示［15］：

式中，vf為纖維體積分數，σfu為纖維拉伸強度，lc為纖維的臨界長度，是連續纖維增強復合材料受到載荷后，纖維受到的最大應力能夠達到σfu的最小長度。

本工作所采用的試樣，無論是 C/C，還是 C/ SiC，均是從同一塊板上裁下的，因此，σfu相同。密度小的材料具有大vf，密度大的材料vf小。纖維的拔出長度L一般滿足關系：0.25lc≤L≤0.5lc。因此根據上式，密度小的材料具有大的斷裂功。所以兩種材料的沖擊能量隨密度的增加而降低。

3 結論

(1)C/C和C/SiC兩種復合材料的抗沖擊能力與密度有密切關系。隨著密度的增加，夏比沖擊能量逐步減小，沖擊能量與密度基本呈線性關系。

(2)低密度的C/C和C/SiC兩種復合材料沖擊斷裂后的斷口參差不齊，有大量纖維束和纖維拔出，材料韌性較好;高密度材料的宏觀斷口較為平整，僅有少量的纖維拔出，具有脆性斷裂特征。

［1］EVANS A G.Perspective on the development of high toughness ceramics［J］.J Am Cera So，1990，73(2)：187-206.

［2］XU Yong-dong.Carbon/silion carbide composites prepared by chemical vapor infiltration combined with silicon melt infiltration［J］.Carbon，1999，37：1179-1187.

［3］CULTER W A，ZO F W，LANGE F F.Mechanical behavior of several hybrid ceramic matrix composite laminates［J］.J Am Ceram Soc，1996，79(7)：1825-1833.

［4］BRENNAN J J，PREWO K M.Silicon carbide fibre reinforced glass-ceramic matrix composites exhibiting high strength and toughness［J］.J Mater Sci，1982，17：2371 -2383.

［5］PARK S J，SEO M K，LEE D R.Studies on the mechanical and mechanical interfacial properties of carbon-carbon composites impregnated with an oxidation inhibitor［J］. Carbon，2003，41：2991-3002.

［6］LIU H K，HUANG C C.Impact response and mechanical behavior of 3-D ceramic matrix composites［J］.J Eur Ceram Soc，2001，21：251-261.

［7］MSCKE T，QUENISSET J M.A comparative study of the impact behavior of ceramic matrix composites［J］.Compos Sci Technol，1990，37：267-278.

［8］XU Yong-dong，CHENG Lai-fei，ZHANG Li-tong.Mechanical properties of 3D fiber reinforced C/SiC composites［J］.Mater Sci Eng(A)，2001，300：196-202.

［9］FAN Shang-wu，ZHANG Li-tong，XU Yong-dong.Microstructure and properties of 3D needle-punched carbon/silicon carbide brake materials［J］.Compos Sci Technol，2007，67：2390-2398.

［10］白瑞成，李賀軍，徐向陽.一種制備C/C復合材料的高效等溫ICVI工藝［J］.航空學報，2005，26(2)：254 -256

［11］劉明爽，李玉龍，陶亮.兩種致密度2D-C/SiC層向壓縮性能試驗研究［J］.復合材料學報，2007，24(5)：90-96.

［12］尹洪峰，徐永東，成來飛，等.連續碳纖維增韌SiC復合材料的制備與性能研究［J］.硅酸鹽學報，2000，28 (5)：437-440.

［13］朱時珍，李俊紅，于曉東.連續碳纖維增強碳化硅復合材料的制備與性能研究［J］.北京理工大學學報，2002，22(4)：422-424.

［14］SBAIZERO O.Some observations on the impact behaviour of a SiC fiber-reinforced glass-ceramic［J］.Ceram Acta，1990，2：9-17.

［15］RICHARD W.Comprehensive Composite Materials：Volume 4：Carbon/Carbon Cements，and Ceramic Matrix Composites［M］.London：Elsevier Science Ltd.2000：53.