混合前驅體制備高織構三維C/C復合材料的微觀結構及疲勞行為

姚西媛, 李克智, 任俊杰, 張守陽

混合前驅體制備高織構三維C/C復合材料的微觀結構及疲勞行為

姚西媛, 李克智, 任俊杰, 張守陽

(西北工業大學 材料學院, 西安 710072)

以乙醇和甲烷為前驅體, 采用化學氣相滲透工藝制備了三維五向編織C/C復合材料。利用偏光顯微技術分析了復合材料的微觀結構, 考察了復合材料的靜態彎曲性能和疲勞行為, 研究了不同循環加載周期對復合材料彎曲強度和力學行為的影響。結果表明: 采用混合前驅體可成功制備高織構3D C/C復合材料, 材料的平均彎曲強度為379.2 MPa, 其疲勞極限為靜態彎曲載荷的80.3%。加載循環應力后, C/C復合材料的彎曲強度在不同周次均有所提升, 循環105周后彎曲強度的增幅達16.8%。材料彎曲承載時的“屈服區”隨著循環次數的增加出現先增大后減小的變化趨勢, 這與材料疲勞過程中纖維與基體、基體與基體的結合狀態有關。

C/C復合材料; 高織構; 疲勞行為

C/C復合材料因其低密度、高導熱、優異的摩擦磨損性能及抗燒蝕性能而被廣泛用于航空航天等軍事領域[1-5], 特別是近年來, 隨著高超聲速飛行器的試驗驗證[6-7], 對國防安全提出了更高的要求, 同時也證明C/C復合材料在超高溫結構材料中具有不可替代的地位。

國內外針對高性能C/C復合材料的化學氣相滲透(CVI)制備工藝進行了大量的研究, 常采用單一前驅體, 如甲烷、丙烯、丙烷等, 材料的密度較高, 但獲得良好性能的高織構(HT)熱解炭的工藝條件較難控制[8-9]。隨著高性能C/C復合材料的不斷發展, 以控制基體熱解炭織構為目的的高水平制備工藝成為C/C復合材料的重要研究方向。目前研究較多的是高織構熱解炭的快速高效制備, 混合乙醇和甲烷作為一種新型綠色前驅體, 在制備2D C/C復合材料致密化和熱解炭組織控制方面獲得了良好的結果[10]。

C/C復合材料作為一種纖維增強復合材料, 其預制體結構對材料的機械性能起著決定性的作用。3D編織碳纖維預制體可以提供較好的纖維結構和設計良好的復合材料, 滿足材料強度的要求, 并且可以實現構件的輕量化設計, 因而受到研究學者的青睞。同時C/C復合材料作為一種高溫熱結構材料, 在高低溫交變環境中需要承受交變載荷[2,11]。C/C復合材料最初的應用主要是依靠其優異的燒蝕性能, 用作耐燒蝕材料, 在結構材料中的應用研究相對較晚。目前大部分的研究集中在常溫靜態力學性能, 有關3D高織構C/C復合材料的制備和材料性能, 特別是復合材料在循環載荷下的破壞行為、機理、表征方法及各組元對材料疲勞性能影響的研究還不成熟。

本研究采用乙醇和甲烷作為混合前驅體, 獲得高織構C/C復合材料, 分析材料的微觀形貌和結構, 考察復合材料的靜態彎曲性能和彎曲疲勞行為, 研究不同循環加載周期對復合材料彎曲強度和力學行為的影響。

1 實驗方法

1.1 3D C/C復合材料的制備

復合材料預制體采用T300B 1K碳纖維編織的三維五向結構, 纖維密度約為1.76 g/cm3, 體積含量為31%。

采用自行設計的夾具, 利用強制流動等溫CVI工藝制備3D C/C復合材料。沉積溫度為1000~1200 ℃,乙醇和甲烷作為混合前驅體, 氮氣作為載氣和稀釋氣體。所制備的復合材料密度為1.72 g/cm3, 開孔率為10%。

1.2 材料的微觀組織和力學性能

利用Leica DMLP型偏光顯微鏡和掃描電鏡(SEM)對所制備的3D C/C復合材料試樣的顯微組織進行觀察, 并測量其消光角;

采用Instron 8872型電液伺服試驗機考察復合材料的靜態三點彎曲性能和彎曲疲勞行為。試樣尺寸為55 mm×10 mm×4 mm, 測試跨距為40 mm。靜態三點彎曲性能測試中加載速度為0.5 mm/min, 每組有效試樣數量不少于5個。

采用載荷加載方式循環加載, 用頻率為20 Hz的正弦波進行加載, 應力比為0.1。

2 結果與討論

2.1 3D C/C復合材料的微觀結構

圖1為制備的3D C/C復合材料的偏光顯微鏡照片。熱解炭包裹炭纖維生長, 在束間位置生長的厚度較大(圖1(a))。由于預制體形態的特點, 導致束間較大的孔隙未完全填充, 但束內和較小的束間孔隙得到了良好填充。觀察熱解炭形貌(圖1(b))發現, 其光學活性較強, 有明顯的十字消光, 測定其消光角為23°, 是典型的高織構熱解炭。由于甲烷擴散系數大, 有利于密度均勻, 但是沉積速率慢; 乙醇擴散系數小, 沉積速率快, 容易封孔, 具有生成高織構熱解炭的優勢, 但不利于后期致密化。混合前驅體綜合了二者的優勢, 改善了各自的缺點, 從而制備出高織構熱解炭3D C/C復合材料。

2.2 3D C/C復合材料的靜態力學性能

采用三點彎曲試驗測得復合材料的平均彎曲強度為379.2 MPa, 模量為70.4 GPa。圖2為高織構熱解炭的三維五向編織C/C復合材料的應力–應變曲線, 材料的斷裂過程分為三個區段: 線性增長區、非線性區和越過峰值后的快速下降區。在線性增長區, 應變隨著應力的增大線性增加。在非線性區, 隨著應力繼續增大, 但是增大的速度變小, 并伴隨一些小幅度的快速下降。在快速下降區, 應力–應變曲線為單次的快速下降, 這是由于熱解炭良好地填充了纖維束間的空隙, 并將纖維束綁定在一起, 纖維和基體起到了共同承載的作用, 當應力達到一定值時, 裂紋偏轉較少, 直接穿透試樣, 應力從而表現出快速下降。

圖1 3D C/C復合材料的PLM照片

(a) Fiber bundle morphology; (b) Microstructure of high texture pyrolytic carbon

圖2 復合材料靜態彎曲應力–應變曲線

2.3 3D C/C復合材料的疲勞壽命

采用循環周次為106次, 以試件不破壞時所對應的應力幅值作為疲勞極限, 將疲勞極限與靜強度的比值稱為極限應力水平。圖3為制備3D C/C復合材料的彎曲S-N曲線, 可以看出, 所制備高織構3D C/C復合材料的彎曲疲勞極限是其靜態彎曲強度的80.3%, 對應應力為304.6 MPa。

對于多數傳統金屬材料, 其疲勞極限一般為靜態強度的40%~50%, 本研究所制備的高織構C/C復合材料的疲勞極限達到了80%以上, 其測試結果與Yasuhiro等[12]測試的C/C復合材料的彎曲疲勞極限(80%)基本一致, 疲勞極限遠高于2D C/C復合材料的疲勞極限[13]及已報道3D C/C復合材料的彎曲疲勞極限[14]。

2.4 循環加載對3D C/C復合材料彎曲強度及斷裂行為的影響

表1為制備的3D編織C/C復合材料經過0、25000、105、106周次彎曲疲勞加載后的彎曲強度測試結果。三維編織C/C復合材料經歷循環加載后, 材料的彎曲強度均高于原始平均強度。隨循環周次的增加呈現先升高后降低的趨勢, 在循環加載105周次時彎曲強度達到最大, 較原始強度提高16.8%, 106周次時增幅較小, 為8.9%。

圖3 3D C/C復合材料的彎曲疲勞壽命曲線

表1 不同循環加載周次3D C/C復合材料的彎曲強度及增幅

圖4為3D C/C復合材料試樣彎曲疲勞加載0、25000、105、106次后的彎曲應力–應變曲線。隨著循環周次的增加, 線性區的斜率變化不大, 表明材料的彎曲模量受疲勞加載的影響不大。隨著循環周次的增加, 非線性區有所增大, 但隨著循環周次的繼續增加, 非線性區的范圍又逐漸減小。載荷達到峰值后的斷裂形式有從臺階式向快速下降轉變的傾向, 但是變化并不顯著。

圖5為高織構三維編織C/C復合材料經歷不同周次循環加載后的斷口SEM照片。由于碳纖維預制體采用三維五向編織方式, 復合材料中大部分纖維束沿弧線方向進行排布, 且纖維束的取向差異較大, 3D C/C復合材料的主要結構形態是以熱解炭包裹碳纖維束所形成的“纖維束結構”為主。觀察復合材料的斷裂形貌(圖5(a))可以看出, 靜態彎曲斷口形貌由高低層次不同的纖維束斷面組成, 絕大部分斷裂面為纖維束間的基體–基體界面組成, 斷面較為粗糙, 無開裂現象, 纖維束整體性好, 拔出現象不明顯; 經過25000次循環加載后(圖5(b)), 纖維束的整體性仍然較好, 沒有明顯的基體開裂, 可觀察到少量源于纖維束內熱解炭分離出現的斷裂面, 纖維束斷面不平整, 有少量的纖維拔出。3D C/C復合材料的纖維–基體界面穩定性較高, 而纖維束間的結合力較弱, 使其在經受變形時容易發生分離、滑移、摩擦、擠壓等變化, 同時預制體制備過程中纖維的斷裂及偏離束心等現象, 使復合材料在經歷循環加載時這些弱結合區域易發生破壞, 造成循環加載后非線性區域即屈服區變大, 即材料在25000次循環加載后非線性區域增大。

循環加載次數繼續增大到105, 纖維束的斷面更加不平整, 可觀察到纖維束間的脫粘(圖5(c)), 大量的斷面位于纖維束內, 同時出現較多的小區域纖維束結構。當循環加載周次繼續增大到106時(圖5(d)), 整個試樣的斷口極不平整, 纖維束的斷口參差不平, 出現大量小區域的纖維束, 且規模更小, 纖維拔出較多, 拔出長度較長。隨著循環周次的增加, 相對較弱的區域和結構逐漸趨于結構協調化, 不再影響應力向主承載結構中的傳遞, 使得材料承載時的“屈服”區變小。循環加載使纖維–基體、基體–基體等界面出現一定弱化, 更容易發生界面脫粘和纖維拔出等非快速斷裂形式, 所以材料在發生快速斷裂之后的斜坡狀下降范圍擴大, 圖5(d)中參差不平的斷口、較多基體開裂和纖維拔出現象證明了這一點。

圖4 3D C/C復合材料不同周次疲勞加載后的彎曲應力–應變曲線

(a)=0; (b)=25000; (c)=105; (d)=106

圖5 高織構3D C/C復合材料經歷不同周次循環加載后的斷口SEM照片

Fig. 5 Fracture morphologies of high texture 3D C/C composites after different fatigue cyclic loading

(a)=0; (b)=25000; (c)=105; (d)=106

3 結論

采用乙醇和甲烷混合前驅體成功制備了三維五向編織高織構C/C復合材料, 復合材料基體為均一高織構熱解炭, 消光角達23°。復合材料靜態平均彎曲強度為379.2 MPa, 材料的彎曲疲勞極限為304.6 MPa, 極限應力水平為80.3%。循環加載使C/C復合材料的彎曲強度增大, 循環加載105以后彎曲強度為443 MPa。材料彎曲承載時的“屈服區”隨著循環周期的增加出現先增大后減小的趨勢, 其與材料疲勞過程中纖維與基體、基體與基體的結合狀態有關。

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Microstructure and Fatigue Behavior of High Texture Three-dimensional C/C Composites Prepared by Mixed Precursors

YAO Xiyuan, LI Kezhi, REN Junjie, ZHANG Shouyang

(School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Three-dimensional five-way braided C/C composites were prepared by chemical vapor infiltration using ethanol and methane as precursors. Their microstructure of the composites was analyzed by polarizing microscope. The static bending properties and fatigue behavior of prepared composites were investigated. Effects of loading cycles on bending strength and mechanical behavior of the prepared composites were studied. Results show that high texture C/C composites can be successfully fabricated by using mixed precursors. Averagebending strength of the composites is 379.2 MPa, and their fatigue limit is 80.3% of the static bending load. Under cyclic loading, the flexural strength of C/C composites increases in different cycles. The bending strength is increased by 16.8% after 105cycles. "Yield zone" of the bending bearing capacity of the material increases firstly and then decreases with the increase of the cyclic loading, which is related to the bonding state of fiber-matrix and matrix-matrix in the fatigue process.

C/C composite; high texture; fatigue behavior

TQ332

A

1000-324X(2020)05-0589-04

10.15541/jim20190364

2019-07-18;

2019-08-26

國家自然科學基金重點項目(51502245); 中央高校基本科研業務費專項資金(3102019TS0409)

National Natural Science Foundation of China(51502245); Fundamental Research Funds for the Central Universities(3102019TS0409)

姚西媛(1984–), 女, 助理研究員. E-mail: yaoxiyuan@nwpu.edu.cn

YAO Xiyuan(1984–), female, assistant researcher. E-mail: yaoxiyuan@nwpu.edu.cn