2D-C/SiC復(fù)合材料軸向加載泊松效應(yīng)

郭洪寶，洪智亮，李開(kāi)元，梅文斌

(1 中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108；2 上海商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201108)

以2D-C/SiC復(fù)合材料為代表的平紋編織陶瓷基復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度、比模量，耐高溫和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被選作替代高溫合金材料的新一代高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料，在航空航天領(lǐng)域逐漸獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于上述材料在加載過(guò)程中具有特有的細(xì)觀損傷機(jī)制和損傷失效進(jìn)程，導(dǎo)致其具有不同于其他常規(guī)材料的宏觀力學(xué)行為。全面研究并掌握材料的力學(xué)行為及對(duì)應(yīng)的細(xì)觀損傷失效機(jī)制，包括泊松力學(xué)行為，是促進(jìn)并實(shí)現(xiàn)其工程實(shí)際應(yīng)用的必備研究基礎(chǔ)。

目前關(guān)于2D-C/SiC復(fù)合材料宏觀力學(xué)行為和細(xì)觀損傷失效機(jī)制的研究主要集中在材料的加載方向上，例如材料加載方向上拉伸[4-5]、壓縮[6-7]、剪切[8-9]等力學(xué)行為性能和細(xì)觀損傷失效機(jī)制的研究，對(duì)于材料在垂直加載方向上的泊松力學(xué)行為研究還不多見(jiàn)。Vanswijgenhoven等[10-11]通過(guò)對(duì)單向SiC/CAS復(fù)合材料軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變行為進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，加載過(guò)程中材料的橫向應(yīng)變數(shù)值呈現(xiàn)出先減小再增大的變化趨勢(shì)，材料表現(xiàn)出顯著的階段性負(fù)泊松比力學(xué)行為；在考慮了纖維與基體的泊松效應(yīng)和熱殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上建立的計(jì)算分析模型能夠很好地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Habib等[12]在進(jìn)行單向和0°/90°疊層SiC/CAS復(fù)合材料軸向拉伸性能測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，兩種材料在拉伸損傷加劇過(guò)程中均表現(xiàn)出負(fù)泊松比力學(xué)行為，同時(shí)材料的泊松比數(shù)值隨著疲勞加載次數(shù)的增加而發(fā)生顯著下降。Camus等[13]在對(duì)2D-C/SiC復(fù)合材料軸向拉壓損傷力學(xué)行為進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，材料在軸向拉伸加載過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出顯著的負(fù)泊松比力學(xué)行為，并指出基體開(kāi)裂損傷和熱殘余應(yīng)力釋放是導(dǎo)致材料出現(xiàn)負(fù)泊松比力學(xué)行為的主要原因，但是文中并未針對(duì)材料的負(fù)泊松比力學(xué)行為及其對(duì)應(yīng)的細(xì)觀損傷失效機(jī)理展開(kāi)針對(duì)性研究。上述工作雖然通過(guò)軸向拉伸加載研究了連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的橫向應(yīng)變行為并且都涉及了材料的負(fù)泊松比力學(xué)行為，但是大都針對(duì)SiC/CAS復(fù)合材料，缺乏對(duì)2D-C/SiC復(fù)合材料泊松力學(xué)行為及對(duì)應(yīng)損傷演化機(jī)理的針對(duì)性研究，此方面研究工作還有待進(jìn)一步展開(kāi)和深入。

本工作通過(guò)對(duì)2D-C/SiC復(fù)合材料試件進(jìn)行軸向單調(diào)拉伸、單調(diào)壓縮和拉伸加卸載實(shí)驗(yàn)表征分析了材料纖維束軸向方向上的拉伸和壓縮泊松效應(yīng)，并結(jié)合不同加載過(guò)程中材料的細(xì)觀損傷行為，對(duì)比分析了軸向損傷演化進(jìn)程對(duì)材料泊松效應(yīng)的影響。結(jié)合試件拉伸斷口掃描電鏡結(jié)果和損傷失效模式分析，揭示了不同加載過(guò)程中材料表現(xiàn)出不同泊松效應(yīng)的細(xì)觀損傷影響機(jī)制。上述工作對(duì)補(bǔ)充完善2D-C/SiC復(fù)合材料的宏觀力學(xué)行為和細(xì)觀損傷機(jī)理研究并促進(jìn)其工程應(yīng)用具有重要意義。

1 試件和實(shí)驗(yàn)

1.1 試件

本工作所用2D-C/SiC復(fù)合材料采用化學(xué)氣相滲透(CVI)工藝制得。首先通過(guò)平紋編織碳纖維布疊層制得材料的纖維預(yù)制體，疊放過(guò)程中每層纖維布的經(jīng)向和緯向未加以區(qū)分而隨機(jī)分布。然后利用CVI工藝對(duì)纖維預(yù)制體依次沉積熱解炭界面層和SiC基體；在基體致密化過(guò)程中對(duì)材料板材進(jìn)行裁剪加工獲得實(shí)驗(yàn)用拉伸和壓縮試件，最終基體致密化完成后獲得的試件材料纖維體積分?jǐn)?shù)和平均密度分別約為40%和2.0 g/cm3。拉伸和壓縮試件分別采用狗骨型和直條型，測(cè)試均勻段長(zhǎng)度均為25 mm，被測(cè)矩形截面寬度和厚度分別為10 mm和3.5 mm。圖1給出了拉伸和壓縮試件尺寸、材料纖維束方向和應(yīng)變片粘貼分布示意圖，其中x，y方向分別代表加載方向(縱向)和垂直加載方向(橫向)，σx為施加應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在試件測(cè)試均勻段中心位置表面以背靠背的形式粘貼了兩枚0°/90°應(yīng)變花(BE120-4BC)用于與施加載荷同步監(jiān)測(cè)材料x和y方向上的線應(yīng)變。

圖1 試件幾何尺寸、纖維束分布方向和應(yīng)變片粘貼位置(a)拉伸試件；(b)壓縮試件Fig.1 Geometric sizes and fiber architecture of specimens and locations of strain gauges(a)tensile specimen;(b)compressive specimen

1.2 實(shí)驗(yàn)

單調(diào)拉伸、單調(diào)壓縮和拉伸加卸載實(shí)驗(yàn)均在INSTRON 5567電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每組實(shí)驗(yàn)所用試件數(shù)量分別為5件、5件、3件，實(shí)驗(yàn)加載速率均為0.2 mm/min，數(shù)據(jù)采樣頻率為2 Hz。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)試件表面粘貼的應(yīng)變花，配合DH3815 N靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)，與施加載荷同步對(duì)材料x和y方向上的應(yīng)變數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

2 泊松比力學(xué)行為

2.1 單調(diào)加載

2D-C/SiC復(fù)合材料縱向單調(diào)拉伸和單調(diào)壓縮典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線和泊松曲線如圖2所示。由圖2(a)可見(jiàn)，在單調(diào)拉伸加載過(guò)程中，材料內(nèi)部不斷產(chǎn)生的基體開(kāi)裂、界面脫粘滑移和纖維斷裂拔出等拉伸細(xì)觀損傷機(jī)制導(dǎo)致材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性特征[13]；曲線只有在拉伸損傷演化速率還比較緩慢的初始加載階段(0<εx<290 με)呈現(xiàn)出較短的近似線性段[13]。在上述初始加載階段內(nèi)橫向應(yīng)變?chǔ)舮隨著縱向應(yīng)變?chǔ)舩的增大整體呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律，材料表現(xiàn)出短暫的正泊松比力學(xué)行為；但是后續(xù)隨著εx的增大，εy也呈現(xiàn)出不斷增大的變化規(guī)律，直至試件材料發(fā)生斷裂破壞，材料表現(xiàn)出顯著的非線性負(fù)泊松比力學(xué)行為。由圖2(b)可見(jiàn)，在單調(diào)壓縮加載過(guò)程中，由于材料在壓縮載荷作用下的損傷失效主要集中發(fā)生在最終破壞時(shí)刻，所以在壓縮破壞前材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體呈現(xiàn)為線彈性[14]。在壓縮加載過(guò)程中橫向應(yīng)變?chǔ)舮隨著縱向壓縮應(yīng)變?chǔ)舩的減小呈現(xiàn)出近似線性增大的變化規(guī)律，材料呈現(xiàn)出近似線性正泊松比力學(xué)行為。

圖2 2D-C/SiC復(fù)合材料縱向單調(diào)加載應(yīng)力-應(yīng)變和泊松曲線(a)單調(diào)拉伸；(b)單調(diào)壓縮Fig.2 Longitudinal monotonic loading stress-strain and Poisson curves of 2D-C/SiC composite(a)monotonic tension;(b)monotonic compression

相比于加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線，泊松曲線具有明顯的小幅縱向抖動(dòng)，這主要是因?yàn)閼?yīng)變采集系統(tǒng)引起的數(shù)值波動(dòng)相比于橫向應(yīng)變?chǔ)舩數(shù)值的比值較大，所以上述數(shù)值波動(dòng)在曲線上會(huì)表現(xiàn)得更為顯著。另外，相比于單調(diào)壓縮泊松曲線，材料的單調(diào)拉伸泊松曲線具有更為顯著的縱向抖動(dòng)特征，這可能是由于材料在單調(diào)拉伸和單調(diào)壓縮加載過(guò)程中具有不同的損傷演化行為。

2.2 拉伸加卸載

通過(guò)拉伸加卸載實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得的材料縱向加卸載典型應(yīng)力-應(yīng)變和泊松曲線如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，由于受到加卸載過(guò)程中材料內(nèi)部發(fā)生的細(xì)觀損傷能量耗散機(jī)制和熱殘余應(yīng)力釋放機(jī)制的影響，材料的拉伸加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的遲滯環(huán)寬度δu和殘余應(yīng)變?chǔ)?特征[15]。在每個(gè)加卸載循環(huán)中，當(dāng)施加應(yīng)力σx小于卸載峰值應(yīng)力σp時(shí)，材料的拉伸損傷進(jìn)程基本停滯；當(dāng)σx>σp時(shí)，材料的拉伸損傷隨著σx的增大而不斷加劇和累積直至發(fā)生斷裂破壞[16]。對(duì)于泊松曲線，在初次加載過(guò)程中，材料在應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始近似線性段(0<εx<240 με)仍表現(xiàn)出短暫的正泊松比力學(xué)行為，隨后(240 με<εx<500 με)則逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)泊松比力學(xué)行為。在后續(xù)的加卸載循環(huán)中，當(dāng)σx<σp時(shí)，卸載過(guò)程中εy隨著εx的減小近似呈線性增大，重加載過(guò)程中εy隨著εx的增大近似呈線性減小，材料表現(xiàn)出近似線性正泊松比力學(xué)行為；當(dāng)σx>σp時(shí)，重加載過(guò)程中εy隨著εx的增大也不斷增大，材料則表現(xiàn)出非線性負(fù)泊松力學(xué)行為。

圖3 2D-C/SiC復(fù)合材料縱向拉伸加卸載應(yīng)力-應(yīng)變和泊松曲線Fig.3 Longitudinal cyclic tensile stress-strain and Poisson’s ratio curves of 2D-C/SiC composite

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，軸向加載過(guò)程中，2D-C/SiC復(fù)合材料只有在拉伸損傷加劇過(guò)程中才會(huì)表現(xiàn)出顯著的負(fù)泊松比力學(xué)行為；在加載損傷停滯狀態(tài)下，材料則表現(xiàn)出近似線性正泊松比力學(xué)行為。通過(guò)計(jì)算獲得的不同加卸載循環(huán)中“σx>σp”階段對(duì)應(yīng)的材料泊松比數(shù)值(圖3中紅色虛線段斜率)隨卸載峰值應(yīng)力σp的數(shù)值變化曲線如圖4所示。由拉伸加卸載過(guò)程中材料內(nèi)部的拉伸損傷程度與σp數(shù)值呈單調(diào)正相關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系可知[15]，2D-C/SiC復(fù)合材料的泊松比數(shù)值隨著材料拉伸損傷程度的增加而不斷減小，即材料的泊松效應(yīng)不斷減弱。

圖4 2D-C/SiC復(fù)合材料泊松比隨卸載峰值應(yīng)力的數(shù)值變化規(guī)律Fig.4 Variation of Poisson’ ratio with unloading peak stress σp for 2D-C/SiC composite

3 細(xì)觀損傷機(jī)制

3.1 斷口形貌分析

為了進(jìn)一步分析驗(yàn)證軸向加載過(guò)程中造成2D-C/SiC復(fù)合材料表現(xiàn)出上述泊松比力學(xué)行為的細(xì)觀損傷作用機(jī)制，利用掃描電鏡觀察得到的拉伸試件材料斷口照片如圖5所示，圖片四周的平行箭頭表示為施加應(yīng)力σx的加載方向。觀察發(fā)現(xiàn)，在縱向拉伸載荷作用下，材料內(nèi)部的拉伸損傷機(jī)制除了基體橫向開(kāi)裂以及縱向纖維界面脫粘、滑移、拔出和拉伸斷裂之外，還包括基體的縱向開(kāi)裂損傷。同時(shí)，拉伸斷口上縱向纖維束和基體橫向開(kāi)裂位置參差不齊的分布特征也說(shuō)明了損傷過(guò)程中基體縱向開(kāi)裂損傷的存在，另外縱向纖維的界面脫粘損傷也屬于縱向開(kāi)裂損傷。

圖5 拉伸試件斷口掃描電鏡照片 (a)低倍；(b)高倍Fig.5 SEM images of the fractured surfaces on tensile specimens (a)low magnification;(b)high magnification

3.2 損傷機(jī)理分析

基于2D-C/SiC復(fù)合材料在縱向拉伸載荷作用下的損傷失效力學(xué)行為繪制的損傷失效機(jī)理示意圖如圖6所示。拉伸損傷加劇過(guò)程中，材料內(nèi)部的橫向和縱向裂紋隨著損傷程度的增加而不斷產(chǎn)生，受材料內(nèi)部熱殘余應(yīng)力釋放的影響，上述裂紋產(chǎn)生后將會(huì)保持“張開(kāi)”狀態(tài)，并在垂直裂紋走向方向上引起整體材料的膨脹變形。縱向裂紋的不斷出現(xiàn)將會(huì)導(dǎo)致材料持續(xù)產(chǎn)生橫向膨脹變形，當(dāng)上述膨脹變形大于并掩蓋縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形時(shí)，則會(huì)有εy隨著εx的增大也不斷增大，材料即表現(xiàn)出負(fù)泊松比力學(xué)行為。另外，橫向裂紋的不斷產(chǎn)生逐漸降低了基體材料沿縱向的連續(xù)性，降低了裂紋附近基體材料的縱向拉伸應(yīng)力水平(轉(zhuǎn)移至橋連纖維承擔(dān))和由泊松效應(yīng)引起的橫向彈性收縮變形，進(jìn)而促使材料整體的泊松效應(yīng)隨著損傷程度的增加而不斷減弱[10]。此外，由于拉伸加載過(guò)程中材料內(nèi)部開(kāi)裂損傷速率的間歇性變化[17]導(dǎo)致的材料整體變形速率的短時(shí)變化，以及上述橫向膨脹變形和橫向彈性收縮變形間的相互疊加抵消作用，可能是造成材料縱向拉伸泊松曲線相比于縱向壓縮泊松曲線具有更顯著抖動(dòng)特征的主要原因。

圖6 2D-C/SiC復(fù)合材料縱向拉伸損傷失效機(jī)理示意圖Fig.6 Schematic diagram for longitudinal tensile damage mechanisms of 2D-C/SiC composite

綜上所述，軸向加載過(guò)程中2D-C/SiC復(fù)合材料的泊松效應(yīng)主要是由材料縱向開(kāi)裂損傷和熱殘余應(yīng)力釋放造成的材料橫向膨脹變形和縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形的共同影響來(lái)控制；拉伸損傷加劇過(guò)程中當(dāng)上述橫向膨脹變形大于并掩蓋上述橫向彈性收縮變形時(shí)，材料即表現(xiàn)出負(fù)泊松力學(xué)行為。在拉伸損傷進(jìn)程停滯狀態(tài)下，材料的橫向應(yīng)變主要由縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形控制，所以材料表現(xiàn)出近似線性正泊松比力學(xué)行為。在拉伸加載初始階段，由于材料的拉伸損傷速率較低，此階段內(nèi)縱向開(kāi)裂損傷造成的材料橫向膨脹變形較小并且不能掩蓋縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形，所以材料表現(xiàn)出短暫的正泊松比力學(xué)行為；后續(xù)隨著拉伸損傷速率的增加材料則逐漸表現(xiàn)為顯著的負(fù)泊松比力學(xué)行為。縱向壓縮加載過(guò)程中，由于材料內(nèi)部幾乎沒(méi)有顯著損傷的發(fā)生，所以材料的橫向應(yīng)變主要由縱向壓縮載荷引起的橫向彈性膨脹變形所控制，材料表現(xiàn)為近似線性正泊松比力學(xué)行為。分析可知，2D-C/SiC復(fù)合材料在拉伸損傷加劇過(guò)程中如果更容易產(chǎn)生縱向開(kāi)裂損傷并且橫向熱殘余應(yīng)力水平越高，其發(fā)生負(fù)泊松比力學(xué)行為的概率越高并且程度越顯著。

4 結(jié)論

(1)在纖維束軸向拉壓加載過(guò)程中，2D-C/SiC復(fù)合材料在拉伸損傷加劇過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出顯著的負(fù)泊松比力學(xué)行為；但是在加載損傷停滯狀態(tài)下，材料則表現(xiàn)出近似線性正泊松比力學(xué)行為。拉伸損傷加劇過(guò)程中材料內(nèi)部越容易產(chǎn)生縱向開(kāi)裂損傷并且橫向熱殘余應(yīng)力水平越高，其產(chǎn)生顯著負(fù)泊松比力學(xué)行為的概率越高。

(2)2D-C/SiC復(fù)合材料在纖維束軸向方向上的拉伸泊松效應(yīng)主要是由材料縱向開(kāi)裂損傷和熱殘余應(yīng)力釋放造成的材料橫向膨脹變形和縱向拉伸載荷引起的橫向彈性收縮變形共同控制，壓縮泊松效應(yīng)主要由縱向壓縮載荷引起的材料橫向彈性膨脹變形所控制。

(3)拉伸損傷加劇過(guò)程中，材料內(nèi)部不斷產(chǎn)生的橫向裂紋導(dǎo)致的基體材料縱向連續(xù)性的降低以及裂紋附近基體材料縱向拉伸應(yīng)力水平和橫向彈性收縮變形的減小，是導(dǎo)致2D-C/SiC復(fù)合材料加載泊松效應(yīng)隨損傷程度增加而不斷減弱的主要影響機(jī)制。