平纹编织csic复合材料力学性能 46页

摘要摘要平纹编织C／SiC复合材料具有耐高温、抗氧化、耐磨损以及热稳定性良好等优点，所以在航空航天等领域得到了广泛的应用。但是要充分发挥材料的优异性能，就必须充分了解材料的力学特性，因为材料的力学性能是其设计和应用的最重要的依据，因此对平纹编织C／SiC复合材料进行力学性能研究以解决好材料在各种复杂环境下应用的可靠性问题具有十分重要的地位。本文介绍了平纹编织C／SiC复合材料在两种不同比例载荷的双向拉伸试验，分析了材料在双向受力和单向受力的应力．应变曲线分布情况，得出材料在比例荷载为1：1的情况下，其单向受力和双向受力的力学行为相似，说明了材料的横向效应不明显。文中还介绍了平纹编织C／SiC复合材料悬臂粱的弯曲试验，通过对试件进行峰值荷载逐渐递增的循环加卸载试验，分析不周弯矩下卸载模量、残余应变的变化，比较了不同弯矩下的应变关系和同一弯矩下上下表面的应变情况。得出弯矩越大，材料损伤越大，残余应变越大：分析得出材料具有明显的拉压异性的特征，试件受压表现为很好的线性关系。基于试验研究结果，本文通过卸载点应力和加载斜率的线性关系建立描述平纹编织C／SiC复合材料拉伸试样损伤演化的应力．应变关系，得出模拟的应力．应变曲线与实际测得应力．应变盐线吻合的比较好。关键词：平纹编织C／SiC复合材料双轴拉伸悬臂粱弯曲应力．应变 ABSTRACTPlainweaveC／SiCcompositematerialshavehi曲temperatureresistant，fightoxidation,Weal"resistanceandgoodthermalstability,etc，Soinaerospaceandotherareastobeawiderangeofapplications．ButtOgivefullplaytOtheexcellentpropertiesofmaterials，wemustfullyunderstandthemechanicalpropertiesofthematerial，Becausethemechanicalpropertiesofmaterialsisitsdesignandapplicationofthemostimportantbasis，ThereforeforplainweaveC／SiCcompositematerialsformechanicalpropertiesinordertOsolvegoodmaterialsinvariouscomplexenvironmentthereliabilityoftheapplicationisveryimportantposition．ThispaperintroducestheplainweaveC／SiCcompositematerialsintwodifferentproportionofloadtwo—waytensiletest，Analyzedthematerialsintwo-waystressandone··wayforceofthestress-·straincurvedistributionsituation,Drawmaterialsinscaleloadof1：1，itsone-waystressandtwo-waystressthemechanicalbehaviorofthematerialsthatsimilar,horizontaleffectiSnotobvious．11抡paperalsointroducestheplainweaveC／SiCcompositematerialscantileverbeambendingtest，Throughtheresultsofpeakloadincreasesgraduallycirculationandunloadingexperiments，Analysisunderdifferentbendingmomentunloadingmodulus，thechangeoftheresidualSWain,andthecomparisonofthedifferentunderbendingmomentofthestrainrelationsandthesamemomentthestraindown．natmoment,thegreaterthematerial，thegreaterthedamagethegreatertheresidualstrain；AnalysisofthematerialhasobviousandcompressioncharacteristicsoftheoppositeSeX，specimenunderpressureforagoodlinearrelationshipbetweentheperformance．Basedonthetestresults，thispaperthroughtheunloadingpointstressandloadtheslopeofthelinearrelationshipdescribeplainweaveC／SiCcompositematerialstensilesamplesdamageevolutionofthestress·strainrelationship，n圮simulationthatthestress．．strainourvewiththeactualmeasurementstress．．straincurveanastomosiswiththebetter．KeyWords：PlainweaveC／SiCcompositesMulti—axialtensileBendingtestStress．StrainⅡ 第1章绪论1．1选题意义及背景纤维增韧陶瓷基复合材料是应时代需求，在现代科学技术进步的基础上发展起来的复合材料。它是由两相或者两相以上的不同性质材料通过先进的工艺复合而成【11。由于复合材料不同性质的各相材料在性能上互补或增强的作用，所以可以得到某单一材料所不具有的一些性能，而且还能根据对复合材料的实际使用要求进行设计和制造，充分发挥材料的优异特性，提高工程材料的使用效能。陶瓷基复合材料不仅具有质轻，高强度、耐高温、抗氧化等许多突出特性，而且材料还具有较好的力学性能，特别是提高了厚度方向的力学性能；纤维增韧陶瓷基复合材料不但具有陶瓷材料的耐高温，密度低，化学性质比较稳定等优点，而且还克服了单相陶瓷材料的脆性大易断裂的缺点，增强了材料的断裂韧性f2】。在过去的几十年中，陶瓷基复合材料得到快速发展，并使用它制成的部件已在航空航天等许多发动机上得于应用，是适应航空航天科技的发展的一种新型耐高温复合材料。总而言之，陶瓷复合材料作为一种新型的材料具有许多传统陶瓷材料所不具备的优点，是当今世界上航空航天高温结构材料的研究重点。然而我国对于这种材料的认识还只是处于初级阶段，所以我们必须对这种材料作一个更加深入的认识和研究。只要能更好地掌握材料的力学特性，才能更好地指导材料的设计和制造。由于材料在服役环境中往往处于某种应力场之中，因此研究材料在不同载荷下的力学响应是材料投入工程应用的基本前提。1．2国内外研究现状陶瓷基复合材料因其高强度、高硬度等一系列特点推动人们对陶瓷基复合材料进行广泛而深入的研究，陶瓷基复合材料也日渐成为广泛应用的一种耐高温复合材料。用作航空航天等发动机材料时，可以大幅地提高发动机的效率，降低油耗。国外很多发达国家已在20多年前就开始对陶瓷基复合材料进行了研究，并在需要轻质，耐高温的航空发动机、宇宙火箭等很多领域取得广泛的应 第1章绪论用，是一种极有发展前景的复合材料。目前，我国制各陶瓷基复合材料的技术已经取得非常大的进展，而且逐步应用到实际使用当中。国外对陶瓷基复合材料进行辅助设计和应力分析，多采用连续损伤力学和唯象学本构关系进行描述。唯象学本构关系主要出现在美国【3l，以获得应力、应变的对应关系为直接目的，不考虑材料弹性性能的变化，不能描述卸载的过程。连续损伤力学方面的研究主要集中在法国Bordeaux大学、巴黎第6大学、法国国家航空宇航局，已经出现了多种损伤模型p。151，分别以Ladevcze、Chaboche和Camus为代表。Ladeveze提出的通用各向异性损伤力学理论，被用来描述C／C，C／Epoxy以及平纹SiC／SiC等多种单向复合材料的力学行为，能够解决多种损伤机制引起的性能下降，以及损伤机制的各向异性特性和取决于微裂纹、微孔洞闭合的拉压单边特性，弥补了各向同性中单一损伤形式这一理论的不足【12】。后来，Gasser和Ladevez将这一理论推广到多向层压板，其尺度为细观铺层层次，来模拟SiC／MAS．L陶瓷基复合材料多向板【121。而Siron、Paihes、Lamon[玎l进一步将Lade*cgze的复合材料损伤理论用于2．5D．C／C材料，采用三个损伤标量表示性能的下降，其中两个通过纤维方向的拉伸得到，剩下的一个通过450方向剪切和拉伸的耦合得到，对材料在外载作用下的残余应变通过塑性理论描述。在非弹性应变和损伤因子成正比的前提下，最后仅有两个损伤变量，描述剪切因子的是两个主方向拉伸损伤的线性组合，体现了拉伸和剪切耦合的特点。但是对于压缩情况以及拉压单边特性未作讨论。Chaboch[剐模型采用标量形式的损伤变量表示复合材料损伤，分别对应沿材料三个主方向的各向异性特性。通过有效应力引入以裂纹闭合为机制的损伤钝化，以垂直于裂纹的正应力或正应变判别裂纹闭合与否，采用Helmholtz自由能为热力学势，引入应变量岛，说明某些复合材料的残余变形。后来Chaboche和Mairell4l基于微裂纹力学，对损伤钝化法则进行了改进，考虑了闭合效应及相应弹性能存储。该模型采用两套损伤力学状态变量，标量对应于取向与增强体相关的微裂纹，二阶张量表征其它的微裂纹，随最大主应变方向演化。该模型被用于预测SiC／SiC复合材料单轴多轴单向和循环加载行为。Camus[91基于对损伤的微观观察进行假设，以柔度的变化作为损伤因子，使用连续损伤力学理论，得到了正交各向异性陶瓷基复合材料的宏观本构模型，用以描述材料在复杂载荷下的力学行为。一定程度上克服了连续损伤力学损伤变量物理意义不明确的缺点。基于热力学势和耗散势，在对偶热力学力空间中表示演化方程。并将相应理论用于化学气相沉积工艺制备的二维2 第1章绪论机织SiC／SiC复合材料。要求材料为损伤弹性，模型能够考虑损伤钝化效应。验证试验表明，模型对比例加载具有非常好的预测能力，适宜植入通用有限元软件，对复杂结构进行分析，以有效的辅助结构设计。但是难以考虑加卸载过程中的迟滞环效应，对多种损伤耦合，特别是包含剪切加载时，预测结果和试验有较大的差异。在他的理论中还给出了失效准则，采用多准则联合判断失效，以对应不同的失效模式。当有效正应力达到极限值时，发生拉伸破坏；当剪切损伤变量达到临界值时，发生剪切破坏；当压缩余能达到极限值时，发生压缩破坏。对单一偏轴载荷作用下的失效，预测结果和试验吻合较好。Paihes、Camus、Lamon[15l沿用了Camus的思路，对3D．C／C非线性损伤过程的模拟同样采用了柔度变化作为损伤变量，非弹性应变用塑性理论表征。在国内，陶瓷基复合材料力学性能的研究工作起步比较晚，而且主要集中在哈尔滨工业大学杜善义带领的C／C复合材料研究组【16‘1。丌、西北工业大学张立同院士带领的C／SiC、SiC／SiC复合材料研究组【18。6】以及圆防科大营英斌等人[271。张立同研究组内的矫桂琼、陶亮、王波、管国阳等人对陶瓷基复合材料的力学性能表征、强度理论、损伤和断裂机理进行了研究。管国阳在他的博士论文中，基于Camus的损伤力学框架，进一步考虑了残余变形，对平纹编织陶瓷基复合材料在拉剪作用下的应力应变关系进行了模拟。国内陶瓷基复合材料损伤本构理论及其应用方面的研究较少。我国在陶瓷基复合材料本构理论和材料有限元模型方面的落后现状，阻碍了材料的应用。纵观国外的发展历史和现状，可以看出用于陶瓷基复合材料的连续损伤理论逐步考虑了材料的细观损伤机制，具有较为明确的物理意义，体现了细观损伤力学与连续损伤力学的结合趋势。损伤理论和实验相结合，尽可能准确、完善的描述材料的力学行为，能够用来分析复杂构件在复杂工况下力学响应的模型是目前国内外都在进行的研究工作。1．3本文研究的主要内容复合材料的试验研究是促使复合材料取得巨大发展的一个重要因素，所以，研究和掌握这种材料的力学行为对其在今后的设计和应用方面具有举足轻重的作用。通过试验可以得到复合材料的力学行为及其响应的变化规律，以此用来指导材料的设计，使相关设计部门进行有目的地改进工艺技术，进而发挥材料 第l章绪论的优异性能。随着C／SiC复合材料在逐步的投入实际使用中所表现出来的一系列的优异性能，现在越来越受到更为广泛的关注，针对C／SiC复合材料的力学性能开展了许多研究，西方发达国家已经把这种复合材料应用到航空航天等领域。但是我国对C／SiC复合材料的研究还处于起步阶段，与发达国家相比，在研究的广度、深度和应用等方面还有很大的差距，目前我国的导弹、运载火箭等迅速发展极大地促进了航空发动机技术的发展，对高效能的C／SiC复合材料提出了非常迫切的需求。这对于力学研究者来说，既是难得的机遇，同时也面临着许多挑战【2羽。虽然陶瓷基复合材料已被广泛应用于航空航天等领域，是新一代极具发展前景的高温热结构材料，然而对于陶瓷基复合材料性能的认识仍然是非常不够的，要充分发挥材料优异的性能，就有必要分析复合材料在各种荷载下的力学行为。李龙彪等【29】人对C／SiC复合材料在单轴拉伸试验时表现的力学行为进行了微观上的研究分析，考虑了纤维束的体积含量对材料结构的影响。杨国标等130]人进行材料的双轴拉伸的规律的研究，通过光测方法对复合材料进行了双轴拉伸试验，确定了复杂的本构模型中的材料常数，达到更为准确地描述材料的复杂力学行为。罗斌等【3l】选用PVDF膜材，进行了单轴、双轴拉伸试验，掌握了这类膜材的力学特性。在低于15％极限强度范围内时，其应力．应变关系基本呈线性，得出膜材的径向模量在单轴拉伸和双轴拉伸时基本一致，但是维向弹性模量在双轴受拉是比较大。倪静，罗仁安等幽J对PVC膜材料进行7种不同应力比下的双轴拉伸试验(1：5、0：1、1：2、l：1、2：1、5：1和1：o)，对膜材料在双轴拉伸作用下的拉伸特性进行了研究，得出建筑膜材料具有非线性及正交各向异性的力学性能。其次生活中处处可见悬臂式货架，悬臂式起重机等，所以任何材料投入使用都有必要对他的一些基本特性进行研究。王璋奇等【33】以粱振动理论为基础，建立含裂纹悬臂梁振动分析模型，得到特征方程，实验证明裂纹的存在使悬臂梁结构的刚度减少。陈帅，李斌等[341通过对充气悬臂梁在弯曲载荷下的静力学研究，考虑了悬臂梁在弯曲应力下弯曲轴力、自由端端板承受的压力、弯曲剪力及环向张紧力的综合效应，并从材料承载特性出发，提出了采用最小主应力为零开始起皱作为起皱判据的研究方法，提出的起皱角与弯曲载荷的解析关系式，能有效判定结构的临界起皱点与整体失效点，充分研究了充气悬臂梁的弯曲失效行为。周春天等【35】考察粱长对悬臂梁振动测定材料动弹性模量的影响进行了研究，模型试验表明：由悬臂梁振动测定材料动弹性模量的方4 第1章绪论法明显受到梁长和梁高比值的影响，通过双轴等比例实验确定损伤演化方程。假设材料每个时刻的应力状态都在材料屈服面上，加载的过程就是材料逐步损伤的过程。在实验过程中，进行峰值应力逐步增加的加卸载来确定在复杂载荷作用下，材料各向异性柔度系数的变化，进而获得材料损伤变量的变化，得到各损伤变量随载荷的变化关系。平纹编织复合材料的微观结构比单向纤维增强陶瓷基复合材料更加复杂，纤维柬弯髓成各种复杂曲线存在于基体之中，内部有比较大的孔洞，通过试验测定材料的宏观力学性能可以为深入研究材料的损伤演化机理奠定基础p州。作为一种各向异性材料，材料的应力一应变关系等结构特性，是关于材料的一些本质特性，弯曲特性是其不可或缺的一个方面。本人将在平纹编织C／SiC复合材料的单‘向拉伸和加卸载试验的基础上进一步分析平纹编织C／SiC复合材料的双轴拉伸试验和悬臂粱弯曲试验的力学性能，研究描述材料拉伸弯曲的应力．应变关系的表达式，为以后进一步构建复杂载荷作用下材料的各向异性损伤力学理论奠定基础。 第2章平纹编织C／SiC复合材料双轴拉伸试验2．1陶瓷基复合材料的制作工艺化学气相渗透(cvI)是制各陶瓷基复合材料的一种非常重要的工艺技术。CVI的制造原理是将气态先驱体一带有多孔隙的纤维编织预成型体中的纤维表面，在纤维表面发生化学反应，生成非挥发性的产物并沉积，沉积物形成陶瓷基体，与预成型体中的纤维一起构成陶瓷复合材料。CVI工艺主要用于生产连续纤维增韧的陶瓷基复合材料。因为预成型体的形状与尺寸决定了产品的外形与尺寸，所以可用于净成型而无需对复合材料产品进行第二次机械加it3"n。传统的陶瓷复合材料制各技术需要经过烧结处理，也就是陶瓷颗粒在高温高压下烧结，成为陶瓷基复合材料的基体，这种高温和高压会对纤维造成损伤。比如，作为预成型体材料的Nicalon纤维，如果温度超过10000C以上时，其性能严重退化，但是作为复合材料基体的SiC颗粒需在19000C才能进行烧结。另外，很多高模量的增韧纤维对于机械应力非常敏感。因此，传统的高温高压烧结技术很难适应绝大多数陶瓷基复合材料的制造。基于此，改进的工艺技术应当能降低其成型温度和压力以避免上述不利影响。即不再通过烧结技术使颗粒化学反应成复合材料的基体，而是在相对比较低的温度下将有机先驱体转化为陶瓷复合材料的基体。因此化学相渗透技术在陶瓷基复合材料中才得于开发和应用。典型的CVI过程中的传质和化学反应包括以下几个步骤：①一种或者多种气态先驱体(源气)通过自由扩散或由压力差使源气定向流动至预成型体周围；②气态先驱体通过孔隙向预成型体的内部渗透：③源气被吸附在预成型体的孔隙内(即纤维周围)；④源气在孔隙内发生化学反应。生成的固体产物(成晶粒子)沉积于孔隙壁上，成晶粒子经表面扩散排列成晶格点阵，使孔隙的表面越来越厚，同时生成气态副产物：⑤生成的气态副产物从孔隙壁上解吸，并扩散于载气中，随着载气从系统中排出。我们使先驱体发生化学反应并将反应物沉积于它上面的部分为基地，用CVI技术制备陶瓷基复合材料时，基地最先是预成型体中的纤维表面，或者是包裹于纤维周围的涂层的表面。随后，基地则是陆续沉积和逐渐加厚的反应产物。6 第2章平纹编织C／SiC复合材料双轴拉伸试验通过CVI所沉积的有用的反应产物称为基质，它是陶瓷基复合材料的基体1371。CVI技术按照对工件和源气加热和加压的方式和特点分为等温CVI，温度梯度CVI，压力梯度CVI，温度梯度．强制流动CVI和脉冲CVI。平纹编织C／SiC复合材料的使用技术是温度梯度．强制流动CVI技术。温度梯度．强制流动CVI技术是将温度梯度CVI技术和压力梯度CVI技术相结合的方法，工件承受温度梯度的同时也承受压力梯度。气态先驱体在压力驱动下通过工件的冷端到达工件的热端并发生化学反应，沉积下陶瓷基体并排除挥发性副产物。采用温度梯度．强制流动CVI可以使工件迅速均匀地致密化，气沉积速率与气流方向的工件厚度有关，一般可达0．5mm／h。这种方法特别适用于大尺寸形状规则的结构件，如管形件，尤其适用于薄壁件，但它对工件的厚度并无限翻。CVI陶瓷基复合材料的主要应用是高温环境下的部件，例如涡轮叶片，火箭发动机喷管等。在这些使用条件下，金属材料缺乏足够的高温机械强度和抗氧化能力，而且密度太高：未增强的陶瓷材料缺乏韧性而容易突然失效；C／C复合材料也因容易氧化而需作专门的防氧化处理。可见，CVI陶瓷基复合材料在这一领域具有十分令人鼓舞的应用前景。2．2试验材料本文实验所用的增强物为正交编织碳布，在面内两个方向具有相同的纤维柬和间距，叠层成平纹布预制体。在纤维表面沉积热解碳作为界面层，CVI工艺反应沉积SiC基体。所制各的复合材料简称C／SiC。经过多次表面打磨和再沉积，得到致密复合材料板。最后沉积SiC基体到试件表面可起到防氧化的作用。试件研制成功后的密度大约为2．1．2．29／cm，基体含量45％，孔隙率15％左右，纤维含量40％。CVI法制备的SiC基复合材料的密度是钛合金的400／"0-60％，是超耐热合金的25％．50％，增强体是碳纤维，其机械性能在14000C下可保持不变，这个温度远远超过了大多数金属材料的使用温度。’但是以Nicalon纤维为增强体时，复合材料的性能在温度超过10000C时开始降低。这是由于Nicalon纤维中含有Si02和自由碳，在高温时纤维性能发生退化所致。研制中的成分符合化学计量的SiC纤维将克服这一缺点面使复合材料保持比较稳定的高温力学性能。通过CVI工艺制得不同温度试件的性能如表2．1所示。7 第2章平纹编织C／SiC复合材料双轴拉伸试验用连续纤维增强陶瓷基复合材料，纤维的基体中的取向，各方向的纤维配置与含量，决定着复合材料的机械性能，如强度，模量等。通过对纤维配置方向与含量的设计，可以对这些性能进行调节，例如使它们成为各向同性，或者成为各向异性，即在指定的方向上具有能够满足该方向上的特许要求的各项性能水平f3引。二维编织又称平面编织，它用两组以上的纱线在织布上完成。当两组纱线正交时，编织物长度方向的纱线为经线，宽度方向的纱线为纬纱。纬向纤维束纱线连续波浪状起伏，没有直线段，纤维束纱线扭结处存在经向纤维束纱线错落产生的间隙，其结构示意图如图2．1所示。图2．2为平纹编织复合材料的微观结构示意图，经纱和纬纱之间孔隙如图所示。图2—1编织材料的结构示意图囝 第2章平纹编织C／SiC复合材料双轴拉伸试验图2．2平纹编织C／SiC复合材料的微观结构材料中经向纤维束纱线中曲线可以表示为：㈣掣bin(2一丝a)，一昙4