多向编织碳／碳复合材料力学行为研究 7页

维普资讯http://www.cqvip.com一第l6卷第4期宇航学报Vo1．16No．41995年lO月J0URNALOFASTRONAUTICSOct．1995多向编织碳／碳复合材料力学行为研究挂兰赫晓东顾震隆＼／／(啥尔滨工业大学复合材料所·喑尔滨·150001)摘要本文综述了作者近十年来在多向编织碳／碳复合材料力学性能研究方面的成果．包括力学摸型与强『v虚准则、热应力分析、断裂行为、性能预报与优化设计、超高温试验技术及组织性能与高温退化等内容，井分析了其存在的新问题和解决途径。主垃调碳，碳复台!在!丝簦1引言材料技术是航空航天的关键之一，没有材料技术上的成就，航空航天的任何方案都难以实现。碳／碳(以下简记为C／C)复合材料具有独特的综合性能，作为一种新型高温热结构材料得到了广泛承认，并已成功地用于制造航天飞机的鼻锥和机翼前沿、火箭发动机喷管喉衬、导弹端头帽、军用飞机的制动器等]。同时由于C／C复合材料的可设计性，通过改变纤维、编织形式和致密化次数，可以在很宽的范围内裁选C／C的力学性能满足使用要求。对结构设计者来说，高比强度、高比模量、高温低蠕变性能以及高破坏容限，使C／C具有很大的潜力。作为一种新型战略材料，在美、俄、英、法等国家，其研制和发展主要由空军、海军或政府预算中给予支持。我国为适应航空航天事业的发展，早在7O年代末就开始这方面的研究工作，陕西非金属材料工艺研究所成功地研制了毡基C／C，缠绕四向C／C复合材料f北京材料工艺研究所继三向正交C／C后，又初步完成了细编穿刺C／C复合材料的研制工作。然而，为了有效地利用C／C材料进行航空航天结构设计，还必须深入了解C／C复合材料在不同环境的宏、微观力学行为，获得可靠的材料性能数据0]。本文回顾了作者近十年来在多向编织C／C复合材料力学性能研究方面的成果，分析了所面临的新问题和解决前景。2力学模型、强度准则与热应力分析2．1力学模型C／C材料热结构分析的前提是建立力学模型，只有正确反映该种材料的应力一应变关系，所计算的热应力才有可能接近实际，设计工作才能建立在可靠的基础上。针对国产3DC．／C复合材料，顾震隆[等测定了拉压模量、剪切模量、泊松比、剪切极限应变等数据．建立了反映C／C复合材料的结构关系基本特征的非线性双模量力学模型，分析了模型应该本文于]994年3月10日收到 维普资讯http://www.cqvip.com第l期杜善义，多向嫡飒碳，囊复合材料力学行为研究95翼备的条件，给出表征c／c材料力学模型的一般表达式：G=cJr口()]+c[一()]i，J，量=1，2"．．·，6式中[()]是阶梯函数，根据^()的正负号来决定()]=1或0。同时，从拉伸、压缩、双轴拉伸、双轴压缩等实验证明，3DC／C复台材料在拉伸、压缩时的应力一应变关系基本上是线性的。只有剪应力一剪应变是非线性的，非线性行为从一开始就很明显，破坏时的剪切应变很大，可达(2～3)×IO。实验测得的剪切应力一应变拟合关系；r；／口+b／7(7口／b)式中：z向：a；2．75×10。m。／N，b；8．3×10。m／NXY平面la=3．42×10一。m。／N，’b=7．63×10一。m／N即考虑双模量特性又考虑剪切非线性，因此形成了完整表征ClC材料的力学模型，与如nes通过测定AVCOMod3ac／c复合材料主方向上的拉伸和压缩特性曲线建立的jone$一Nel—son—Morgan非线性多模量材料模型类似可用于准确分析c／c结构部件的应力场。2．2强度准则3DC／C复合材料强度准则是其结构设计和校核的主要依据，在现有的国内外文献中没有3DCIC强度准则方面的报道，只有在个别文章中讨论到最大应力最大应变强度准则对设计的影响。我们通过简单受力、双轴受力的实验数据在适当的应力空间中比较不同准则，提出以可作为设计依据的3Dc／c材料在复合状态下的强度准则。为考虑试验数据的分颤性，用t一分布来衡量实验强度的置信度“]。2．33DC／C端头帽热应力分析导弹再入大气层时，在几十分之一秒内，端头帽表面温度可达到25oo~35oo~C。美国针对3DC／C端头帽的热应力分析已发展了几种计算程序，其中用得最多的是SAASI。该程序是根据石墨材料的端头帽来研制的，石墨材料的应力一应变关系。为适合于国产3DC／C材料端头帽热应力计算，在SAASI基础上重新研制了计算程序NSAAS，其优点是反映国产BDC／C的双模量模型，根据材料主方向的应力来决定用拉伸模量还是压缩模量以及广义胡克定律中柔度矩阵主对角线两边的柔度系数如何确定·考虑材料剪切非线性行为}程序中增添了3DC．1C材料的强度准则以检查结构的安全性}在分析结束后，可以图形输出直观地描述物体变形情况、应力分布}通过端头帽的应力分析来比较纤维和织物的不同编织方案及端头帽的不同设计方案的优劣，使设计趋向最佳化。结果表明t改变不同方向的纤维根数对环向和径向的弹性模量和应力的影响比较显著，而对轴向的应力影响很小，对RZ平面内的剪应力几乎没有影响＼3材料的薯度与断裂3．1多维编织碳／碳复合材料的强度c／c复合材料在碳布铺设，纤维束穿刺以及随后的浸渍、碳化、石墨化复合工艺过程中，产生一系列机械损伤，对碳纤维束最终强度带来明显影响。我们通过自制设备潸定了3D正交c／c复合材料中纤维束的拉伸、扭转性能，细编穿刺c／c材料z向纤维柬性能，用坑 维普资讯http://www.cqvip.com宇航学报第l6卷计方法分析了工艺、织物结构因素对细编穿刺c／c材料纤维束性能的影响．证明工艺过程将大大降低纤维的性能，其中特别是纤维的强度。研制了一套基体剪切试验装置，根据实验数据对多个试样的结果拟合，得到剪应力一应变关系。利用微脱粘实验技术在界面力学模型和理论分析基础上通过实验测定和有限元计算，系统地研究了细编穿刺czc复合材料Z向纤维束内纤维与基体以及X-Y向碳布与基体的界面剪切强度，用扫描电镜分别研究了其界面结合情况。研究了三种细编穿刺c／c复合材料的室温力学性能。为了获得表现宏观各向同性的材料特性，必须减小XY向碳布的穿刺损伤，增加z向纤维束的间距，把z向和XY向的增强作用调节到适当值。根据宏观断口和SEM观察确定XY向和z向拉压破坏模式，XY向的压缩为碳布剪切破坏，z向压缩为纤维基体界面局部因剪应力作用而脱开并逐渐压突或屈曲，整个z向纤维束散开失去承载能力tXY向拉伸时，碳布沿厚度台阶断裂，应力一应变关’系表现出双线性。对z向拉伸．首先是低应力下基体开裂，微裂纹通过基体碳集聚区扩展．纤维抑制作用使其沿纤维／基体界面扩展，在纤维束某一薄弱环节断裂拨出．最终失去承载能力针对这种模型．按统计强度理论可得应力一应变关系为[tfE~pE一(m+1)rLTrE：)]—三一[AoSo"r(m+1)]，¨z^一式中，A。、So、nl为两参数Weibull参数．t为界面剪切强度，R、f为纤维束直径和体积分散，由文献中有关3DC／C数据得出细编穿刺c／c材料z向应力一应变理论曲线，与实验符合较好。3．2碳／碳复合材料断裂行为c／c材料在复合过程中，不可避免地会产生工艺缺陷，为了确定其报废标准，就需要进行断裂行为的研究。]。通过在偏光显微镜上加装自制的附件，使之能够一面加载，一面观察3DC／C裂纹尖端在受力情况下的表现，同时作3DC／C在2—2平面和2—3平面内的简单拉伸和偏轴拉伸试验．结果表明：在0≤腮5。时，裂纹自相似扩展I5。<0<15。，裂纹先自相似扩展．最后沿纤维束(或垂直纤维束)剪断试样}15。≤0≤75。，在裂纹先自相拟扩展，最后沿纤维束(或垂直纤维束)剪断试样I15≤B≤75．在裂尖处剪断试件“]。所有破坏都是灾难性的，没有稳定扩展过程．裂纹尖端没有机会形成分支，材料的缺口强度决定于裂纹尖端处的纤维束的强度，困此可以把3DC／C转化成纤维束单向增强的复合材料强度问题来解决，0≤15由纤维束的拉伸强度决定．纤维束同时受拉应力和不可忽略的剪应力，其强度随剪应力变化I在15。≤e≤75。纤维束强度完全由纯剪切强度来决定。从大样中切取纤维束试件，测量拉伸、剪切、拉剪、剪拉下的纤维束强度．证明其符合Weibul1分布，并求出a、8值。通过计算裂纹尖端的应力值，简单拉伸情况下用剪滞法，其它情况下用有限元法。用剪滞法计算时，要计算有限宽试件内的应力．即要计算Hedgepeth无限大试件的应力集中系数的修正系数，用有限元法计算时用Global—Local方法先按均匀的3DC／C材料计算裂纹尖端较远处的应力，然后再计算各单层内的应力，给出裂纹尖端应力集中0]。用单层内算得的应力．核实实验所观察到的损伤机理．最后用Zweben的概率强度准则预报各种情况下3DC／C材 维普资讯http://www.cqvip.com第4期杜善艾：多向编织碳／硅复合材料力学行为研究97料试件强度·并与试验结果比较。小偏角：=口=VIE"(1+古)‘南)”[2一‘专]太偏角：=』=鬈打簧(南)I，P(1+吉)式中户：p(k口)：1一expE一2M(k／。)]．为垂直于切口的纤维束层数，为失效长度。为了分析毡基C／C复合材料的断裂特性，我们把其简化为短切纤维增强复合材料，建立相应的增韧模型和表达式，分析了其裂纹扩展阻力特性。4性能预报与织物设计在设计C／C材料结构部件时，需要考虑C／C材料的不同编织方案。我们由组分材料的基本性能，用细观计算力学的方法来计算不同编织材料的力学性能和高温性能，优化材料编织方案选取一个代表性单胞(UnitCel1)，即包括不同取向纤维束和基体、真实地反映复合材料结构各个细节的最小单位；单胞在空间规则排列构成它所代表的复合材料。通过建立复合材料的等效性能与状态变量平均值之间的关系，可以用与均匀值之间的关系．可以用与均匀各向同性材料应力一应变关系相同的形式来描述复合材料单胞：IJ=％这里c是单胞的有效模量．即材料的总体模量。单胞的平均应力、应变是每个单元应力、应变的体平均：|一l{d：ljd预报C／C材料的宏观弹性常数就是预报Ci(，=1，2⋯，6)。对非均匀的C／C材料，材料中产生的应力场是非均匀的，为了求出平均应力，采用有限元法首先求各相材料(纤维、基体)中的应力，然后均匀化。这样在给出几组不同的边界条件下，可以很快求出。为了求出C令应变：己一常数，=；一==0，则平均弹性应力一应变关系变成：．J得：C一鹰，同样可求出C及其它弹性常数。4．12DC／C材料性能预报将3D编织材料简化为Eo／9o]。正交反对称层合板，基于Kirchhof—Love假设，利用经典层板模拟分析编织参数对2D编织复合材料性能的影响。2D编织复合材料x一向，Y一向局部刚度为：1⋯，’Q音[2-~ji：，Qu)da+(一一Z)Q] 维普资讯http://www.cqvip.com宇航学报第16卷式中是织物缎数，n为纱线宽度，定义见F19]。．4．23DC／C材料性能与织物设计根据实测的3D正交C／C纤维束、基体性能，有限元方程和材料单胞模型，编制了专用非线性程序。有限元程序中采用8节点三维等参元，非线性计算采用增量理论。研究了界面脱粘对3D正交C／C材料剪切非线性的影响0。同时根据细编穿刺C／C材料组分(纤维、基体)的高温性能数据，参比国产碳纤维的强度与模量，预报了其高温性能，结果与实验吻合。着重研究了纤维束K数，碳布缎数以及z向穿刺纤维束间距对C／C复合材料高温性能的影响，结果表明：碳布缎数对性能影响不大，对性能影响最大的是z方向的织物参数，通过正确选取这些织物参数可以获得复合材料所需的性能，指导材料设计0Ⅲ。5材料超高沮性能与徽结构5．1超高温力学性能测试技术系统地运用超高温力学性能测试理论，建立了一套碳基复合材料加热、控温、测温、高真空、加载和数据采集一体化的快速通电加热测试技术ce“。设计光电高温计控温模块和孔径光栏，实现2800~C的加热控制。利用3000"C超高温非热接触红外辐射温度计测温}设计适合国产W／Re热电偶的线性化补偿电路和控温模块，增加2300"C的热电偶接触测温功能I按照热传导理论，根据材料的热学性质、内部热源、初始条件和边界条件，用有限元法计算各点在各瞬时的温度场，与红外热像仪实测结果吻合。利甩上述技术完整地测试了细编穿刺c／c复合材料高达28oox]的拉伸性能和高达29oo~c的压缩性能，分析了其随温度的变化规律，给出了相应的多项式拟合函数[2]。5．2毡基c／c的组织、性能与高温退化毡基c／c复合材料中毡丝排列有一定取向，表现为准横观各向同性，其强度主要取决于CVD碳包覆碳纤维的皮芯双层结构，碳丝相互交接形成封闭自锁网络降低了纤维的增韧效果。毡基C／C的烧蚀规律受碳纤维、沉积碳和浸渍碳复合组织的缺陷和致密度支配，随着温度升高，不同碳热膨胀失配，在界面的薄弱处产生裂痕，成为输送氧的通道，加速了烧蚀，当达到一定高温后，浸渍碳开始挥发，28oox]短时内碳纤维即完全暴露，部分碳纤维端头．芯部被严重烧蚀[2。5．33DC／C氧化与烧蚀机理针对非均质、各向异性C／C材料在超高温和非平稳状态下的应用条件，分析了C／C复’合材料的低温氧化动力学，并将其分为三个阶段AtnlI区：1一fIm<25％1me0f垒：I区fIA辨m,<70％1mo‘oJatnl·I区：1一fIAm,>70％1mo辨0f式中，Am,为某一时刻的失重，^(一1，2，3】为氧化速率，根据氧化活化能计算和SEM观 维普资讯http://www.cqvip.com第4期杜善义多向编织碳／礞复合材辩力学行为研究99察确立了不同温度下的氧化机理。用XPS分析了不同温度低真空环境氧化的C／C复合材料纤维表面结构官能团的变化，提出碳氧化的微观过程为“：一c—c≤。c：c0o＼o马c。t通过研究C／c复合材料超高温下的烧蚀机理与烧蚀产物，建立了相应的非平衡烧蚀模型，由XRD分析探讨了超高温下C／C复合材料擞结构的演化I并从C／C复台徽结构出发．建立了氧化的质量守恒方程和边界条件t具体分析了扩散控制与反应动力控{}j对C／C复合材料氧化的影响，为C／C热结构部件的烧蚀塑面分析和高温烧蚀情况下结构优化设计刨造了条件。6问曩与晨望(1)多维编织材料既是一种材料，又是一种结构，由于其增强纤维在毛坯中是连续的，用传统的取试片方法表征c／c材料的性能代表不了实际的材料性能，因此需要进一步开展多维编织的性能表征与测试规范研究}(2)编织材料的增强体是织物．其性能的主要影响因素是织物结构，包括纤维柬、编织参数t这里存在一个织物结构的优化问题。8O年代发展起来的多维整体编织技术，其纤维的交叉给力学处理带来了困难。(3)C／C材料成本高，生产周期长，因此用1·1的毛坯来研究是不经济的，必须找出试件与缩比件之间的性能对应关系．使得能够直接用小试片缩比件来代表1t1真实结构件的材料性能。(4)由于工艺的限制，多维编织C／C-材料不可避免地存在缺陷t它们对高温恶劣环境下工作的C／C部件的安全性的影响，存在着对其严重性评定的问题，因此需要开展含缺陷C／C材料细观热强度与损毁机理研究针对上述新问题．目前我们正在国家自然科学基金及中国航天工业总公司支持下，力学与材料科学、宏观与微观、理论与实验结合开展研究，可望在较短的时间内获得进展。，参考文献1顾震壹．三向礞礞材料简升．复音材料学报，1988，5(4)．2韩杰才，辩晓末，杜着义．破礞复音材料研究现状与进晨．宇航材料工艺．1994，23(4)1-11．3顾震盎等．NonJine~crBimoctulusModelStrensthCriteclonof4DC~bonc毫rbenMBteri毫1．J．CompositeMatefi-als，1989，23(3)，988．4履震隆．三向碳碳材料的非线性双模量力学模型和强度准舅I．复合材料学报，1989，6(2)．5顾震窿等．NonlinearBimodulu~ModelandStrengthCritefionofTridirectiomdlyWovenFiberReinfo∞edCompositeMaterials．Proc．IntmpoofCompoeiteMat．8LStructure，Beijin~，June1986I757—761．6郭勇平，崩震詹．三向硪蕞瑚头帽热应力分析．复音材料学报，1988．5(4)． 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