3D C_C复合材料超高温剪切性能试验研究.pdf
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1、2023年10月 强 度 与 环 境 Oct.2023 第 50 卷第 5 期 STRUCTURE&ENVIRONMENT ENGINEERING Vol.50 No.5 收稿日期:2023-06-30;修回日期:2023-09-08 基金项目:国家自然科学基金项目(12090034)作者简介:许承海(1978-),男,教授;(150080)哈尔滨工业大学科学园 A 栋.3D C/C 复合材料超高温剪切性能试验研究 许承海 戴新航 孟松鹤(哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所,哈尔滨 150080)摘要:C/C 复合材料同时结合了纤维增强复合材料高性能、可设计性和碳素材料优异的高温性能和化学稳
2、定性等优点,广泛地应用于固体火箭发动机喷管、高速飞行器头部与翼前缘等热端部件。怎样正确评价 C/C 复合材料的超高温力学性能,成为了其能否合理使用的关键因素之一。本文将基于 C/C 复合材料良好导电特性的试样直接通电加热技术与复合材料双切口压缩剪切试验技术(DNS)相结合,提出了一种可用于温度达 3000的材料超高温剪切性能试验方法。利用该方法完成了 3D C/C 复合材料室温2800温度范围的剪切性能试验研究,红外热像仪测试结果显示在试样标距区内温度场分布较均匀,全场应变测试系统测试结果显示在试样标距区内应变分布较均匀,室温下双边切口压缩试验方法与 Iosipescu 试验方法测试剪切强度具
3、有好的一致性,该方法适用于 C/C 复合材料超高温剪切性能试验研究。3D C/C 复合材料具有显著的剪切非线性,剪切强度在一定温度范围内随温度的升高而增加,在 2400左右达到最大值,而后随温度增高而降低;材料的主要破坏模式为薄弱面的宏观裂纹扩展、纤维束剪切破坏与拔出。关键词:C/C 复合材料;超高温环境;剪切性能;通电加热技术 中图分类号:V414.8 文献标识码:A 文章编号:1006-3919(2023)05-0054-06 DOI:10.19447/ki.11-1773/v.2023.05.007 Shear Property Experimental Study of 3D C/C
4、Composites at Ultra-High Temperature XU Chenghai DAI Xinhang MENG Songhe(Center for Composite Materials and Structure,Harbin Institute of Technology,Harbin 150080,China)Abstract:C/C composites have the excellent mechanical properties,design ability of fibre reinforced composites outstanding high tem
5、perature properties and chemically stability of carbon composites.They are widely used as thermal components such as solid rocket engine nozzle,high speed vehicle head and wing leading edge.How to evaluate the high temperature mechanical properties is one of the key factors for rational use.Based on
6、 the good electrical conductivity of 3D C/C composites,we proposed ultra-high temperature(up to 3000)shear property test method combined the ohmic heating technology and double-notched compression shear technology.The shear property of 3D C/C composites was investigated from room temperature to 2800
7、 based on this method.The temperature and shear strain field showed uniform in specimen gauge section which was analysised by thermal imager technology and digital image correlation(DIC)technology.The measured shear strength was in good agreement with the results through Iosipescu test method at roo
8、m temperature.Therefore,its effective to investigate ultra-high temperature shear property of C/C composites.The results also suggested that 3D C/C composites had nonlinear shear behavior.The shear strength increased with the temperature increased and reached its maximum at 2400,then it decreased.Th
9、e failure mode was macroscopic crack propagation in the weak planes,fiber bundle shear failure and pull-out.Key words:C/C composites;ultra-high temperature;shear properties;ohmic heating technology第50 卷第5 期 许承海等 3D C/C 复合材料超高温剪切性能试验研究 55 0 引言 碳/碳复合材料(C/C)是由碳纤维和碳基体组成,具有较低的密度,较高的熔点,较大的比刚度和比强度,优异的高温力学性
10、能等特点,被广泛应用于航空、航天等领域1-4。材料的高温剪切性能是其重要的力学性能之一5。对 C/C 复合材料在高温环境下的剪切性能进行测量与表征对其科学、合理使用具有重要意义。目前,国内外已有多种试验方法用于表征复合材料的剪切性能。包括偏轴拉伸试验6-8、薄壁圆筒扭转试验、三点弯曲短梁剪切试验9-10、四点弯曲试验11-12、反对称四点弯曲剪切试验13-15、双边切口压缩试验16-17和 Iosipescu 剪切试验618-22等。偏轴拉伸试验操作简单,试样易于加工,与常规拉伸试验相匹配,但是需要测量一个点的三个应变值,进行坐标轴的变换,试样加工和应变片的对中性要求较高,并且在靠近夹头处,会
11、出现应力集中;薄壁圆筒扭转试验是一种直接施加剪切载荷的方法,但是试样加工成本高,难度大;三点弯曲,四点弯曲以及反对称四点弯试验应用在高温环境下较为困难,Iosipescu 剪切试验需要采用特别加工的夹具,同样无法完成高温剪切性能测试23。本文借鉴文献16-17和 ASTM C 1292 连续纤维增强陶瓷剪切强度标准24,考虑测试环境的要求,采用双边切口压缩试验的方法,根据材料微结构的特点,对文献中提出的试样型式进行改进,对C/C 复合材料超高温剪切性能进行试验研究,最后通过细观断口形貌的观测,给出材料的破坏机理。1 材料 本文以C/C复合材料为采用T300 PAN基碳纤维细编穿刺制成的三向预制
12、体,织物的 XY 向为层叠碳纤维(1K)缎布,Z 向为 6K 穿刺纤维束。预制体经高温预热处理,再经化学气相沉积致密化-碳化-石墨化多个循环,最终制成纤维体积含量约为56%、密度大于1.85g/mm3的三维C/C复合材料。2 试验测试系统 2.1 材料超高温力学性能试验系统 材料超高温力学性能测试系统主要由 DDL50型电子万能材料试验机、超高温真空(充气)环境舱、测控系统、程控电源、金属水冷夹具和高强C/C 复合材料压头等组成。系统工作原理为:直流电源、铜导线、金属水冷夹具、高强 C/C 复合材料夹头和被测试样共同构成导电通路,根据焦耳定律,即:当直流电流通过被测试样时会产生焦耳热,利用该焦
13、耳热将被测试样加热至目标温度。该系统主要由 DDL50 型电子万能材料试验机、超高温真空(充气)环境舱、控制系统及程控电源等组成,最高加热温度 3000,控温精度不小于试验温度的 0.5%,试验环境为真空或惰性气体环境。2.2 数字图像相关应变测试系统 数 字 图 像 相 关 方 法 DIC(Digital Image Correlation)是一种非接触式全场光学测量方法,其利用相机分别采集待测试样变形前后两幅数字图像,变形前的图像称为参考图像,通过建立参考图像和目标图像之间的相关关系从而获得被测样品的变形场信息。本文利用 Vic-3D 应变测量系统对室温剪切试验中试样标距区的应变场进行测试
14、,予以验证试样设计的有效性。Vic-3D 测量系统包括硬件和软件两个子系统:硬件系统即散斑图像采集 系 统,硬 件 子 系 统 选 择 2 组 分 辨 率 为2448 2048pixel 的高清黑白 CCD 摄像机;软件子系统选用 Vic-3D 应变分析系統。2.3 红外热像仪 利用红外热像仪对待测试样表面温度场分布进行观测,予以验证试样标距区温度分布的均匀性。在本文试验选用 MCS640 热像仪,测温范围:800-2500,测量精度:示值的 0.5%。3 试验设计 3.1 试验方法设计与验证 借鉴文献16-17以及 ASTM C 1292 连续纤维增强陶瓷剪切强度试验标准24,采用双边切口试
15、样压缩的试验方法。同时考虑 3D C/C 复合材料的细观结构特征和在Iosipescus室温剪切试验中呈现的典型破坏模式,对文献中的试样设计进行了改进,设计用于 3D C/C 复合材料超高温剪切性能试验的试样如图 1(a)所示,图 1(b)为试样切口区域显微形貌图。在图 1(b)中,XY 向纤维束周期性分布在 Z向纤维束两侧;受 Z 向纤维束挤压影响,XY 向纤维束发生了轻微扭曲。Iosipescu 剪切试验发现,在Z 向纤维束两侧存在剪切薄弱区,在剪应力作用下一条主裂纹将在该薄弱区内形成并扩展,最终导致材料破坏。本文在 DNC 剪切试样的设计中保证该剪切薄弱区位于试样标距区内,用以确保 DN
16、C 剪切试验的有效性。56 强 度 与 环 境 2023 年 a)试样尺寸 b)试样切口区域显微形貌 图 1 3D C/C 复合材料 DNC 高温剪切试样设计 Fig.1 Design of DNC high temperature shear specimen for 3D C/C composites a)标距区剪切应变场-3-2-10123-1600-1500-1400-1300-1200-1100-1000Strain/Location/mm b)试指示线剪切应变分布 图 2 C/C 复合材料 DNC 室温剪切应变场分布 Fig.2 DNC room temperature shear
17、 strain field distribution of C/C composites 图 2(a)所示为室温环境 DNC 试样的剪切应变场分布,图 2(b)所示为在图 2(a)中的指示线所示路径上的剪切应变分布。图 3 所示的结果表明,DNC试样标距区的剪切应变并不均匀分布,在临近切口根部存在一定的应力集中,应变集中系数约为 1.09(利用剪切路径上的最大剪应变值与平均剪应变值计算确定),由于未读取到切口根部的剪切应变,前述获得的应变集中系数偏小。考虑到 3D C/C 复合材料对应变集中并不敏感,可以初步判断本文设计的DNC 剪切试验获得的材料剪切性能可以代表材料的真实剪切性能。分别采用
18、Iosipescu 和 DNC测试获得 3D C/C 复合材料剪切强度如图 3 所示,两种方法获取的材料剪切强度均值偏差仅为0.82%,因此可以确认本文设计的 DNC 剪切试验获得的材料剪切性能为材料真实剪切性能。DNCISP01020304050Test methodShear strength/MPa 图 3 C/C 复合材料室温剪切强度 Fig.3 Shear strength of C/C composites at room temperature a)试样温度场-18-15-12-9-6-30369121518180019002000210022002300240025002600
19、Temperature/oCLocation/mm Line 1#Line 2#b)指示线温度分布 图 4 C/C 复合材料 DNC 2400剪切试验温度场分布 Fig.4 Temperature field distribution of DNC 2400 C shear test of C/C composites 第50 卷第5 期 许承海等 3D C/C 复合材料超高温剪切性能试验研究 57 图 4(a)所示为 2400时DNC 试样上的温度场分布,图 4(b)所示为在图 4(a)中的指示线所示路径上的温度分布。图 4(a)所示的结果表明,DNC 试样标距区的温度最高、温度场分布较均匀
20、。图 4(b)所示结果表明,忽略试样边缘区域温度测量的波动效应,当目标温度设定为 2400时,2#的指示线所示的路径最高温度为 2400.2,最低温度2374.4,最大温度偏差为 25.6,温度偏差为设定目标温度的 1.07%,温度非均匀度为 0.68%(利用剪切路径上温度最大温度偏差与平均温度计算确定)。因此,可以判断本文设计的采用试样直接通电加热方式的DNC 剪切试验能够用于测试与分析 C/C 复合材料超高温剪切强度及其失效机理。3.2 试验环境与过程 试验环境:当温度小于等于 2000时,选择真空环境,真空度不大于 1 10-2Pa;当温度大于2000时,选择惰性气氛(高纯氩气)保护环境
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