2003年6月 西北工业大学学报 June 2003 第21卷第 Journal of Northw estern Po ly techn ical U niversity Vol 21No 3 高温对碳/碳复合材料性能影响的研究 韩红梅,李贺军,李克智,张秀莲 (西北工业大学碳/碳复合材料工程技术研究中心,陕西西安710072) 摘要作为理想的热结构材料,碳′碳复合材料(C/)在高温环境下的力学行为至关重要。针对高 温处理、高温应用两个环节,研究了2100℃石墨化处理、1700℃实验测试条件对三维整体编织3 C/复合材料弯曲行为的影响。比较分析后发现,高温石墨化处理改变了裂纹扩展路径,提高了材 料的强度、模量,与室温环境相比,高温下C欠复合材料表现出更加优异的弯曲性能,弯曲强度提 高45%,模量提高15%。 关键词C￠复合材料,高温力学性能,损伤,界面 中图分类号:TB332 文献标识码A 文章编号:1000-2758(2003)03-0352-04 碳/碳(C欠)复合材料以其比重轻、模量高、比维整体编织而成,经等温化学气相沉积(XVD工艺 强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、制成弯曲试样。室温测试用试样尺寸为55mm 吸振性好、摩擦性好等一系列优异性能,成为新材料6mm×35mm,高温测试用试样尺寸为80mm 领域中重点研究和开发的一种新型高温材料,广泛6mm×35mm。 应用于各个工业领域并表现出良好的应用前景4 实验条件按三点弯曲实验标准Q/Gb95-92测 CVI工艺赋予℃￠复合材料优异的综合性能,试材料的弯曲性能。室温实验在 Instron8871伺服 但CV饣的力学性能却没有得到广泛的研究。液压动态实验系统上进行,加载速率控制在 C/主要应用于恶劣的高温环境,但其军用背景限1 mm/m in,跨距L为40mm;高温实验在YKM 制了有关高温性能硏究成果的交流。三维编织复合200试验机上进行,测试温度1700℃,测试时环境 材料不需要缝合和机械加工,具有比强度高、比刚度温度14℃,加载速率控制在1mmhn,跨距L为 大耐疲劳、抗冲击等特点,能够满足航天工业中抗60mm。弯曲强度、弯曲模量Er分别按下式计算 瞬时高温热蚀的要求,已成为航天、航空等高科技领 域的重要新型材料,航空用部件的多数都需要采用 三维编织结构。为进一步实现C/复合材料在热 E= APdL- 结构件上的应用,本文借助三点弯曲实验,研究了高 温对三维编织(D)CVFC/复合材料弯曲性能及式中,为弯曲强度MPa);Er为弯曲模量(GPa) 损伤破坏的影响,以便对其力学性能有一个清晰的 P为最大破坏载荷0N);L为跨距(mm);h为试样厚 理 度mm);b为试样宽度mm);△P/△f为载荷与挠 度关系曲线的斜率。 12微观形貌观察 1实验 在JsM-5800扫描电子显微镜上观察试样断裂 11弯曲性能测试 面及微观形貌。 试样:纤维增强体采用日本东丽M40碳纤维三 收稿日期2002-04-26 基金项目:国家自然科学基金(50072019)和国防预研基金(991252,HK0311)资助 作者简介韩红梅(1968-),女,西北工业大学博士,主要从事碳/′碳复合材料力学性能及损伤的研究。 o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net高温对碳ö碳复合材料性能影响的研究 α 韩红梅, 李贺军, 李克智, 张秀莲 (西北工业大学 碳ö碳复合材料工程技术研究中心, 陕西 西安 710072) 摘 要: 作为理想的热结构材料, 碳ö碳复合材料(CöC) 在高温环境下的力学行为至关重要。针对高 温处理、高温应用两个环节, 研究了 2 100℃石墨化处理、1 700℃实验测试条件对三维整体编织 3D CöC 复合材料弯曲行为的影响。比较分析后发现, 高温石墨化处理改变了裂纹扩展路径, 提高了材 料的强度、模量; 与室温环境相比, 高温下CöC 复合材料表现出更加优异的弯曲性能, 弯曲强度提 高 45% , 模量提高 15%。 关 键 词: CöC 复合材料, 高温力学性能, 损伤, 界面 中图分类号: TB332 文献标识码: A 文章编号: 100022758 (2003) 0320352204 碳ö碳(CöC) 复合材料以其比重轻、模量高、比 强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、 吸振性好、摩擦性好等一系列优异性能, 成为新材料 领域中重点研究和开发的一种新型高温材料, 广泛 应用于各个工业领域并表现出良好的应用前景1～ 4 ]。 CV I 工艺赋予 CöC 复合材料优异的综合性能, 但 CV I2CöC 的力学性能却没有得到广泛的研究[5 ]。 CöC 主要应用于恶劣的高温环境, 但其军用背景限 制了有关高温性能研究成果的交流。三维编织复合 材料不需要缝合和机械加工, 具有比强度高、比刚度 大、耐疲劳、抗冲击等特点, 能够满足航天工业中抗 瞬时高温热蚀的要求, 已成为航天、航空等高科技领 域的重要新型材料, 航空用部件的多数都需要采用 三维编织结构[6 ]。为进一步实现CöC 复合材料在热 结构件上的应用, 本文借助三点弯曲实验, 研究了高 温对三维编织(3D )CV I2CöC 复合材料弯曲性能及 损伤破坏的影响, 以便对其力学性能有一个清晰的 理解。 1 实 验 1. 1 弯曲性能测试 试样: 纤维增强体采用日本东丽M 40 碳纤维三 维整体编织而成, 经等温化学气相沉积(ICV I) 工艺 制成弯曲试样。室温测试用试样尺寸为 55 mm × 6 mm ×3. 5 mm , 高温测试用试样尺寸为 80 mm × 6 mm ×3. 5 mm。 实验条件: 按三点弯曲实验标准Q öGb95292 测 试材料的弯曲性能。室温实验在 In stron8871 伺服 液 压 动 态 实 验 系 统 上 进 行, 加 载 速 率 控 制 在 1 mm öm in, 跨距 L 为 40 mm; 高温实验在 YKM 2 2200 试验机上进行, 测试温度 1 700℃, 测试时环境 温度 14℃, 加载速率控制在 1 mm öm in, 跨距L 为 60 mm。弯曲强度 Ρf、弯曲模量 E f 分别按下式计算 Ρf = 3PL 2bh 2 E f = ∃P fL 3 4bh 3 ∃f 式中, Ρf 为弯曲强度(M Pa); E f 为弯曲模量(GPa); P 为最大破坏载荷(N ); L 为跨距(mm ); h 为试样厚 度(mm ); b 为试样宽度(mm ); ∃P f ö∃f 为载荷与挠 度关系曲线的斜率。 1. 2 微观形貌观察 在 JSM 25800 扫描电子显微镜上观察试样断裂 面及微观形貌。 2 0 0 3 年6 月 第21卷第3期 西 北 工 业 大 学 学 报 Journal of No rthw estern Po lytechnical U niversity June 2003 Vo l. 21 No. 3 α 收稿日期: 2002204226 基金项目: 国家自然科学基金(50072019) 和国防预研基金(99J 12. 5. 2, HK0311) 资助 作者简介: 韩红梅(1968- ) , 女, 西北工业大学博士, 主要从事碳ö碳复合材料力学性能及损伤的研究