第3期 韩红梅等高温对碳/′碳复合材料性能影响的研究 实验件测试结果(同等条件下6个试样的平均 2结果与分析 值)列于表1。表中,G为弯曲强度,Er为弯曲模量。 表1不同试样的弯曲性能 试样D试样热处理测试温度弯曲强度a弯曲强度弯曲模量E/弯曲模量 MPa分散性/%/GPa分散性/ 未石墨化处理 0389 4323 123 石墨化处理室 3934 石墨化处理 1700 57187 10927 整体编织结构C￠复合材料的弯曲破坏表有一个更有利的能量耗散机制,因此控制了C复 现为典型的脆性方式(图1),以纤维断裂模式发生合材料的断裂过程。从图1可看出,石墨化处理后 破坏,图2为室温下纤维脆断的断口形貌。实验结果材料的应力-应变曲线加载阶段出现了更多的台 显示,试样热处理状态及测试温度在很大程度上影阶,表明在损伤扩展过程中,存在更多的能量集聚阶 响材料的弯曲性能 段,损伤裂纹的传播扩展需要吸收更多的能量,提高 了材料的承载能力 处理,室温测试 化处理,室温测试 33:石墨化处理,高温1700℃测试 0005 图2未石墨化处理DC/室温弯曲破坏形貌 图1M40碳纤维3编织C/的弯曲应力·应变曲线 21石墨化处理的影响 将亚C欠在2100℃高温、真空环境下进行 3h的石墨化处理,然后在室温条件下测试其弯曲性 能。比较发现,对C￠复合材料进行高温石墨化处 理可显著提高其强度、模量,经石墨化处理后C 强度增加295%,模量增加1192%。石墨化处理提 图3石墨化处理3DC室温弯曲破坏形貌 髙了材料的性能指标,但并未改变材料的损伤破坏 模式(图1),仍是纤维脆性断裂,只是损伤的扩展阶22测试温度的影响 段有所不同。应注意到材料的界面状况在石墨化处 常温下碳/碳复合材料的强度可能没有其它结 理后发生了变化纤维与基体之间的结合明显弱化,构材料高但高温下碳/碳的强度保持率很高,甚至 基体碳层之间界面结合强度也明显低于石墨化处理比室温时还高,这是其它结构材料所无法比拟的 前(图2、3)。石墨化处理后的C/表现出有纤维的 本文对经过石墨化处理的M40整体编织3D 拔出(图3),纤维上仍包附有基体,表明纤维与基体C在1700℃高温下进行了弯曲性能试验。结果 间结合较为适宜,热解碳层间结合较弱。C复合表明,与常温相比,高温下C材料的弯曲性能大 材料在高温下进行石墨化处理,因纤维和基体的热幅提高,弯曲强度增加454%,模量增加153%。显 膨胀系数不同,增加了微裂纹,同时也改变了裂纹然高温下强度的增加幅度大大高于模量的增加幅 的结构形状从而改变了裂纹扩展的途径,使材料拥度,表明材料变形能力改变不大,而承载能力则显著 o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net2 结果与分析 实验件测试结果(同等条件下 6 个试样的平均 值) 列于表 1。表中, Ρf 为弯曲强度, E f 为弯曲模量。 表 1 不同试样的弯曲性能 试样 ID 试样热处理 测试温度 ö℃ 弯曲强度 Ρf öM Pa 弯曲强度 分散性ö% 弯曲模量 E f öGPa 弯曲模量 分散性ö% 1 未石墨化处理 室温 303. 89 15 43. 23 12 2 石墨化处理 室温 393. 4 8 94. 76 17 3 石墨化处理 1 700 571. 87 15 109. 27 9 3D 整体编织结构CöC 复合材料的弯曲破坏表 现为典型的脆性方式 (图 1) , 以纤维断裂模式发生 破坏, 图 2 为室温下纤维脆断的断口形貌。实验结果 显示, 试样热处理状态及测试温度在很大程度上影 响材料的弯曲性能。 图 1 M 40 碳纤维 3D 编织CöC 的弯曲应力- 应变曲线 2. 1 石墨化处理的影响 将 3D CöC 在 2 100℃高温、真空环境下进行 3 h的石墨化处理, 然后在室温条件下测试其弯曲性 能。比较发现, 对 CöC 复合材料进行高温石墨化处 理可显著提高其强度、模量, 经石墨化处理后 CöC 强度增加 29. 5% , 模量增加 119. 2%。石墨化处理提 高了材料的性能指标, 但并未改变材料的损伤破坏 模式(图 1) , 仍是纤维脆性断裂, 只是损伤的扩展阶 段有所不同。应注意到, 材料的界面状况在石墨化处 理后发生了变化, 纤维与基体之间的结合明显弱化, 基体碳层之间界面结合强度也明显低于石墨化处理 前(图 2、3)。石墨化处理后的CöC 表现出有纤维的 拔出(图 3) , 纤维上仍包附有基体, 表明纤维与基体 间结合较为适宜, 热解碳层间结合较弱。CöC 复合 材料在高温下进行石墨化处理, 因纤维和基体的热 膨胀系数不同, 增加了微裂纹[7 ] , 同时也改变了裂纹 的结构形状, 从而改变了裂纹扩展的途径, 使材料拥 有一个更有利的能量耗散机制, 因此控制了CöC 复 合材料的断裂过程。从图 1 可看出, 石墨化处理后, 材料的应力- 应变曲线加载阶段出现了更多的台 阶, 表明在损伤扩展过程中, 存在更多的能量集聚阶 段, 损伤裂纹的传播扩展需要吸收更多的能量, 提高 了材料的承载能力。 图 2 未石墨化处理 3D CöC 室温弯曲破坏形貌 图 3 石墨化处理 3D CöC 室温弯曲破坏形貌 2. 2 测试温度的影响 常温下碳ö碳复合材料的强度可能没有其它结 构材料高, 但高温下碳ö碳的强度保持率很高, 甚至 比室温时还高, 这是其它结构材料所无法比拟的。 本文对经过石墨化处理的M 40 整体编织 3D CöC 在 1 700℃高温下进行了弯曲性能试验。结果 表明, 与常温相比, 高温下 CöC 材料的弯曲性能大 幅提高, 弯曲强度增加 45. 4% , 模量增加 15. 3%。显 然, 高温下强度的增加幅度大大高于模量的增加幅 度, 表明材料变形能力改变不大, 而承载能力则显著 第 3 期 韩红梅等: 高温对碳ö碳复合材料性能影响的研究 ·353·