354 西北工业大学学报 第21卷 提高,在应力-应变关系曲线上反映为应变差别较 实验中对试样进行石墨化处理或在高温下测 小,但破坏应力变化明显,如图1所示。 试,都是通过外界条件变化,引起材料中包括界面在 在性能提高的同时,υC欠的破坏模式发生内的结构发生改变,从而影响材料的性能。石墨化处 了根本变化,由常温下的阶段性损伤扩展至最终纤理在2100℃高温、真空条件下进行,分子运动加速, 维断裂转变为高温下突然的脆性断裂(图1)。从断可以使CC基体中的一些闭孔缺陷被打开,同时还 口形貌看,高温下纤维与基体界面结合增强,只有少可以使材料的局部分子结合加强,增加界面的粘结 量基体热解碳层间破坏,纤维束与基体间的界面保力。室温测试时,试样经历降温过程,由于纤维、基体 持完好,纤维整齐断裂(图4);室温下界面结合相比热膨胀系数的差异,会在纤维基体界面处形成微裂 要弱一些,有一定的纤维拔出(图3)。由于破坏过程纹,弱化局部界面的结合强度,承受外载时表现为纤 存在纤维的拔出,需要吸收一部分能量,使材料的损维有一定的脱粘、拔出。高温测试,纤维-基体界面间 伤破坏过程表现出间歇性、阶段性 的微裂纹不复存在,而且分子运动的加剧也会使材 料的缺陷得到某种程度上的愈合和修复,纤维-基体 界面以及基体碳层界面间形成了不定向的局部强化 效应,使得界面处结合力得以加强,形成高界面粘结 强度的复合材料。受外力作用时,界面无开裂,应力 在界面处无法松弛,裂纹穿过纤维束扩展,引起附近 纤维的连锁断裂,使复合材料呈脆性破坏。材料界面 的粘结强度愈高,脆性也愈大,增强纤维承载宏观 上表现为弯曲强度最高。 3结论 (1)与常温相比,M40纤维增强3DC/复合 图43DC/1700℃弯曲破坏形貌 材料高温下的力学性能更加优异,弯曲强度增加高 达454%,模量增加达153%。 23温度对界面的影响 (2)石墨化处理改变了材料内部的裂纹结构 C/C复合材料的界面具有多层次的特点是影分布及界面状态,弱化了基体与纤维界面进而影响 响C饣复合材料性能的许多决定性因素之。界了损伤扩展路径,增加了能量的耗散,从而提高材料 面的作用是将施于碳/碳材料的外加应力从基体传的性能指标。 递到作为增强体的碳纤维,在外力超过其极限强度 (3)高温测试过程中,纤维与基体变为强界面 时,最先破坏总是发生在界面,所以界面状况的改变结合,断裂呈脆性特征。 会影响到材料的损伤模式。 参考文献 1] Schm idt D L, Dav idson K E, The bert L s Unique Applicatins of Carbon-Carbon Composite M aterials SAM PE Journal,1999,35(3):2739 [2]李贺军我国碳/碳复合材料的研究进展见中国科协第二届年会论文集北京:中国科学技术出版社,2000 [3] Fitzer E, ManochaL M. Carbon Reinfo rcem ents and Carbon/Carbon Composites Verlag: Springer,1998 [4] Km leshw ar U padhya M aterials for U Itrahigh Temperature Structural A pp licatins The American Ceram ic Society Bulletin,1997,(12):5k56 [5] Siron O, Lamon J. Dam age and Failure M echan ism s ofA 3-D irectional Carbon/Carbon Com posite underU Ten sile and Shear Loads A ctaM ater, 1998, 46: 663H-6643 梁军,陈晓峰,庞宝军等多向编织复合材料的力学性能研究力学进展,1999,29(2):197-210 o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net提高, 在应力- 应变关系曲线上反映为应变差别较 小, 但破坏应力变化明显, 如图 1 所示。 在性能提高的同时, 3D CöC 的破坏模式发生 了根本变化, 由常温下的阶段性损伤扩展至最终纤 维断裂转变为高温下突然的脆性断裂(图 1)。从断 口形貌看, 高温下纤维与基体界面结合增强, 只有少 量基体热解碳层间破坏, 纤维束与基体间的界面保 持完好, 纤维整齐断裂(图 4); 室温下界面结合相比 要弱一些, 有一定的纤维拔出(图 3)。由于破坏过程 存在纤维的拔出, 需要吸收一部分能量, 使材料的损 伤破坏过程表现出间歇性、阶段性。 图 4 3D CöC 1 700℃弯曲破坏形貌 2. 3 温度对界面的影响 CöC 复合材料的界面具有多层次的特点, 是影 响CöC 复合材料性能的许多决定性因素之一[8 ]。界 面的作用是将施于碳ö碳材料的外加应力从基体传 递到作为增强体的碳纤维, 在外力超过其极限强度 时, 最先破坏总是发生在界面, 所以界面状况的改变 会影响到材料的损伤模式。 实验中对试样进行石墨化处理或在高温下测 试, 都是通过外界条件变化, 引起材料中包括界面在 内的结构发生改变, 从而影响材料的性能。石墨化处 理在 2 100℃高温、真空条件下进行, 分子运动加速, 可以使 CöC 基体中的一些闭孔缺陷被打开, 同时还 可以使材料的局部分子结合加强, 增加界面的粘结 力。室温测试时, 试样经历降温过程, 由于纤维、基体 热膨胀系数的差异, 会在纤维2基体界面处形成微裂 纹, 弱化局部界面的结合强度, 承受外载时表现为纤 维有一定的脱粘、拔出。高温测试, 纤维2基体界面间 的微裂纹不复存在, 而且分子运动的加剧也会使材 料的缺陷得到某种程度上的愈合和修复, 纤维2基体 界面以及基体碳层界面间形成了不定向的局部强化 效应, 使得界面处结合力得以加强, 形成高界面粘结 强度的复合材料。受外力作用时, 界面无开裂, 应力 在界面处无法松弛, 裂纹穿过纤维束扩展, 引起附近 纤维的连锁断裂, 使复合材料呈脆性破坏。材料界面 的粘结强度愈高, 脆性也愈大, 增强纤维承载, 宏观 上表现为弯曲强度最高。 3 结 论 (1) 与常温相比,M 40 纤维增强 3D CöC 复合 材料高温下的力学性能更加优异, 弯曲强度增加高 达 45. 4% , 模量增加达 15. 3%。 (2) 石墨化处理改变了材料内部的裂纹结构、 分布及界面状态, 弱化了基体与纤维界面, 进而影响 了损伤扩展路径, 增加了能量的耗散, 从而提高材料 的性能指标。 (3) 高温测试过程中, 纤维与基体变为强界面 结合, 断裂呈脆性特征。 参考文献: [ 1 ] Schm idt D L , Davidson K E, Theibert L S. U nique App lications of Carbon2Carbon Compo site M aterials. SAM PE Journal, 1999, 35 (3): 27～ 39 [2 ] 李贺军. 我国碳ö碳复合材料的研究进展. 见: 中国科协第二届年会论文集. 北京: 中国科学技术出版社, 2000 [3 ] F itzer E, M anocha L M. Carbon Reinfo rcem ents and CarbonöCarbon Compo sites. V erlag: Sp ringer, 1998 [4 ] Kim leshw ar U padhya. M aterials fo r U ltrah igh Temperature Structural App lications. The Am erican Ceram ic Society Bulletin, 1997, (12): 51～ 56 [ 5 ] Siron O , L amon J. Dam age and FailureM echanism s of A 32D irectional CarbonöCarbon Compo site under U niaxial Ten sile and Shear Loads. A cta M ater, 1998, 46: 6631～ 6643 [6 ] 梁 军, 陈晓峰, 庞宝军等. 多向编织复合材料的力学性能研究. 力学进展, 1999, 29 (2): 197～ 210 ·354· 西 北 工 业 大 学 学 报 第 21 卷