关于2.5dcsic陶瓷基复合材料的拉伸损伤特性

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1、2.5D-C/SiC陶瓷基复合材料的拉伸损伤特性常岩军矫桂琼陶永强王波西北工业大学力学与土木建筑学院,西安710072E-mail:yanjun_chang@126.com摘要：通过2.5D-C/SiC陶瓷基复合材料的面内拉伸试验，研究了材料在拉伸载荷作用下的基本力学性能和损伤演化过程。结果表明，面内拉伸应力－应变曲线呈非线性，拉伸曲线基本由三段折线组成，对应着三个切线模量。第一阶段为初始损伤阶段，主要损伤机制为材料原始微裂纹的扩展；第二阶段为损伤加速阶段，主要损伤机制为微裂纹的萌生和扩展；第三阶段为损伤减缓阶段，主要损伤机制为微裂纹的偏转和界面脱粘。通过加卸载试验分析发现材料沿纵向和横

2、向的拉伸损伤过程基本相同。关键词：陶瓷基复合材料；2.5D-C/SiC；损伤演化；拉伸性能Damageprocessof2.5-C/SiCcompositeundertensileloadingCHANGYanjun,JIAOGuiqiong,TAOYongqiang,WANGBo(SchoolofMechanicsandCivilConstructionNorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China)Abstract:Thetensileexperimentfor2.5D-C/SiCceramicmatrixcomposite

3、swaspreformed,andmechanicalbehavioranddamageprocessof2.5D-C/SiCundertensileloadingwereinvestigated.Experimentshowsthattensilestress-straincurveisnonlinearandapproximatelyconsistsof3foldlinescorrespondingtothreespecifictangentialmoduli.Thedamageprocessincludesthreestages:thefirstisinitialdamagesta

4、geinwhichtheinitialmicro-cracksofcompositecracking;thesecondisacceleratingstagethatnewmicro-cracksappearsandopens;thelastisdeceleratingstagethatthedeflectionofmicro-cracksanddebondingoffiber/matrixinterfacearemajordamagemechanisms.Basedontheanalysisoftensilecycleloadingexperiment,itwasdemonstrate

5、dthatthedamageprocessoflongitudinaltensileandtransversetensileissimilar.Keywords:ceramicmatrixcomposites;2.5D-C/SiC;damageevolution;tensileproperty连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)是目前研究最多、应用最成功和最广泛的陶瓷基复合材料，是航空航天等高科技领域发展不可缺少的材料[1]。与二维和三维CMC-SiC相比，2.5D-C/SiC复合材料由于其特殊的编织结构而表现出更好的层间性能和剪切性能，而且可以针对不同的应用要求对材料的各

6、向异性性能进行设计。国内外对CMC-SiC的力学行为的研究颇为重视，进行了较多的实验和损伤演化研究，其典型的拉伸应力-应变曲线可以分成三个阶段[2-7]。文献[8,9]分别对2.5D-C/SiC的拉伸和剪切性能进行了分析，认为材料的损伤基本可以分为三个区域。通过简单载荷力学性能实验，研究材料在单一载荷作用下的宏观力学行为，可为宏观表征材料在复杂应力状态的力学性能奠定必要的基础。由于2.5D-C/SiC结构复杂，而且存在原始损伤，属于典型的非均质多组分材料，材料的损伤过程比较复杂，因此有必要对材料的损伤机制和损伤演化规律进行研究。本文通过单向拉伸和拉伸加卸载试验对2.5D-C/SiC拉伸应

7、力-应变曲线的三个切线模量进行了分析，研究了三个损伤阶段的损伤机制，并分析了材料的损伤演化过程。1试验方法试验用2.5D-C/SiC复合材料由日本东丽公司T3003k碳纤维织成2.5D预制体，用等温减压化学气相渗透(ILCVI)技术制备2.5D-C/SiC复合材料。材料的纤维体积含量为40%~45%，排水法测得的孔隙体积含量为16.5%~18%，密度为1.9~2.0g/cm3。图1拉伸试件的形状及几何尺寸分别沿材料机织的经向和纬向切