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1、第22卷第1期航空材料学报Vol.22,No.12002年3月JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSMarch2002混杂碳/碳复合材料超高温拉伸断裂模式易法军,梁军,孟松鹤,杜善义(哈尔滨工业大学复合材料研究所,黑龙江哈尔滨,150001)摘要:通过电子扫描电镜(SEM)研究了混杂碳/碳复合材料的组分微结构形态、内部微缺陷产生的原因以及随温度升高的演化规律,结合超高温拉伸试件断口的形貌分析,揭示了超高温条件下混杂碳/碳复合材料的断裂机理。在温度和载荷载的作用下,基体内的孔洞和微裂纹逐渐融合、扩
2、展、长大,纤维/基体界面结合减弱、脱开,形成大的裂纹并沿着纤维/基体界面迅速扩展,使得材料的性能退化,最终在某薄弱截面破坏。关键词:混杂碳/碳复合材料;微观结构;超高温;断裂中图分类号:TG332;文献标识码:A文章编号:1005-5053(2002)01-0016-06碳/碳复合材料是以碳纤维作为增强相,以沉MC/碳纤维束间,缺陷更加集中。这些缺陷的形积碳和/或浸渍碳作为基体的复合材料,具有耐高成,一部分来源于织物,如编织纤维束间、纤维束温、尺寸稳定及可设计性强等优异性能。混杂碳/搭接处存在缝隙,组元间不匹配的膨胀
3、和收缩性碳复合材料是在碳/碳复合材料中混入金属纤维,能也会导致缝隙的形成。另外,材料在制造过程改善了材料的烧蚀性能、抗热冲击性能、抗粒子侵中,碳的沉积不均匀、不密实,也能导致裂纹和孔蚀性能,在航空、航天及宇宙空间开发等高技术领洞的形成,这些缺陷影响了材料的宏观力学性能。[1~4]混杂碳/碳复合材料中的缺陷包括纤维缺陷、基体域有重要的应用背景。复合材料的性能与其内部结构有着密切的联系,因而利用各种观察缺陷、纤维/基体界面缺陷等。手段研究材料内部的微观结构,成为复合材料研[5-8]究的一个重要组成部分。本文利用宏、微观观
4、测手段,研究了混杂碳/碳复合材料的增强相、基体与界面的微观结构特征以及在高温下的氧化规律,结合材料高温下的宏观断口分析,给出了材料在高温状态下的断裂模式。1材料组成Z向混编碳纤维和某高熔点金属纤维(以下图1材料中的缺陷分布简记为M)的混杂碳/碳复合材料为三向细编穿Fig11Distributionofdefectsin刺结构,织物的XY向为层叠碳纤维缎布,Z向穿hybridC/Ccomposites刺纤维由碳纤维束混编M组成。预成形件经过加压浸渍)碳化)石墨化多个循环,石墨化温度2材料内部缺陷在2000e以上,最终制
5、成的复合材料中,金属全211纤维缺陷部转化为金属碳化物(以下简记为MC)。混杂碳/碳复合材料内部纤维包括碳纤维束材料中广泛分布着孔洞、裂纹以及杂质等缺和MC纤维。碳纤维束内部每根碳纤维之间不密陷(如图1所示)。尤其是不同取向的碳纤维束和实,存在缝隙,纤维的取向也不完全一致。图2a为试件加工表面碳纤维束的SEM照片,可以看收稿日期:2001-11-12;修订日期:2001-12-12出,由于机械加工的影响,部分纤维已经断裂、拔基金项目:国家自然科学基金资助项目(10102005,出。图2b为碳纤维束的破坏断口,大致在同
6、一平19932030)作者简介:易法军(1970-),男,哈尔滨工业大学1247#复面内,部分纤维断裂拔出后,留下包裹在纤维外面合材料研究所,150001。的基体碳层,说明碳纤维与基体的结合界面较弱。第1期混杂碳/碳复合材料超高温拉伸断裂模式17图2碳纤维束的SEM照片Fig12SEMphotographsofcarbonfiberbundle(a)Defects;(b)fracturesurfaceMC纤维是在材料制备过程中,由混杂在碳维的强度很低,在较小的应力状态下,包鞘与中心纤维中的金属M与碳(固态碳或碳氢气体
7、)在高区即剥离,继而中心区的MC晶粒沿晶界发生断温下反应生成的,为皮芯结构(见图3a)。中心区裂(见图3b)。这一断裂模式在一定的温度范围MC晶粒较大,晶粒间有裂纹和孔洞,外部是具有内并不发生改变(如图4a所示)。当试件的温度层片状结构的包鞘,包鞘和中心区间有尺度大约超过MC的熔点时,液态的MC会向四周流动(见为十几个微米的疏松带。这样的结构导致MC纤图4b)。图3碳纤维束的SEM照片Fig13SEMphotographsofcarhonfiberbundle(a)microstructure;(b)fracture
8、surface图4不同温度下MC的破坏断口Fig14FracturesurfaceofMCat(a)2000eand(b)2800e18航空材料学报第22卷212基体石墨化过程中,很容易产生裂纹,在的高温使用环基体中的缺陷分布更广泛、数量更多,对材料境和/或载荷作用下,会进一步加剧,并容易扩展性能的影响也更大。基体中的缺陷主要有裂纹、和演化成更
