编织碳_碳复合材料剪切性能测试方法研究.pdf

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第11卷第1期2011年1月科学技术与工程Vol.11No.1Jan.20111671—1815(2011)1-0217-05ScienceTechnologyandEngineering2011Sci.Tech.Engng.编织碳/碳复合材料剪切性能测试方法研究*刘金林叶欣汪丽珍马李(台州学院物理与电子工程学院，台州318000)摘要根据Iosipescu剪切试验原理和编织碳/碳(C/C)复合材料的微结构特征，设计了相应的夹具和试件，建立了三维碳/碳复合材料剪切性能的试验方法。利用该方法对细编穿刺C/C复合材料进行了剪切试验，得到了材料在不同方向上的载荷-应变曲线。结果表明改进的Iosipescu试验方法能有效测定编织C/C复合材料的剪切性能。通过试件的断口分析，揭示了材料在加载过程中微结构不断演化导致材料最终破坏的断裂机理，材料的τ-γ曲线也体现了明显的分段线性特征，不同材料方向的剪切性能和破坏模式也不相同。关键词C/C复合材料Iosipescu剪切试验剪切性能微观缺陷中图法分类号V258．5;文献标志码B编织碳/碳(C/C)复合材料是由碳纤维增强碳弯曲法、方板扭转法、薄壁筒扭转法、方框对角拉基体得到的一种复合材料，是航空、航天、国防等高伸法、Iosipescu剪切法)在四个试验标准上(纤维科技领域广泛应用的结构和功能材料。对其力学化成本、试验成本、数据重复性和试验结果的精确性能的试验和研究是实现复合材料工艺优化和性性)进行了综合的定量评分，Iosipescu剪切试验方能预报的关键，而剪切力学性能更是材料和力学工［2］法获得最高分;Herakovich等用有限元法研究了程师关注的重点。要正确测出材料的剪切强度与试验截面上的应力状态;Sallivan［3］等研究了试验模量的关键是采取正确的试验方法，实现材料的纯截面缺口的几何参数与应变分布的关系;Pin-剪切应力状态，并准确测量材料的剪切应变。复合［4］dera对这一试件的应变分布作了分析，他建议引材料的剪切性能测试已存在多种试验方法，其中采入一个修正因子来修正试件截面上剪应力的不均用双V型开槽试样的Iosipescu剪切试验方法在近［5］匀性;Ho等用云纹干涉法评价了Wyoming试件年来得到了十分广泛的应用。该方法由尤西贝斯和夹具。Iosipescu剪切试验方法操作简便，试样形库(Iosipescu)于1960年提出，80年代由Adams等状简单，易于加工，能够同时测得剪切强度和剪切扩展该方法用到复合材料试验上，在该方法的长期模量，试验具有较明显的剪切破坏特征，试验结果发展过程中，许多学者对影响试验的各种因素进行重复性较好，因此广泛用于各种复合材料的剪切了广泛的理论分析和试验研究。S．Lee和M．Mun-［6］ro［1］试验中，如层合板复合材料、乙烯基酯复合材对常用的九种剪切试验方法(双轨剪切法、三轨［3］［7］剪切法、±45°纵横剪切法、10°偏轴拉伸法、十字梁料、单向增强玻璃/环氧及石墨/环氧材料等，但对于三维编织碳/碳复合材料还没有相关文献报道。2010年10月26日收到浙江省自然科学基金项目(Y4100185)本文根据Iosipescu剪切试验原理和试验设备浙江省大学生科技创新项目资助特点，设计了剪切夹具和试件，建立了编织碳/碳复第一作者简介:刘金林(1990—)，浙江嘉兴人，台州学院材料科学与工程专业本科生。合材料的剪切试验方法，得到了剪切模量和剪切强*通讯作者简介:马李(1974—)，浙江台州人，台州学院物理与电度，并对试验中遇到的问题进行了分析。子工程学院讲师，研究方向:新型结构材料制备。 218科学技术与工程11卷上下表面各开一个V型缺口，缺口的设置很容易导1实验致应力集中，引起测试结果偏低，因此需要合理设计缺口的深度以及开槽角度;开槽角度对应1．1试验方法力分布起着重要的作用，开槽角度范围为90°～传统的是采用板状试件和反对称四点加载方法135°，出于试样统一性的考虑，取90°为开槽角来实现面内纯剪切应力状态。由于碳/碳复合材料为度，切口深度为试件高的20%。脆性材料，抗压强度较低，若采用四点加载，则很容易(3)尖锐的开槽会引起严重的应力集中，因而因局部的集中载荷造成试件破坏;而通过改变传统在槽根部应有圆弧过渡，以缓解应力集中。根据文Iosipescu剪切夹具的点加载方式，采用面加载，可以献资料，在90°开槽角度条件下，圆弧半径从0．5mm避免集中力载荷对材料局部压缩造成的破坏，实现材增大到3．0mm，应力集中状况得到缓解，应力分布趋料不同方向上的纯剪切应力状态。根据这个原则设于平缓。本试验中圆弧半径统一取为2．5mm。计了试验夹具(如图1－a所示)，夹具的左半部分与(4)剪切试验的应变要通过粘贴于试件两侧的下底座固定，右半部分通过沿导向柱的滑动，施加位移电阻应变片来测量，应变片粘贴于试件的两个V型于试件。试件的受力情况如图1－b所示，由于试件关槽之间，为保证应变片粘贴牢固，减小测量误差，并于中截面对称，而载荷关于中截面反对称，根据材料力真实体现材料的剪切力学性能，需要试件V型槽之学理论，试件在中截面只承受剪力的作用，弯矩为零，间的区域留有足够高度根据实际情况，取w为因而可以保证在试样中截面上产生纯剪应力状态。20mm，t为12mm。试件尺寸示意图表示在图2。图2剪切试样尺寸示意图1．3应变测量试件的最大剪切应变发生在两个凹槽根部之图1Iosipescu剪切试验方法示意图间的区域。理想情况下，该剪切应变可以通过夹具1．2试件设计的相对位移求得，但由于在加载区域有压缩变形，编织C/C复合材料的性能，受其微观结构特征使用该方法测量应变会有较大误差，因而剪切变形采用电阻应变仪测量，以消除加载系统的影响。为的影响，在设计试件的形状与尺寸时，要充分反映消除环境因素的影响，设置补偿片，即在试件正反材料的微结构特征，保证测试结果是材料真实性质两面的几何中心处沿轴向±45°固定四个应变片，将的反映，满足加工工艺和试验设备的要求，减小试这四个应变片接成全桥测量电路，试件中截面的剪验误差，因而试件的设计是试验过程中要解决的关应变应为全桥电路所测值得一半，根据得到的载键问题之一。试件的尺寸设计主要考虑以下因素:荷、应变数据即可求得材料的剪切模量。(1)确定试件的长度L，保证试件与滑块之间1．4试验方法验证有足够的接触面积;试验采用DSS—10T试验机进行，应变采用(2)为了保证试件在中截面破坏，需要在中截面 1期刘金林，等:编织碳/碳复合材料剪切性能测试方法研究219YA—506B动态电阻应变仪测量。试验温度为室实验结果表明，材料XY向的剪切模量和剪切温，试验机加载速率为0．5mm/min。强度均比Z向的高，断口观察发现Z向试件的断裂在试验开始前，为验证试验设备的精确性及试面不是沿着试件的两个凹槽之间的区域，即破坏不验方法的正确性，先对各向同性材料纯铝进行试是在中截面，而是在V型切口的过渡区，试件的形验，通过拉伸试验得到纯铝的杨氏弹性模量为E=变大，段口纤维有明显的弯曲和拔出现象(如图474．4GPa，泊松比μ=0．247，其剪切弹性模量为G=所示)，发生这种情况的原因与材料的结构和特性E/2(1+μ)=29．82GPa，用该试验设备测得的纯铝有关。对于XY向材料，载荷的作用线平行于穿刺剪切模量为G'=28．5GPa，其相对误差为4．36%，纤维的长轴方向，纤维沿长轴方向受力较均匀;而由此可见，该方法验设备满足测量精度要求，可以对于Z向材料，载荷的作用线垂直于穿刺纤维的长对C/C复合材料进行Iosipescu剪切试验。轴方向，造成纤维沿长轴方向受力不均匀，在过渡区有弯矩存在，纤维与基体之间的界面结合力较2结果与讨论弱，使裂纹容易在这里产生并扩展，使得纤维很容易被拔出，成为试件的初始断裂面，因而Z向材料图3为具有不同增强相取向试样的应力-应变曲的剪切弹性模量和剪切强度相对于XY向材料的线。可以看出:曲线存在几个近似线性的区间，区间要低。的范围与材料的方向有关。这是因为加载初期，材料中的基体和穿刺纤维都参与承受载荷，弹性模量较高(对应第一个线性段)。随着载荷增加，试件中会出现许多裂纹，尤其是层叠碳布之间、纤维/基体界面等基体富集区，裂纹的出现使得材料的模量有所下降，由于材料中基体碳的强度较低，这一过程很快结束(对应第二个线性段)。当载荷增大到一定程度时，基体退出承载，全部载荷由碳纤维承受，由于碳纤维图4剪切试件断口位置示意图的强度较高，因此该过程持续时间长(对应第三个线细编穿刺复合材料复合工艺过程中，会产生一性段)。最后，材料在含缺陷较多的截面破坏。系列机械和物理损伤等先天性缺陷。这些先天性缺陷是随机分布的，并在加载过程中进一步发展，特别是界面缺陷(如裂纹)在载荷作用下很容易成为材料破坏的初始界面。这些缺陷包括界面裂纹(如图5－a，浸渍不密实和不同方向纤维束间的热失配共同作用的结果)，局部穿刺缺陷(如图5－b，材料预成型件的缝合过程中，穿刺纤维束断裂，留下孔洞)、基体孔穴(如图5－c，一部分是由于小分子量物质和杂质热解挥发造成的，大多数是在复合工艺中产生的闭合孔穴，如在CVD工艺中，预成形件表面比内部与反应气体的接触面积大，碳在表面和内部的沉积速度不一致，导致空穴的形成)、基体裂纹(如图5－d，材料固化时浸渍不密实和不同组图3剪切试样的应力-应变曲线［8］分材料间热膨胀性能差异导致)。 220科学技术与工程11卷3结论(1)通过改进Iosipescu剪切试验夹具和试件设计，实现了编织碳/碳复合材料的纯剪应力状态，说明改进的Iosipescu试验方法是测试编织碳/碳复合材料剪切强度和模量的有效方法。(2)试验得到的τ-γ曲线具有明显的分段线性特征，这是由材料的微结构特征决定的，反映了材料在剪切载荷作用下的从局部微观破坏到整体宏观破坏的整个过程。(3)材料内部存在的多种形式的工艺缺陷，缺陷的存在降低了材料的力学性能，并可能成为材料图5材料中的缺陷失效的裂纹源;而多种缺陷的存在将加速裂纹扩张速度并增加裂纹扩展路径，有可能使材料在低应力电镜分析表明，剪切试验中，由于碳布层间界状态下提早破坏。面是薄弱区，裂纹优先在这里的缺陷处产生和发展，而基体炭的断裂应变和断裂应力低于碳纤维，参考文献基体首先断裂，裂纹继续沿着基体中的薄弱部位向1LeeS．Evaluationofin-planesheartestmethodsforadvancedcompos-前扩展，当裂纹尖端行进到纤维/石墨基体界面时，itematerialsbythedecisionanalysistechnique．Composite．1986;受到纤维束的阻挡，载荷通过界面的一种切变机制17(1):13—22传递到纤维上，在纤维上某些缺陷处形成微裂纹，2Herakovich．Finiteelementstressanalysisofanotchedcouponspeci-形成应力集中。在加载初期，由于参与承载的有效menforin－planeshearbehaviourofcomposites．Composite，1980;11(3):149—154碳纤维含量高而载荷小，这个应力不足以破坏具有3Sullivan．ShearpropertoesandastressanalysisobtainedfromVinyl-较高强度的碳纤维。随着载荷加大，当某些垂直于esterIosipescuspecimens．ExpMech，1984，24(3):223—231纤维的微裂纹尖端具有集中能量时，就能冲击纤4Pindera．AnexperimentalinvestigationofIosipescuspecimenforcom-维。当冲击能量不足以破坏碳纤维束时，裂纹无法positematerials．CompMater，1987;21(12):1164—1184直接切过纤维，而是沿着纤维和基体炭间界面向前5Ho．Amethodologyforaccurateashearcharacterizationofunidirec-扩展;在加载后期，有效承载的纤维体积含量下降tionalcomposites．ExpMech，1991;31(4):328—3366张子龙．复合材料面内剪切Iosipescu方法分析及试验研究．航及载荷的增加导致这种能量急剧增长，将绝大部分空材料学报，1996;16(1):22—26能量集中在裂纹峰上，裂纹很容易沿着纤维束劈开7WalrathDE，AdamsDF．TheIosipescusheartestasappliedtoex-而向前失稳扩展，裂纹扩展路径增多，扩展速度变perimentalmechanics．ExpMech，1983;23:105—110快，导致材料的应变速率加大，不同微区裂纹的相8马李，易法军，黄富华，梁军．编织C/C复合材料剪切性能测互扩展、连接使纤维经历与基体碳脱粘、弯曲、拔试方法．哈尔滨工业大学学报，2002;34:88—91出、断裂等过程，最后导致整个材料断裂。(下转第0223页) 1期王伟，等:压力溶气气浮系统专用释放器研究223降;双片挡板结构释放器最佳释放效果出现在板孔释放器流量，工作效率低，而且容易堵塞，孔径在2mm孔径，气泡直径50μm，当孔径继续增加释放(2—2．5)mm时有较好性能:折流次数超过两次释效果有所下降，但降幅较小，两板间的一次折流产放效果明显下降，一次折流有稳定释放的作用。生稳定的释放效果;三片挡板结构释放器最佳释放宽流道溶气释放器结构小巧，不易堵塞，适用效果出现在板孔2mm孔径，气泡直径60μm，当孔于紧凑型气浮机，可根据工艺条件选择系列中不同径继续增加达到3mm后，释放效果骤然下降，三板的型号，达到处理要求。间的两次折流使气泡并大，降低了释放效果。参考文献3结论1AinaliI，JuusoE，SorsaA．Developmentofdosagetoolforthewaterpurificationchemicals:Basicofflotation，thefollow-upperiodandmodelling．ISBN951－42－6589－0，2001孔隙大小和折流的次数对宽流道溶气释放器2汤鸿霄，王毅力．一种气浮水处理溶气释放器．专利号有显著影响:孔径越低释放效果越好，但过低影响00100080．2，2001StudyofSpecialNozzleforDissovledAirFlotationSystemWANGWei，SUNGuang-lu，YANGDong-ming(RINOInternationalCorp．，Dalian116100，P．R．China)［Abstract］Theeffectofspecialnozzlestructurefordissolvedairflotationonbubblediameterwasstudied．Re-sultshowsthatapproximately30microndiameterbubbleforsewagedisposalcouldbegeneratedbyadjustingaper-turesizeandflowpassagepath．［Keywords］dissolvedairflotationnozzlesewagedisposal檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸(上接第0220页)AnExperimentalInvestigationonShearPropertiesofBraidedCarbon-carbonComposites*LIUJin-lin，YEXin，WANGLi-zhen，MALi(CollegeofPhysicsandElectronicEngineering，TaizhouUniversity，Taizhou318000，P．R．China)［Abstract］BasedontheprincipleofIosipescusheartestandthemicrostructurefeatureofbraidedcarbon-carbon(C/C)composites，thecorrespondingtestfixtureandthespecimenaredesignedandashearpropertytestmethodforbraidedC/Ccompositesisestablishedatthemeantime．AfterwardstheshearpropertiesoffineweavepiercedC/Ccompositesaremeasured，thentheload-straincurvesofcompositesatdifferentdirectionsareobtained．Testre-sultprovesthattheimprovedIosipescusheartestmethodisvalidfordeterminingtheshearpropertiesofbraidedC/Ccomposites．Fracturemechanismofthecompositethattheevolutionofmicrostructureunderloadingleadstofail-ureisdisclosedbyfractureanalysisofthespecimen．Inaddition，τ-γcurverevealsadistincttraitofcompartmentallinearityrange，andcompositesatdifferentdirectionsshowvariantshearpropertyandfailuremode．［Keywords］C/CcompositeIosipescusheartestshearpropertiesmicrodefect