穿刺结构参数对C/C复合材料拉伸性能的影响①

解惠贞,崔 红，李瑞珍，秦淑颖，孙建涛，李 晋

(1.西安航天复合材料研究所，西安 710025；2.高性能碳纤维制造及应用国家地方联合工程研究中心，西安 710089)



穿刺结构参数对C/C复合材料拉伸性能的影响①

解惠贞1，2,崔 红1，李瑞珍1，秦淑颖1，孙建涛1，李 晋1

(1.西安航天复合材料研究所，西安 710025；2.高性能碳纤维制造及应用国家地方联合工程研究中心，西安 710089)

采用不同间距、不同根数的纤维束穿刺成型炭纤维预制体，经进一步化学气相沉积、沥青浸渍-高压炭化致密制备穿刺C/C复合材料。拉伸性能测试结果表明，穿刺间距2.1 mm、穿刺束纤维根数为12 K的C/C复合材料获得高的拉伸强度，Z向拉伸强度131.4 MPa，XY向拉伸强度111.3 MPa；随着穿刺间距减小、穿刺丝束纤维根数增加，Z向纤维含量增加，Z向拉伸强度明显提高。穿刺C/C复合材料1 800 ℃真空条件下的拉伸强度与室温相当，拉伸模量低于室温，延伸率高于室温；常温拉伸断口较平整，且纤维/基体间的裂纹明显，而高温拉伸断口参差不齐，纤维及基体断面粗糙，呈现出假塑性断裂特征。

C/C复合材料；穿刺间距；穿刺束纤维根数；拉伸强度；拉伸模量；高温性能

0 引言

C/C复合材料是炭纤维增强碳基体材料，具有轻质、高比强、高比模、高温强度保持率高、热膨胀系数低、摩擦性能优异、生物相容性好、性能可设计等一系列优异而独特的性能，已成功应用于航天飞机鼻锥和机翼前缘、固体火箭发动机喷管喉衬和出口锥、导弹端头帽、飞机刹车片、高温模具等高科技领域[1-5]。

穿刺C/C是一种新型结构C/C复合材料，具有各向同性性好、综合力学性能优良的特点，其力学性能主要由穿刺预制体结构决定。穿刺预制体是XY向为炭纤维布与炭纤维网胎复合叠层，Z向为一定根数、间距的穿刺纤维束，与高性能轴棒法预制体结构相比，有利于实现结构的细化，并能在一定程度上实现机械化成型。吴小军等研究轴棒法软硬混编沥青基C/C材料的拉伸破坏行为，宏观上拉伸试样以碳棒整体拔出的形式破坏[6]；王宝来等研究了细编穿刺C/C复合材料的拉伸与压缩破坏模式[7]。

对于穿刺结构参数对C/C复合材料拉伸性能的影响研究，尚未见文献报道，本文针对穿刺C/C复合材料研制中存在Z向拉伸强度低的问题，分析了穿刺成型参数对C/C复合材料Z向、XY向拉伸性能的影响，并对比分析了材料在高温下拉伸性能的变化，为C/C复合材料的结构设计及应用提供借鉴与指导作用。

1 实验

1.1 原材料

穿刺预制体成型用炭纤维原材料性能见表1。

表1 炭纤维原材料性能Table 1 Properties of carbon fibers

基体制备用主要原材料：

(1)天然气，CH4纯度≥95%；

(2)高温煤沥青，软化点95～120 ℃。

1.2 材料制备

采用不同结构参数经穿刺工艺成型的炭纤维预制体，进一步经天然气化学气相渗透与沥青浸渍-高压炭化致密工艺制备穿刺C/C复合材料(密度>1.90 g/cm3)，穿刺C/C复合材料的预制体结构参数见表2。

表2 穿刺C/C复合材料的预制体结构参数Table 2 Puncture parameters of performs used in C/C

1.3 拉伸性能测试

常温拉伸性能采用DDS-10日本岛津万能材料试验机测试，通过测试获得拉伸强度、拉伸弹性模量、拉伸破坏延伸率。

高温拉伸性能在1 800 ℃、真空条件下进行测试，真空度10-3P，升温速率30℃/min，保温时间10 min。

1.4 微观结构分析

采用JEOL JSM 6460LV型扫描电子显微镜(SEM)，对拉伸试样断口进行微观形貌观察与分析。

2 结果与分析

2.1 穿刺结构参数对C/C复合材料拉伸强度的影响

2.1.1 穿刺结构参数对C/C复合材料Z向拉伸强度的影响

图1为不同结构参数穿刺C/C复合材料的拉伸强度。从图1可看出，在所采用的几种穿刺间距、穿刺束纤维根数情况下，C/C复合材料Z向拉伸强度受穿刺结构参数影响较大。

(a)Z向拉伸强度

(b)XY向拉伸强度

结合表2与图1(a)可看出，穿刺束纤维根数为12 K的3号、4号、5号材料，随穿刺间距的减小，材料Z向拉伸强度明显增大，5号材料的Z向拉伸强度仅为41.8 MPa，4号Z向拉伸强度(83.4 MPa)达5号的2倍，3号Z向拉伸强度为131.4 MPa，是5号Z向拉伸强度的3倍以上。穿刺束纤维根数为6 K的1号、2号材料，1号较2号材料的穿刺间距小，1号Z向拉伸强度(80.5 MPa)是2号材料(42.7 MPa)的近2倍。

C/C复合材料承受拉伸载荷作用，炭纤维为主要承载体。材料受到外加拉伸载荷时，碳基体容易且最先产生裂纹，碳基体产生的裂纹不改变方向通过界面扩散到炭纤维，将载荷有效地传递给纤维，使纤维起到增强作用，炭纤维最终发生断裂，决定了材料的拉伸强度。纤维含量增加，增加了承载能力；纤维/基体界面增加，有利于每根纤维有效承载。在拉应力作用下，裂纹总是沿着垂直于应力的方向扩展，对于穿刺结构C/C材料，在受到Z向拉伸载荷时，沿XY向铺层纤维取向(与Z向垂直)的碳基体层间主要靠范德华力结合，是薄弱环节，低应力下铺层纤维间基体开裂，微裂纹通过基体碳聚集区扩展，Z向穿刺纤维束阻碍裂纹，导致裂纹偏转沿纤维和基体界面扩展，随着载荷的增加，当内应力达到极限破坏应力的时候，Z向穿刺纤维束发生断裂。与文献[6]的分析结果一致，材料在破坏过程中，基体裂纹在XY向纤维束中呈线性扩展，快速分割了基体材料，4D C/C复合材料的拉伸破坏演变为1D C/C复合材料的破坏模式[6]。所制备几种不同结构参数穿刺C/C材料Z向拉伸断口均沿铺层纤维间的碳基体层间扩展，最终在Z向穿刺纤维处发生断裂，图2为3号材料Z向拉伸断口的SEM形貌，基体碳与XY向炭纤维的贡献小，Z向穿刺纤维及其含量决定了Z向拉伸强度，从图2还可看出，穿刺纤维束整体上显现出逐步断裂的特征。从5号～1号材料，预制体成型过程中，穿刺间距逐渐减小，相应Z向纤维含量增加，最终所制备C/C复合材料的Z向拉伸强度提高。

图2 3号材料Z向拉伸断口SEM形貌Fig.2 SEM of Z-directional tensile fracture of specimen No.3

对于2号与3号材料，穿刺间距相同，而穿刺束纤维根数不同，3号穿刺束纤维根数是2号的2倍，3号Z向拉伸强度是2号的3倍，与减小穿刺间距一样，增加穿刺束纤维根数，同样增加了Z向纤维的含量，进一步使材料Z向拉伸强度提高。

2.1.2 穿刺结构参数对C/C复合材料XY向拉伸强度的影响

所制备穿刺C/C材料XY向拉伸强度主要受XY向铺层纤维的影响，图3为3号材料XY向拉伸破坏断口特征，最终XY向纤维断裂。1号～5号材料XY向铺层所用炭布、网胎相同，从图1(b)可看出，其XY向拉伸强度的差别较小，但穿刺结构参数对材料XY向拉伸强度也产生了一定影响。

图3 3号材料XY向拉伸断口SEM形貌Fig.3 SEM of XY-directional tensile fracture of specimen No.3

从2号与3号材料XY向拉伸强度看，在穿刺间距一致情况下，穿刺束纤维根数未对XY向拉伸强度造成影响，XY向拉伸强度分别为109.3、111.3 MPa。3号与4号穿刺间距有一定差别，XY向拉伸强度基本一致，分别为111.3、111.2 MPa， 5号材料穿刺间距较3号与4号有所增大，XY向拉伸强度降低，为96.5 MPa。与2号相比，1号材料穿刺间距减小，XY向拉伸强度降低，为76.8 MPa。分析认为，Z向穿刺纤维束对XY向铺层炭纤维结构具有钉扎约束作用，可起到一定的增强作用，但Z向穿刺间距过小，会对XY向铺层炭纤维结构造成一定的损害，导致材料性能下降。

从以上分析可看出，减小穿刺间距，可增大穿刺密度、提高Z向拉伸强度，穿刺间距在一定范围内时，可获得相对高的XY向拉伸强度。因此，在穿刺C/C材料的研制中，可根据性能要求优化预制体设计，对Z向和XY向进行协同设计，以满足不同的使用要求。

2.2 穿刺结构参数对C/C复合材料拉伸弹性模量和拉伸破坏延伸率的影响

对于穿刺C/C材料，Z向穿刺间距减小、穿刺纤维束根数增多，材料Z向抗拉伸变形能力提高，有利于Z向拉伸模量的提高。不同穿刺结构参数C/C复合材料的拉伸弹性模量及拉伸破坏延伸率如表3所示。从表3可看出，3号较2号材料Z向穿刺纤维束根数多，弹性模量高，约是其2倍，1号较2号、4号较5号穿刺间距小，弹性模量高。3号较4号穿刺间距略小，Z向拉伸模量基本一致。对于XY向拉伸弹性模量，随穿刺间距增大，穿刺纤维束根数减少，材料XY向拉伸弹性模量呈增加趋势。表3中，Z向与XY向拉伸弹性模量对比可知，XY向拉伸弹性模量整体上高于Z向拉伸弹性模量。

延伸率整体上较低，在0.17%～0.33%的范围内。

表3 不同穿刺结构参数C/C复合材料的性能Table 3 Properties of punctured C/C with different structure parameters

2.3 高温条件下穿刺C/C复合材料拉伸性能的变化

C/C复合材料多用于高温环境条件下，高温下性能的变化与高低更值得关注，测试了4号穿刺C/C复合材料在1 800 ℃高温真空条件下的拉伸性能，与常温拉伸性能进行对比，结果列于表4。

由表4可知，4号穿刺C/C复合材料的室温Z向拉伸强度为83.4 MPa，高温Z向拉伸强度为84.7 MPa；室温XY向拉伸强度为111.2 MPa，高温Z向拉伸强度为111.7 MPa。可看出，材料在1 800 ℃高温真空条件下的拉伸强度保持了室温拉伸强度的水平，甚至略有提高。

表4 4号穿刺C/C复合材料高温与常温拉伸性能对比Table 4 Tensile properties of punctured C/C of specimen No.4 at RT and 1 800 ℃ respectively

C/C复合材料的拉伸强度主要由炭纤维决定，1 800 ℃高温环境对主承载炭纤维的结构与性能影响不大。因此，高温拉伸强度仍保持了室温拉伸强度的水平。

C/C复合材料致密过程是碳基体不断填充预制体空隙的过程，致密工艺过程决定了材料内部必然存在一定数量的孔洞、孔隙缺陷，缺陷会降低受到外力时的承载面积，引起应力集中，导致破坏的出现，如图4所示，从而对材料力学性能产生影响。在高温条件下晶界可滑动，并伴随热膨胀现象的发生，缺陷一定程度上愈合，部分缺陷尺寸甚至减小至临界裂纹尺寸以下，内应力减小或应力集中得以释放，不会引起材料性能的下降，甚至有利于材料性能的提高，但由于C/C复合材料的拉伸强度主要由炭纤维决定，因此拉伸强度不会因缺陷愈合有大幅度的提高。图5为4号穿刺C/C复合材料室温与高温拉伸断口SEM形貌，可看出，高温较室温试样的孔隙明显减少，且高温试样中孔的形状相比室温试样变化明显，孔洞室温时多为四边形，高温时多为三角形，此特征在XY向拉伸试样中比较突出。

图4 破坏出现点Fig.4 Image of crack initiation position

(a)室温Z向 (b)室温XY向

(c)高温Z向 (d)高温XY向

从表4还可看出，无论是Z向还是XY向，高温模量、延伸率相比室温发生了较大变化，高温下拉伸模量明显降低，延伸率提高。从图5可看出，室温拉伸与高温拉伸断口区别明显，室温拉伸断口比较平整，且纤维/基体间存在明显的裂纹，而高温拉伸断口参差不齐，纤维及基体断面粗糙，呈现出假塑性断裂特征，可提高变形量，延伸率提高。

3 结论

(1)在穿刺间距为2.1 mm、穿刺束纤维根数为12 K时C/C材料获得高拉伸强度，Z向拉伸强度131.4 MPa，XY向拉伸强度111.3 MPa。

(2)随着穿刺间距的减小，穿刺束纤维根数的增加，Z向纤维含量增加，Z向拉伸强度提高。

(3)穿刺C/C复合材料1 800 ℃真空条件下的拉伸强度与室温相近，拉伸模量低于室温，延伸率高于室温。室温拉伸断口比较平整，且纤维/基体间存在明显的裂纹，而高温拉伸试样断口参差不齐，纤维及基体断面粗糙，呈现出假塑性断裂特征。

[1] Schmidt D.Evolution of carbon-carbon composites[J].Sampe,1996,32(4):36-42.

[2] Savage E.Carbon/carbon composites[M].London: Chapman & Hall,1993:15-20.

[3] 张晓虎,李贺军,郝志彪,等.预制体结构对C/C喷管出口锥材料力学性能的影响[J].固体火箭技术,2006,29(5):380-383.

[4] Alain Lacombe,Thierry Pichon,Marc Lacoste． 3D carbon/carbon composites are revolutionizing upper stage liquid rocket engine performance by allowing introduction of large nozzle extension[R]． AIAA 2009-2678.

[5] 刘文一,杨涓,毛根旺,等.电子回旋共振推力器C/C复合材料栅极的力学性能[J].推进技术,2007,28(6):692-696.

[6] 吴小军,乔生儒,程文,等.软硬混编预制体增强沥青基4D-C/C材料的拉伸破坏行为[J].新型炭材料,2013,28(4):300.

[7] 王宝来,梁军,刘洋,等.三维编织细编穿刺炭/ 炭复合材料拉伸与压缩性能及试件尺寸效应研究[J].固体火箭技术,2008,31(2):184-187.

(编辑：薛永利)

Influence of punctured structure parameters on tensile performance of C/C composite

XIE Hui-zhen1，2,CUI Hong1,LI Rui-zhen1,QIN Shu-ying1,SUN Jian-tao1,LI Jin1

(1.Xi'an Aerospace Composites Research Institute,Xi'an 710025,China；2.National and Local Union Engineering Research Center of High-performance Carbon Fiber Manufacture and Application,Xi'an 710089,China)

Carbon fiber bundles with different distance and fiber content were punctured to form carbon fiber preforms. The preforms were densified by CVI and pitch impregnation-high pressure carbonization process. The results show that the material punctured by 12 K bundles with a distance of 2.1 mm displays tensile strength of 131.4 MPa alongZ-direction and 111.3 MPa alongXY-direction. With the bundle distance decreasing and the fiber amount of punctured bundle increasing,increase of theZ-directional carbon fiber volume result in increasing tensile strength alongZ-direction obviously. The tensile strength under vacuum and 1 800 ℃ condition is similar to that under room temperature;the tensile modulus is lower and the tensile elongation is higher than that under room temperature. The tensile fracture surface of sample tested at room temperature is flat and smooth;there are obvious cracks in the interface between fiber and matrix. On the contrary,the tensile fracture surface of the sample tested at 1800℃ is rough,both the fibers and matrix fracture surface are rough,which present pseudoplastic characters.

C/C composite;punctured distance;fiber amount of punctured bundle;tensile strength;tensile modulus;high temperature performance

2014-04-20；

：2014-05-15。

国家自然科学基金资助项目(51202233)。

解惠贞(1973—)，女，高级工程师，研究方向为耐高温复合材料。E-mail:xiehuizhen1973@163.com

V258

A

1006-2793(2015)01-0107-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.021