C/C和C/SiC复合材料的夏比冲击性能研究

严科飞， 张程煜， 乔生儒， 韩 栋， 李 玫

(西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室，西安710072)

连续碳纤维增韧陶瓷基复合材料具有耐高温、低密度、高比强、高比模和抗烧蚀等优异性能，主要应用于高温结构件［1］，其中主要有C/C和C/SiC，两类材料带有防氧化涂层后，其机械性能和抗氧化性能都得到提高［2］。目前，研究的预制体结构主要为二维穿刺和二维层合板结构，层合板结构大幅度提高了复合材料的韧性和可靠性［3］，但是层间强度低，在冲击载荷下容易损伤。两种材料在作为刹车盘键槽使用时，刹车时键槽会受到剧烈冲击。因此，研究材料的冲击性能尤为重要。Brennan等使用夏比冲击试验法研究了编织方式、试样形状和试验温度对SiC/Lithium Aliminosilicate(LAS)玻璃陶瓷的冲击性能［4］。Park等使用落锤冲击试验法研究了具有抗氧化涂层C/C复合材料的冲击性能［5］。Liu等使用悬臂梁法研究了碳纤维增强陶瓷基复合材料的冲击性能［6］。Mscke等研究了二维(2D)和三维(3D)C/C的夏比冲击性能［7］，结果表明2D C/C相比3D C/C复合材料冲击吸收能量较大。Xu［8］和Fan等［9］分别研究了三维纺织和三维针刺C/SiC复合材料的冲击性能，结果表明C/SiC复合材料具有良好的抗冲击性能。这些研究都是针对C/C和C/SiC的面内冲击性能，对于面外冲击韧度的研究较少。此外，由于化学气相渗透工艺的缺陷，制备的材料不均匀，即便是同一批生产或者是同一块沉积板，也存在密度不均匀［10］的情况。然而，密度对材料力学性能影响较为明显［11～13］，但是密度对冲击能量的影响尚未见报道。

本工作应用夏比冲击试验法，研究了C/C和C/SiC两种复合材料的冲击性能，得到材料密度和冲击能量的关系。

1 试验方法

1.1 试验材料

使用化学气相渗透(CVI)方法制备了C/C和C/SiC复合材料，C/C复合材料的预制体由无纬布碳毡混编针刺而成，密度为0.4 g/cm3，C/SiC预制体为二维正交编织结构，密度为0.55 g/cm3。纤维均为T-300碳纤维。沉积基体之前，在纤维表面沉积一层厚度约为200nm的热解碳界面层，热解碳界面层、C基体和 SiC基体的沉积温度均为950～1000℃。获得制备的材料后，用数控机床从板边缘到中心依次加工9个试样，C/C复合材料试样的尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，C/SiC复合材料试样尺寸为55 mm×10 mm×4 mm。C/SiC加工成试样后，在表面沉积一层SiC涂层。因为CVI过程中，沉积室内的温度场和气流场不可能绝对均匀，从而引起同一块板上的不同部位的密度不同。每个试样的密度用体积法测量。

1.2 试验过程

使用SANS ZBC-4B型夏比(Charpy)摆锤冲击试验机进行试验。摆锤刀口接触试样时，打击瞬时线速率为2.9±0.29 m/s，摆锤刀刃半径为2 mm，跨距为40 mm，沿垂直于铺层方向冲击。两种材料分别测试9个试样。使用光学显微镜和S-4700型扫描电子显微镜(SEM)观察试样断口形貌。

2 结果与讨论

图2 C/SiC复合材料冲击性能与密度的关系Fig.2 Effects of density of C/SiC composite on the charpy impact properties

2.1 冲击能量

图1和图2分别为C/C和C/SiC两种复合材料密度和冲击能量的关系图。从两图中均能看出：C/ SiC的冲击能量大于C/C，说明C/SiC的抗冲击性能大于C/C材料。同时，随着密度的增加，材料的冲击能量降低，冲击能量与材料密度基本呈线性关系。

图1 C/C复合材料冲击性能与密度的关系Fig.1 Charpy impact energies of C/C composite with different densities

2.2 断口形貌

图3为不同密度的C/C和C/SiC材料试样夏比冲击破坏后的宏观照片。从图中可以看出，C/C和C/SiC复合材料的宏观照片的基本特点是，低密度试样断口参差不齐，有大量纤维束和纤维拔出。而高密度试样断口较为平整，仅有少量的纤维拔出。

图4a和4c为较低密度C/C和C/SiC试样的SEM图，从图中可以看出纤维束断口参差不齐，纤维拔出较长，数量较多，纤维表面较为光滑，黏附的基体材料少。图4b和4d为较高密度C/C和C/SiC试样的SEM图，从图中可以看出，纤维束断口比较平整，纤维拔出较短，数量较少，几乎都是纤维束被剪断，纤维表面黏附的基体多。

2.3 分析和讨论

图3 两种材料冲击失效后的宏观照片 (a)C/C密度为1.06 g/cm3;(b)C/C密度为1.54 g/cm3; (c)C/SiC密度为1.88 g/cm3;(d)C/SiC密度为2.03 g/cm3Fig.3 Photograph of two materials after impact test (a)C/C composites，density：1.06 g/cm3;(b)C/C composites，density：1.54 g/cm3;(c)C/SiC composites，density：1.88 g/cm3;(d)C/SiC composites，density：2.03 g/cm3

图4 两种材料冲击失效后的SEM照片 (a)C/C，密度：1.06 g/cm3;(b)C/C，密度：1.54 g/cm3; (c)C/SiC，密度：1.88 g/cm3;(d)C/SiC，密度：2.03g/cm3Fig.4 SEM microgragh of two materials after impact test (a)C/C composites，density：1.54 g/cm3;(b)C/C composites，density：1.54 g/cm3;(c)C/SiC composites，density：1.88 g/cm3;(d)C/SiC composites，density：2.03 g/cm3

本研究得到的密度和冲击性能的关系和以前研究中C/C和C/SiC复合材料其他力学性能随密度的增大而增加的结果［11，12］相反，特别是与强度随密度增加的结果相反。

造成此差别的原因在于试验方法和表征对象的不同。冲击试验反映了基体、基体/纤维界面、纤维等组分耗散能量的能力。对于本工作中两种材料而言，所用的基体和界面沉积工艺和纤维相同，因此可认为纤维和纤维/基体界面条件基本相同，这样基体的含量和缺陷(包括基体裂纹密度和孔洞等)就决定了材料的冲击性能［14］。两种复合材料中的碳基体和SiC基体都属于脆性基体，随密度增加，基体的裂纹和孔洞等缺陷密度增加，其抗冲击性能下降。另外，基体裂纹和孔洞等缺陷处往往会引起附近纤维上的应力集中和纤维/基体界面脱粘，一定程度上加剧了冲击过程中纤维的破坏，从而导致密度大的材料冲击韧度降低。

纤维拔出的长度也间接反映材料的断裂功。材料的断裂功WF可用下式表示［15］：

式中，vf为纤维体积分数，σfu为纤维拉伸强度，lc为纤维的临界长度，是连续纤维增强复合材料受到载荷后，纤维受到的最大应力能够达到σfu的最小长度。

本工作所采用的试样，无论是 C/C，还是 C/ SiC，均是从同一块板上裁下的，因此，σfu相同。密度小的材料具有大vf，密度大的材料vf小。纤维的拔出长度L一般满足关系：0.25lc≤L≤0.5lc。因此根据上式，密度小的材料具有大的断裂功。所以两种材料的冲击能量随密度的增加而降低。

3 结论

(1)C/C和C/SiC两种复合材料的抗冲击能力与密度有密切关系。随着密度的增加，夏比冲击能量逐步减小，冲击能量与密度基本呈线性关系。

(2)低密度的C/C和C/SiC两种复合材料冲击断裂后的断口参差不齐，有大量纤维束和纤维拔出，材料韧性较好;高密度材料的宏观断口较为平整，仅有少量的纤维拔出，具有脆性断裂特征。

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