三维无纬布穿刺碳/碳复合材料几何构型对拉伸试验性能的影响研究

乔永乐，沈 薇，李 磊

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

三维无纬布穿刺碳/碳复合材料几何构型对拉伸试验性能的影响研究

乔永乐，沈 薇，李 磊

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

为了给三维无纬布穿刺碳/碳复合材料拉伸力学性能测试确定合适的几何构型，选取了5种轴向构型和1种径向构型，部分构型粘贴有加强片。对这6种构型进行了拉伸试验，并对试验测得的拉伸强度和拉伸模量的大小、分散性以及破坏模式等做了对比分析，确定哑铃形构型适于三维无纬布穿刺径向试样，且径向试样的夹持面应尽可能地大。对径向构型来说，哑铃形100mm×9.6mm×9.6mm(夹持部位20mm×19.2mm)构型最佳。

三维无纬布穿刺碳/碳复合材料；几何构型；哑铃形；直条形；破坏模式

1 引 言

碳/碳复合材料由于具有密度低、比强度高、比模量高等一系列优异的性能而广泛应用于航空航天等领域。作为高温结构材料，其拉伸性能是材料的重要特性，直接影响最终产品的使用可靠性。由于碳/碳复合材料制备工艺复杂，决定其不同于一般的复合材料，更异于金属材料，影响工艺及性能的因素较多，导致对其力学性能的测试及损伤机理的研究比较困难，尤其是拉伸性能的测试结果与碳/碳复合材料预制件本身的结构及样件的取向密切相关，测试样件的尺寸选择、样件中所含碳纤维数量的多少及测试设备和测试参数等因素对拉伸性能都有明显的影响。

目前，国内外力学性能测试方法中没有针对碳/碳复合材料拉伸性能的测试标准，各研究单位都是借鉴其它材料拉伸性能的测试标准进行测试的，不能全面真实地反映碳/碳复合材料本身的拉伸性能，且各家所借鉴的标准也不统一，测试出来的结果差异较大，不能很好地进行碳/碳复合材料的性能比对，使材料的使用受到了很大的局限。因此，迫切需要根据碳/碳复合材料的特点建立统一、标准的拉伸性能测试方法，以填补我国在碳/碳复合材料拉伸性能测试方面的空白，为建立标准化的碳/碳复合材料体系奠定基础，并为材料的安全设计和试验验证提供可靠的保障，对完善和健全我国碳/碳复合材料的技术水平有重要的意义。

目前，常用的碳/碳复合材料试样结构有三维穿刺结构和准三维针刺结构。三维穿刺结构为XY平面采用连续长纤维或无纬布铺层，Z向采用连续长纤维束双向贯穿的编织物结构；准三维针刺结构为XY平面采用连续长纤维铺层，Z向采用针刺工艺引入短纤维的编织物结构。本文着重研究XY平面采用无纬布铺层的三维穿刺结构，这种结构形式称为三维无纬布穿刺结构，试样构型有6种，包括不同的取样方向、外形尺寸、有无加强片、不同批次等。

2 试验件

试验件设计考虑到加工能力、加工精度以及试验件结构等因素，共设计了6种试样构型，如表1所示，均为扁平状。取样方向有XY向和Z向，规定无纬布铺层平铺平面为XY向，垂直于铺层方向为Z向。外形分为直条形和哑铃形，其中各有不同的外形尺寸等。试样分有加强片构型和无加强片构型。试样加强片材料为铝(厚度为1mm)，胶粘剂为环氧树脂，常温固化。轴向拉伸试样的工作段保证3×3束纤维整数。

表1 试验件构型

3 试验过程

3.1 应变测量

由于试样的特殊结构，使用的应变计片基尺寸不足以覆盖足够的胞块，同时由于试样工作段的尺寸有限，即便是用大片基的应变计，试样的边界效应也会对应变测量带来影响。因此，应变计不适合对碳/碳复合材料进行应变测量，而引伸计由于是在一个较大的跨距内测量试样的变形，因此能够得到较好的结果。本项试验中引伸计标距采用25mm。

3.2 拉伸试验

试验时，将试样对中夹持于试验机的夹头中，为了避免因夹持力过大造成试样夹持部位损伤，又要保证试验件拉伸过程中不打滑，试验过程中夹持力的调整至关重要。试验中，对每种构型试样的夹持力都进行了详细的记录，结果见表2。试验机横梁位移速率为1mm/min，对试样连续加载，直至试样破坏。连续测量载荷-应变数据，试样破坏后记录了试样的最大载荷和破坏载荷，对试样破坏模式和破坏位置进行了观察并拍照。

表2 试样夹持力记录

4 结果与讨论

4.1 试验结果

三维无纬布穿刺结构XY向拉伸和Z向拉伸测试结果见表3，其中，XY向拉伸试样构型有直条形1种、哑铃形4种；Z向拉伸试样构型有哑铃形1种。

试样破坏照片见图1-图5，分别为XY向拉伸5种构型的破坏模式，图6为Z向拉伸的破坏模式。

表3 三维无纬布穿刺试样拉伸性能试验结果

图1 构型1#破坏模式

图2 构型2#破坏模式

图4 构型4#破坏模式

图5 构型5#破坏模式

图6 构型6#破坏模式

4.2 结果讨论

从试验结果可以看到：

(1)三维无纬布穿刺径向直条形拉伸试样的破坏为厚度方向无纬布断裂，部位在工作段，但个别试样端部夹碎，这是由于当载荷增大时，夹持力偏小容易打滑，故增加夹持力，但由于试样夹持面积不够，因此容易造成试样夹持部位夹碎，如图1所示。三维无纬布穿刺径向哑铃形拉伸试样的破坏为厚度方向无纬布断裂，部位在工作段，个别在过渡段，见图2-图5。从试验结果也可看到，直条形试样的拉伸强度低于哑铃形试样。

(2)三维无纬布穿刺径向拉伸哑铃形试样100mm×9.6mm×9.6mm(夹持部位20mm×19.2mm)构型试样(构型4#)的拉伸强度最高。

(3)三维无纬布穿刺轴向拉伸试样的破坏为轴向纤维束断裂，部位在工作段或过渡段。

(4)三维无纬布穿刺径向拉伸和轴向拉伸试样可采用无加强片形式。

通过以上分析可以看出，哑铃形构型适于三维无纬布穿刺径向试样，径向试样的夹持面应尽可能地大。通过对比径向各构型的力学性能数据的大小、结果的分散性以及破坏模式，对于径向构型来说，哑铃形100mm×9.6mm×9.6mm(夹持部位20mm×19.2mm)构型最佳。

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Study on the Effect of Geometry Configuration of 3D non-Woven Cloth Punctured C/C Composites on Tensile Test

Qiao Yongle, Shen Wei, Li Lei

(Aircraft Strength Research Institute, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

In order to provide appropriate geometry configuration for tensile property test of 3D non-woven cloth punctured carbon/carbon composites, five kinds of axial configurations and one kind of radial configuration are selected in this paper. Some kinds of the configurations are bonded with reinforcing plates, and tensile tests are carried out for the six kinds of configurations. The values of tensile strength and tensile modulus, scattered and failure mode are compared and analyzed. The dumbbell shaped is appropriate geometry configuration for 3D non-woven cloth punctured carbon/carbon composites, and the area of clamping part of radial optimal configuration should be as large as possible. The dumbbell shaped specimen which size is 100mm×9.6mm×9.6mm (the size of clamping part is 20mm×19.2mm) is used as the radial optimal configuration.

3D non-woven cloth punctured C/C composites; geometry configuration; dumbbell shaped; straight shaped; failure mode

2016-10-09

乔永乐(1986-)，男，陕西西安人，硕士，工程师，主要研究方向：复合材料力学性能表征。

V259

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.006