三维C/C- ZrC 复合材料的制备及其力学性能研究

周 蕊 李培元 李 娜

（西安航空制动科技有限公司，陕西 西安710065）

1 概述

碳纤维作为碳碳复合材料中的增强相，具有优良的断裂韧性，同时改善了陶瓷材料韧性差和稳定差等缺陷，应用范围十分广泛[1，2]。碳纤维本身是一维织物，根据使用要求可进行不同结构的编织，又可分为一维、二维、三维和多维织物预制体，并且不同织构的预制体将直接影响材料最终的性能[3，4]。三维预制件增强复合材料采用一次编织成型工艺，纤维贯穿于材料的长、宽、高三个不同的维度，具有三维整体网状式结构。能够有效的增强厚度方向的强度，提高复合材料的力学性能，进而克服了一维和二维预制件增强体的结构缺陷，现已成为航天、航空等领域的重要候选材料之一[5-7]。本论文采用前驱体浸渍裂解法（PIP）将ZrC 陶瓷相引入到三维C/C 复合材料中，在重复多次浸渍后，制备出密度为2.05g/cm3的三维C/C-ZrC 复合材料。同时采用Instron-3369 型材料力学试验机，对材料的力学性能进行研究。

2 实验

2.1 样品制备

选取预制体密度为（0.75±0.05）g·cm-3三维编制体，以丙烯为碳源气体，在950℃、炉压≤5Kpa 下进行沉积增密。将经过增密工艺处理，密度达到（1.35±0.05）g·cm-3三维碳/碳复合材料置入经改装的真空浸渍装置内，对装置进行抽真空后，将ZrC 先驱体浸渍液注入装置内，使碳碳复合材料完全浸没于液体中，保持真空状态下浸渍1h。待浸渍完成后，将样品取出放置在温度为80℃的烘箱中8h。随后将样品置入高温石墨化炉中进行裂解，裂解工艺参数为：氮气保护下，温度为1500～1600℃，升温速率约为10℃/min，待温度升至1500～1600℃，后保温1h，随炉冷却至室温。裂解完毕后，利用超声波将样品清理干净，重复浸渍- 裂解过程，直至将样品的密度增密至2.05g·cm-3。

2.2 力学性能测试

以Instron-3369 型材料力学试验机为测试仪器，利用三点抗弯法测试复合材料的抗弯强度（图1）。由于C/C 复合材料的力学性能与纤维预制体的编织方式密切相关，样品的加载方向均与X-Y 面垂直，沿针刺方向（Z 方向）。测试样品的规格为55×10×4mm，测试过程中的加载速度为0.5mm/min，测试样品的加载跨距为40mm。每组数据取三个样品计算平均值。

抗弯强度σf的计算公式如下：

式中：σf－抗弯强度，MPa；

P－试样断裂时的最大载荷，N；

L－弯曲试样的跨距，mm；

b－试样宽度，mm；

h－试样厚度，mm。

图1 弯曲强度测试置示意图

利用Instron-3369 型材料力学试验机测试样品的抗压性能，测试复合材料的尺寸为10mm×10mm×10mm，加载方向为针刺方向（Z 方向），加载速率为1mm/min，每组样品取3 个计算平均值。

3 力学性能研究

采用三点弯曲测试了材料的抗弯性能，横向断裂强度为210 MPa，远高于二维针刺编织体C/C-ZrC 复合材料的150 MPa。三维C/C-ZrC 复合材料的断裂“载荷- 位移”曲线如图2所示，断裂过程大致主要包括两个阶段：

（1）线性阶段，在此阶段材料发生弹性形变，复合材料内部的应力呈线性增加；

（2）“波折、台阶式”下降，当载荷加大到一定数值后，复合材料开始发生断裂，但载荷并未出现“陡坡式”降低，而是呈现出一定程度的“波折、台阶式”下降趋势。与二维针刺C/C-ZrC 复合材料（图3）不同的是，三维材料出现了两个较为明显的平台过渡区，存在二次承载面。断裂机制与脆性断裂完全不同，与塑性断裂也有着一定的差别，材料在断裂前并未出现屈服现象。因此，三维C/C-ZrC 复合材料的断裂机制遵循假塑性断裂模式。

图4 为三维C/C-ZrC 复合材料断口微观形貌。由于预制体编制方式的不同，三维复合材料具有较高的纤维体积含量和良好的整体性。从图中可观察到，不仅纤维束之间基体的填充较为紧密，而且纤维束内纤维与基体之间的界面结合也较紧密,使炭纤维与基体之间结合成较为牢固的整体，因此只有少量的纤维拔出。

图2 三维C/C-ZrC 复合材料断裂“载荷- 位移”曲线

图3 二维C/C-ZrC 复合材料断裂“载荷- 位移”曲线

图4 三维C/C-ZrC 复合材料断口微观形貌

图5 为三维C/C-ZrC 复合材料的压缩“载荷- 位移”曲线。由图可见，加载过程主要分为两个阶段：

（1）准线性阶段，随着加载过程的进行，材料内部的应力呈线性增加，裂纹也在不断延展；另外，ZrC 陶瓷相是采用PIP 工艺引入到基体内的，在裂解的过程中会生成大量的气体和体积收缩，造成材料内部存在一些孔隙，在载荷加载的过程中这些孔隙会优先消失，导致压缩曲线前段呈准线性。

（2）“陡坡式”下降，随着载荷的不断增加，当达到最大载荷后曲线陡然下降，未出现明显的缓冲平台区，C/C-ZrC 复合材料的压缩机制遵循脆性断裂模式。由于预制体的编制方式不同，相比于二维针刺编织体，三维编织体中的Z 向纤维含量较高，当载荷沿Z 向加载时能够承受更大的应力。因此三维C/C-ZrC复合材料的抗压强度为240MPa，高于二维C/C-ZrC 复合材料的190MPa。

4 结论

采用化学气相渗透法和前驱体浸渍裂解法制备三维C/C-ZrC 复合材料，三维编织体中的Z 向纤维含量较高，当载荷沿Z 向加载时能够承受更大的应力。三维C/C-ZrC 复合材料的力学性能高于二维针刺编织体C/C-ZrC 复合材料。

图5 三维C/C-ZrC 复合材料压缩“载荷- 位移”曲线