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复合材料学报第24卷第1期2月2007年ActaMateriaeCompositaeSinicaVol.24No.1February2007文章编号:10003851(2007)01008605Z-pin增强陶瓷基复合材料拉伸和层间剪切性能*刘,矫桂琼,管国阳,常岩军(西北工业大学力学与土木建筑学院,西安710072)摘要:研究了Z-pin横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸和层间剪切性能。炭纤维平纹编织物和炭纤维Z-pin制备的预成型体,通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料。通过单轴拉伸试验及加-卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏规律。采用双切口压缩试验测试材料的层间剪切强度。结果表明,Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线具有非线性特性;Z-pin嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度,显著提高了陶瓷基复合材料层间剪切强度,使原来单纯层间基体与织物表面的脱离转变为Z-pin的剪切破坏和层间基体与织物的脱离双重破坏机理。关键词:Z-pin;陶瓷基复合材料;拉伸试验;双切口压缩试验;层间剪切强度中图分类号:TB321文献标识码:AInvestigationontensileandinterlaminarshearofplainwovenCMCwithZ-pinreinforcement*LIUWei,JIAOGuiqiong,GUANGuoyang,CHANGYanjun(SchoolofMechanicsandCivilConstruction,NorthwestPolytechnicalUniversity,Xi곰an710072,China)Abstract:Thetensileandinterlaminarshearbehaviorsofceramicmatrixcomposite(CMC)withZ-pinreinforce-mentwereinvestigated.ApreformconsistingofplainwovenfabricandZ-pinthroughthicknessreinforcementswasprepared.Theprocessofchemicalvaporinfiltration(CVI)wasusedtofabricatetheceramicmatrixcompositewithZ-pins.Thetestsofuniaxialtensileandunloading-reloadingwereusedtoinvestigatethetensilebehaviorandthefracturemechanismsofthecomposite.Andadoublenotchshear(DNS)testwasusedtoinvestigatetheinterlaminarshearstrengthandthefracturemechanismofinterlaminarshear.Theresultsshowthatthetensilestress-straincurveoftheplain-wovenceramicmatrixcompositelaminateisnonlinear.Z-pininsertionreducesthetensilestrength,andgreatlyimprovestheinterlaminarshearstrength(ILSS)andchangestheinterlaminarfracturemecha-nismoftheceramicmatrixcomposite.ThedebondingofthefabricandthematrixoftheinterlaminarischangedintodoublefracturemechanismsofZ-pinshearfractureandthedebondingofthefabricandthematrixoftheinterlaminar.Keywords:Z-pin;ceramicmatrixcomposites(CMC);tensiletest;doublenotchshear(DNS)compressiontest;interlaminarshearstrength(ILSS)陶瓷基复合材料具有密度低、耐高温、强度刚热结构中的陶瓷基复合材料既承担着防热作用又承度高、抗冲击性能好等优点,因此已经成为空天飞担着较高的飞行荷载,二维编织陶瓷基复合材料的行器的热防护系统(TPS)和热结构的理想材料。空层间强度低、易分层、抗冲击性能也低,限制了其天飞行器结构与普通飞机相似,一般设计成薄壁加在空天飞行器热承力结构中的应用。为了克服层压筋板壳结构,因此二维编织陶瓷基复合材料层压板板结构层间强度低、抗分层性能差的问题,国内外更适合于这类结构。管国阳等在二维编织陶瓷基复学者进行了大量的研究,如采用缝纫、Z-pin等方[1][4-8]合材料拉伸断口附近看到大量分层损伤。二维编法进行Z向增强。Z-pin增强树脂基复合材料[2,3][6,7,9-11]织复合材料层压板的主要损伤形式是分层。在层合板的研究相对较多,而对于Z-pin增强收稿日期:20060303;收修改稿日期:20060710基金项目:国家自然科学基金(90405015);高等学校博士学科点专项科研基金(20030699040)通讯作者:矫桂琼,教授,博士生导师,从事复合材料力学的研究;会员证号:E63090006GJE-mail:jiaogq@nwpu.edu.cn 刘,等:Z-pin增强陶瓷基复合材料拉伸和层间剪切性能·87·2陶瓷基复合材料层压板方面的报道很少。仅看到日数为8个/cm。本Ishihawa对Z-pin二维陶瓷基复合材料瓦片的1.2单轴拉伸试验[12]高温力学性能的试验结果。2001年日本空间实试验在INSTRON-8871电子万能实验机上进验室设计的空天飞行器HOPE-X上的陶瓷基复合行,加载速度为0.05mm/min,采用ADLINK9113[12]材料热防护结构也采用了该技术,对二维编织数据采集卡和YD-21型动态电阻应变仪,全程采陶瓷基复合材料的层压板防护瓦进行Z向增强,即集应变数据。试件采用直条形,如图2所示。试验所谓的“Z-plus”技术。作为一种新的层间增强概段粘贴应变片,测量1、2方向应变。试验过程中,念,Z-pin增强陶瓷基复合材料具有重要的应用还对个别试件进行卸载-加载,直至试件断裂。前景。1.3层间剪切试验二维编织陶瓷基复合材料中嵌入一定量的Z-pin增强二维平纹编织C/SiC陶瓷基复合材Z-pin后增加了层间约束,抑止了层间裂纹的扩展,料的层间剪切强度采用双切口压缩试验方法在常温同时也带来了新的力学特性和破坏机理。这些都有下测定。试样如图3所示。试验在INSTRON-待进一步研究。本文作者通过对Z-pin增强平纹编1196电子万能试验机上进行,通过位移控制加载,织C/SiC陶瓷基复合材料拉伸试验和层间剪切压加载速度为0.1mm/min,采用ADLINK9113数据缩试验,确定了这种材料的拉伸强度和剪切强度及采集卡全程采集荷载。其破坏机理,为今后的深入研究奠定了基础。2试验结果及分析1材料与试验2.1拉伸1.1材料图4是Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉Z-pin增强二维平纹编织C/SiC陶瓷基复合材伸应力-应变曲线。可以看出,卸载后再重新加载料在西北工业大学超高温复合材料实验室制备并加到达上一个卸载点以前,应力-应变关系基本呈线工成试件。材料的增强相是1K丝束的T300平纹性,表明这是一个弹性过程,该过程中基本没有损编织炭布按0°方向叠层,Z-pin为3K丝束的炭纤伤产生;超过上次卸载应力之后,进入非线性。随维钉,采用化学气相沉积(CVI)工艺制成厚度约为着试件变形的增加,应力-应变曲线的斜率减小,3.5mm的铺层板,见图1。材料的体密度约为表明试件的刚度下降。从加载开始一直到试件的最32.137g/cm,孔隙率约为11.82%,Z-pin分布个终破坏,Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料具有图1Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料Fig.1Plainwovenceramicmatrixcomposite(CMC)withZ-pinreinforcement ·88·复合材料学报是材料拉伸实验数据,初始弹性模量取为应力等于50MPa时的模量。与未增强二维编织陶瓷基复合材料的拉伸强度相比较,Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度有所降低。从图5Z-pin对面内纤维的影响可以看出,Z-pin穿透经纱和纬纱,将其劈成两部分,形成较大的孔洞,Z-pin嵌入引起面内纤维断裂和纤维弯曲变形。因此,拉伸强度降低是由于Z-pin的嵌入引起面内纤维损伤、断裂、纤维弯曲变形和形成的孔洞。图2单轴拉伸试样Fig.2Uniaxialtensilespecimen图5Z-pin对面内纤维的影响Fig.5EffectofZ-pinonin-plainfiber图6是Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸试件的断口照片。从图6(a)可以看出,Z-pin增图3双切口压缩试样强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸试件在Z-pin处发Fig.3Doublenotchcompressionspecimen生破坏,这可能与Z-pin嵌入引起的面内纤维损伤、断裂和该处应力集中有关。从图6(a)、图6(b)可以看出,试件断口处各铺层断裂位置不一,且参表1Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸试验数据Table1TensiletestresultsofplainwovenCMCwithZ-pinreinforcementZ-pinreinforcementUnreinforcementInitialInitialNo.Strength/Strength/modulus/modulus/MPaMPaGPaGPa1238.2110.2276.9120.52206.9110.3287.6123.13241.4100.6281.0142.2图4Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸力-应变曲线4243.993.4248.5115.4Fig.4Stress-straincurveofthetensilespecimenofplain-wovenCMCwithZ-pinreinforcement5257.0110.2277.2120.8Average237.5104.9274.2124.4明显的非线性特性,说明Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料在整个拉伸过程中均有损伤产生。表1C.V.0.0780.0690.0550.083 刘,等:Z-pin增强陶瓷基复合材料拉伸和层间剪切性能·89·图6Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸试件断口照片Fig.6FractographsoftensilespecimenofplainwovenCMCwithZ-pinreinforcement差不齐,有层拔出。从图6(c)可以看出,断口纤维是因为嵌入的Z-pin起到了销钉的作用,限制了层束参差不齐,有纤维拔出。0°纤维束基本从0°/90°与层之间的错动。图7(a)是Z-pin增强平纹编织陶搭接的位置断裂,然后拔出,形成一排孤立纤维瓷基复合材料双切口试样破坏的宏观照片,可以看束。从图6(d)可以看出,在纤维拔出的位置留有大出,试样从中间层劈开成两部分。图7(b)是层间量的SiC碎片。因此,Z-pin增强平纹编织陶瓷基剪切破坏双切口试样断口的电镜照片,可以看出,复合材料的拉伸破坏表现为基体开裂,纤维束断裂Z-pin的破坏表面比较平齐,是剪切破坏。在层间拔出的破坏机理。SiC基体沉积不充分处存在大的空洞。在基体渗透2.2层间剪切比较致密的地方,SiC基体与织物纤维束发生脱离,表2是Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料双并附带有少量纤维的拔出,纤维拔出的地方留有切口压缩实验数据。与未增强平纹编织陶瓷基复合SiC基体碎片(见图7(c))。因此,Z-pin增强平纹材料相比,Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料的编织陶瓷基复合材料层间剪切破坏的机理主要表现层间剪切强度有显著提高,提高了约1倍。这主要为:Z-pin的剪切破坏和层间基体与织物脱离破坏。表2Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料双切口压缩实验数据Table2DoublenotchshearcompressiontestresultsofplainwovenCMCwithZ-pinreinforcementNo.123456AverageC.V.Z-pinreinforcement74.1189.0957.9755.1556.7361.3765.740.185ILSS/MPaUnreinforcement37.1232.0831.4628.0928.1035.7632.240.107 ·90·复合材料学报图7Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层间剪切试样断口照片Fig.7FractographsofinterlaminarshearspecimenofplainwovenCMCwithZ-pinreinforcement[4]MigneryLA,TanTM,SunCT.Theuseofstitchtosuppress3结论delaminationinlaminatedcomposite[C]//ASTM.Philadelphia:通过Z-pin增强平纹陶瓷基编织复合材料单轴AmericanSocietyforTestingandMaterials,1985:371385.拉伸实验和层间剪切实验研究,得到如下结论:[5]DowMB,DexterHB.Developmentofstitched,braidedandwovencompositestructuresintheACTprogramandat(1)Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料在整LangleyResearchCenter(1985to1997)summaryandbibliog-个拉伸过程中都有损伤产生,其拉伸应力-应变曲raphy,NASATP-97-206234[R].Hampton,Virginia:线具有非线性特性。NASA,1997.(2)Z-pin嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材[6]FreitasG,MageeC,DardzinskiP,etal.Fiberinsertionprocessforimproveddamagetoleranceinaircraftlaminates料的拉伸强度,而使层间剪切强度显著提高。[J].JournalAdvancedMaterial,1994,25(4):3643.(3)Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸[7]PartridgeIK,CartiéDDR.DelaminationresistantlaminatesbyZ-fiberpinningI:Manufactureandfractureperformance破坏表现出基体开裂,纤维束断裂拔出破坏机理。[J].CompositesPartA,2005,36(1):5564.(4)Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层间[8]RatcliffeJG,O'BrienTK.Discretespringmodelforpredicting剪切破坏表现为Z-pin的剪切破坏和层间基体与织delaminationgrowthinZ-fiberreinforcedDCBspecimens,物脱离的破坏机理。NASA/TM-2004-213019[R].Hampton,Virginia:NASA,2004.参考文献:[9]DransfieldK,BaillieC,MaiYiu-Wing.Improvingthedelami-nationresistanceofCFRPbystitching———Areview[J].[1]管国阳,矫桂琼,张增光.2D-C/SiC复合材料的宏观拉压特CompositesScienceandTechnology,1994,50(3):305317.性和失效模式[J].复合材料学报,2005,22(4):8185.[10]artiéDDR,TroulisM,PartridgeIK.DelaminationofZ-GuanGuoyang,JiaoGuiqiong,ZhangZengguang.Uniaxialpinnedcarbonfibrereinforcedlaminates[J].Compositesmacro-mechanicalpropertyandfailuremodeofa2D-wovenC/ScienceandTechnology,2006,66(6):855861.SiCcomposite[J].ActaMateriaeCompositaeSinica,2005,[11]yrdLW,BirmanV.TheestimateoftheeffectofZ-pinson22(4):8185.thestrainreleaserate,fractureandfatigueinacompositeco-[2]WangMingde,LairdC.DamageandfractureofacrosswovencuredZ-pinneddoublecantileverbeam[J].CompositeStruc-C/SiCcompositesubjecttocompressionloading[J].Journaltures,2005,68(1):5363.ofMaterialsScience,1996,31(8):20652069.[12]akashiIshikawa,ToshioOrgasawara.Overviewofdevelop-[3]KeithWP,KedwardKT.SheardamagemechanismsinamentactivitiesofspaceplanecomponentsusingNUSK-CMCwoven,nicalon-reinforcedceramic-matrixcomposite[J].Journal(CMCwithcontinuousSi-Ti-C-Ofiber),AIAA-2001-1879oftheAmericanCeramicSociety,1997,80(2):357364.[R].Kyoto,Japan:AIAA,2001.
