试样几何形状和尺寸对C_C复合材料拉伸强度的影响

第33卷第3期

固体火箭技术

J o u r n a l o f S o l i dR o c k e t T e c h n o l o g y V o l . 33N o . 32010

试样几何形状和尺寸对C /C 复合材料拉伸强度的影响

①

宋昌哲, 张程煜, 乔生儒, 严科飞, 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)

　　摘要:为了确定C /C复合材料的高温拉伸试样的尺寸和形状, 对7种C /C复合材料拉伸试样的室温拉伸强度进行研究。结果表明, 为悬挂引伸计传感器而加工的凸台的形状对材料的拉伸强度有明显影响。方形、三角形凸台试样的几何应力集中因子分别为2. 41和1. 01。拉伸强度与凸台形状密切相关, 拉伸强度随着标距宽度和长度的增加呈下降趋势, 符合尺寸效应规律, 标距长度在30～40m m 变化时, 拉伸强度基本不变。

关键词:C/C复合材料; 拉伸强度; 尺寸效应

中图分类号:T B 332　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1006-2793(2010) 03-0349-04

I n f l u e n c e o f g e o m e t r y a n d s i z e o f s p e c i m e no n

t e n s i l e s t r e n g t ho f C /Cco m p o s i t e s

S O N GC h a n g -z h e , Z H A N GC h e n g -y u , Q I A OS h e n g -r u , Y A NK e -f e i , H A ND o n g , L I M e i

(N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f T h e r m o s t r u c t u r e C o m p o s i t e M a t e r i a l s , N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y , X i ' a n 　710072, C h i n a )

A b s t r a c t :I no r d e r t od e f i n e t h e g e o m e t r y a n d s i z e o f t h e t e n s i l e s p e c i m e nf o r C /Cco m p o s i t e s a t h i g h t e m p e r a t u r e s , t h e t e n s i l e s t r e n g t ho f 7k i n d s o f s p e c i m e n s w a s i n v e s t i g a t e d a t r o o mt e m p e r a t u r e . T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e s h a p e o f b o s s m a c h i n e d f o r h a n g i n g t h e e x t e n s o m e t e r a t h i g h t e m p e r a t u r e s h a s s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e o nt h e t e n s i l e s t r e n g t h .T h e g e o m e t r i c s t r e s s c o n c e n t r a t i o nf a c t o r o f t h e q u a d r a t e b o s s i s 2. 41, w h i l e t h a t o f t h e t r i a n g u l a r b o s s i s 1. 01. T h e t e n s i l e s t r e n g t h i s c l o s e l y c o r r e l a t e d t o t h e s p e c i m e n s i z e s . I t d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e s p e c i m e n g a u g e w i d t h a n d l e n g t h .B u t t h e v a r i a t i o no f t e n s i l e s t r e n g t h i s s m a l l w h e nt h e g a u g e l e n g t hi s i nt h e r a n g e 30m mt o 40m m .

K e yw o r d s :C /Cco m p o s i t e s ; t e n s i l e s t r e n g t h ; s i z e e f f e c t

0　引言

C /C及陶瓷基复合材料广泛用于火箭发动机、航

[1]

空发动机和航天飞行器热结构系统等领域。这些材料作为在高温下使用的热结构复合材料, 其高温性能的测试与表征十分重要。但是我国对这些材料的高温力学性能测试方法还不够规范, 目前的现状是借鉴纤维增强塑料和金属材料的标准测试方法。这对同一材料的比较和生产尚可, 却不能作为获得材料设计数据的方法与手段。近年来, 欧洲、美国和日本等国家的相关机构制定了非常详细的陶瓷基复合材料拉伸性能的标准测试方法

[2-5]

的确定均建立在各国试验设备和技术水平的基础上, 所以具体内容各不相同, 例如A S T M —C 1275和A S T M —C 1359分别提供了9种和8种拉伸试样的形状和尺寸, 每种试样的标距宽度和长度各不相同, 而这些形状和尺寸也与D I N 和J I S 的提供存在很大差距。

其次, 拉伸试验的最大难点是高温下精确测量应变。目前仅有A S T M 规定了陶瓷基复合材料的高温拉伸性能的测试方法

[3]

, 其高温应变的测量方法是采用

价格昂贵的高温引伸计, 引伸杆采用S i C 材料, 最高使用温度不超过1200℃。另一种可应用的方法为使用激光光学测量仪器, 但高温辐射对测量信号有明显干扰, 所得数据可靠性不高。鉴于上述原因, 不能直接采

, 例如A S T M —C 1275、A S T M —

C 1359、DI N —E N 658-1、JI S —R 1656等。这些测试方法

①

收稿日期:2009-07-27; 修回日期:2009-08-07。

基金项目:国家自然科学基金(50702045) ; 高等学校博士点学科基金([1**********]) ; 新世纪优秀人才支持计划。作者简介:宋昌哲(1984—) , 男, 硕士生, 主要研究方向为复合材料力学性能。E -ma i l :s c z . 18@163. c o m

—349—

2010年6月固体火箭技术

[6]

第33卷

用现有的方法, 因此本文采用一种应变测量系统。据应-应变曲线, 最终获得材料的拉伸强度。

当试样标距长度变化时, 引伸计传感器通过监测上下两引伸杆支架相对位置的变化获得变形, 进而得到材料的应变。在这一系统中, 引伸计传感器处于低温部分, 因此可以获得高温应变。采用这种方法时, 必须要在试样标距段两端加工凸台, 以便安装引伸杆支架, 并通过其与引伸杆及引伸计传感器连接。而凸台引起的试样截面积的变化会产生应力集中, 易导致材料在非标距段断裂。

本文在室温下研究7种形状的C /C复合材料的拉伸强度, 重点研究凸台的形状、标距长度、标距宽度对C /C复合材料拉伸强度的影响规律, 为确定C /C等材料的高温拉伸试样的尺寸和形状提供依据。

图1　拉伸试验中应变测量示意图

F i g . 1　Sc h i m a t i c d i a g r a m o f s t r a i nm e a s u r e me n t

d u r i n gat e n s i l et e s

1　试验

1. 1　试验材料

所用材料为正交长纤维网胎穿刺C /C复合材料, 相邻无纬布互成90°, 2层无纬布之间铺网胎, 针刺成

毡后再经化学气相渗透C V I 沉积, 密度为1. 55g /cm 。1. 2　试样设计

本文探讨采用如图1所示的的应变测量系统

[6]

拉伸试样基本形状如图2所示。除了c 型试样外, 其余试样均加工了凸台。凸台是为安装引伸杆支架而在标距段两端加工的凸起。以往采用方形凸台试样, 如图2(a ) 所示, 由于试样在加工过程中截面面积或者形状的突变引发应力集中, 从而易导致试样在凸台与标距段过渡处断裂, 这种情况对脆性材料特别是复合材料又显得尤为突出。根据减缓应力集中的方法

[7]

图2　拉伸试样示意图

F i g . 2　Sc h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f t e n s i l e s p e c i me n s

表1　拉伸试样的标距段尺寸

T a b l e 1　Ga u g e s i z e o f v a r i o u s t e n s i l es p e c i m e n　　　mm 试样编号

A B C D E F G

凸台形状方形三角无三角三角三角三角

标距长度×宽度×厚度

20×4×320×4×320×4×320×6×320×8×330×6×340×6×3

, 三

角形凸台代替方形凸台可有效缓解应力集中, 因此本

文设计了三角凸台试样, 如图2(b ) 所示。为比较凸台应力集中对材料的影响, 还加工了无凸台试样, 如图2(c ) 所示。本课题组前期采用图2(a ) 所示的试样, 标距长度、宽度和厚度分别25、4、3m m , 但A S T M 推荐类似试样的标距长度、宽度和厚度分别为33、6. 3、3m m 。因此本文在此基础上, 设计了不同标距长度和标距宽度的拉伸试样, 以确定此类材料对拉伸强度的影响规律, 几种试样具体标距尺寸见表1。1. 3　试验过程

拉伸试验在西北工业大学超高温拉伸试验机上完成, 最高温度可达2000℃。所有试样均取自同一批料, 且纤维取向相同, 采用线切割方法加工。试验前测量试样标距段至少3处的宽度和厚度, 精度0. 02m m , 取平均值后计算截面积。本文测试温度为室温, 加载速率为0. 595m m /mi n , 每组测试试样的有效数为5～7个。记录载荷-位移曲线, 进而得到应力-应变曲线, 根—350—

[2]

[6, 8]

2　结果与讨论

带凸台的A 型和B 型试样和无凸台的C 型试样的拉伸强度分别为21. 7、51. 8、52. 3M P a 。说明凸台能够降低材料的拉伸强度。利用几何应力集中因子

[6]

表示应力集中对拉伸强度的影响, 同时还可直观比较凸台的应力集中大小。几何应力集中因子定义:

K =σ0/σ

(1)

式中　σ0为无凸台试样的平均拉伸强度; σ为有凸台

试样的平均拉伸强度。

2010年6月宋昌哲, 等:试样几何形状和尺寸对C /C复合材料拉伸强度的影响第3期

根据试验结果, A 、B试样的几何应力集中因子分别为2. 41和1. 01。

通过有限元模型可分析2种形状凸台处应力分布, 试样受力及约束模型如图3, 载荷取值为-100N ; 默认为结构分析模式, 材料为正交各向异性, 定义单元类型为S t r u c t u a l S h e l l L i n e a r L a y e r 99, 选择智能网格划

分工具S m a r t i n g S i z e 进行网格划分。应力分布状态如图4所示。三角形凸台与标距段过渡处的应力与方形凸台相比明显减小; 同时还发现通过适当增大过渡处的圆角, 此处应力集中明显降低; 过渡段应力分布均匀, 端头效应即试样夹持和外载有关的应力干扰可忽略。为验证有限元方法的可行性, 有限元试验中只改变弹性常数, 发现具有相同变化趋势的应力分布。试验结果和有限元分析结果说明选择三角形凸台能够有效降低应力集中, 且拉伸强度接近无凸台试样。

有关拉伸试样标距段宽度的确定, 目前尚无明确的方法, 但世界上一些机构和组织制定了一系列标准, 大部分认为纤维增强复合材料的标距宽度在2. 5～6. 35m m 之间

[6]

。例如A S T M —C 1359将其侧边加载的试

[3]

样宽度定为6. 3m m , 这样可有效消除试样边缘效应区的影响。如图5所示, 由于w =4m m 时, 试验结果的分散性较大, 因此本文认为在试验过程中选择标距宽度为6m m 较为合理

。

图5　试样标距宽度对拉伸强度的影响(C 、D、E型试样)

F i g . 5　Ef f e c t s o nt e n s i l e s t r e n g t hw i t h

g a u g e w i d t h(T y p eC , D , E )

图6为标距长度与拉伸强度的关系。由图6可见, 随着标距长度的增加, 拉伸强度首先明显减小, 当L >30m m 时, 拉伸强度逐渐趋于平缓, 基本保持不变。这个结果可由局部载荷分担模型来解释, 该模型中, 复合材料强度分布函数的形状参数为k β(k 相当于临界

图3　模型单元网格划分及约束和加载F i g . 3　Mes h i n g , c o n s t r a i n t s a n dl o a do nt h em o d e l

裂纹长度, β为纤维强度的分散性参数) , 根据W e i b u l l 分布特点, 复合材料强度随体积增加呈指数形式降低V , 然而由于试样长度变化较大, k 值也随复合材料尺寸的增加而略有增加, 这样导致复合材料的尺寸效应不明显。同时, 根据圣维南原理, 随着标距长度增加, 凸台处产生的应力集中对试样标距段的影响也逐渐减小。能均法

[13]

-1/β

[12]

认为, 标距长度要远远大于复

合材料的重复单元, 是转化为连续介质材料的条件, 本文中选择的几种标距长度都占试样长度的20%以上, 这保证了标距段内具有均匀的应力状态。

图4　A、B试样Y 方向应力云图

F i g . 4　Co n t o u r p l o t o f n o d a l s t r e s s i nYd i r e c t i o n

图6中, 当L >30m m 时, 标距长度对测量强度的影响几乎不变, 考虑到材料的消耗及制造费用, 可选择

L =30m m 作为标距长度。

由于国内外实验设备及技术水平存在差异, 国外的测试方法不能完全适合或满足我国国情。当温度高于1200℃时, A S T M —C 1359中规定的应变测量方法将非常困难, 而本文中使用的应变测量系统可解决这一问题。另外, 此应变测量系统决定了试样形状尺寸的设计, 分析结果表明, 通过优化试样凸台的形状, 可减小凸台对测试结果的影响。

—351—

试样标距尺寸对拉伸强度的影响一直是纤维增强

[9-11]

复合材料研究的重点, 图5显示了3种不同标距宽度试样的拉伸强度。由图5可见, 标距宽度在4～8m m , 拉伸强度逐渐降低, 表现出明显的尺寸效应。根据统计强度理论或最弱链理论, 复合材料的强度等同于最弱环的强度, 因此, 当材料随试样体积增大, 材料内部的缺陷几率增加, 从而导致拉伸强度减小。而

[10]

2010年6月固体火箭技术第33卷

[3]　A S T M —C 1359-1996.S t a n d a r dt e s t m e t h o df o rm o n o t o n i c

t e n s i l e s t r e n g t ht e s t i n go f c o n t i n u o u s f i b e r -r e i n f o r c e da d -v a n c e dc e r a m i c s w i t hs o l i dr e c t a n g u l a r c r o s s -s e c t i o ns p e c i -m e n s a t e l e v a t e dt e m p e r a t u r e s [S ].U n i t e dS t a t e s :AS T M , 1997.

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[5]　J I S —R 1656-2003.T e s t i n gm e t h o d sf o r t e n s i l es t r e s s -s t r a i n

图6　试样标距长度对拉伸强度的影响(D 、F、G型试样)

F i g . 6　Ef f e c t s o f t e n s i l e s t r e n g t ho n

g a u g e l e n g t h(T y p eD , F , G )

b e h a v i o r o f c o n t i n u o u sf i b e r r e i n f o r c e dc e r a m i cm a t r i xc o m -p o s i t e s a t r o o mt e m p e r a t u r e [S ]. J a p a n :JI S , 2003. [6]　罗国清. 3D -C /Si C 复合材料的拉伸性能[D ]. 西安:西

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(编辑:薛永利)

3　结论

(1) 在进行C /C复合材料的高温拉伸试验时, 将

三角形凸台试样代替方形凸台试样应用于本文应变测量系统中是可行的。三角形凸台和方形凸台试样的几何应力集中因子分别为2. 41和1. 01, 说明三角形凸台能够显著降低方形凸台引起的应力集中, 与有限元模拟结果吻合。

(2) 随着标距宽度和长度的增加, C /C复合材料的拉伸强度逐渐降低, 符合尺寸效应规律。当标距长度在30～40m m 变化时, 强度基本不变, 局部载荷分担模型认为k 值的增大抑制了尺寸效应。试验中可选择标距宽度和长度分别为6、30m m 的拉伸试样。

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