短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态劈裂拉伸实验
发布时间：2021-01-23 10:01
为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态,利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验,并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面,分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明:C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中,同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大;短切碳纤维体积分数为16.0%时,材料的抗拉强度最低;冲击后,试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。
【文章来源】：爆炸与冲击. 2017,37(02)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１巴西圆盘对径压缩Ｆｉｇ．１ＤｉａｍｅｔｒｉｃａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅＢｒａｚｉｌｉａｎｄｉｓｃ载）为
Ｆｉｇ．１２ＦｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆＣ／ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｈｏｒｔｃｕｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｖｏｌｕｍｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆ２４．８％图１３不同冲击气压下，短切碳纤维体积分数为２４．８％的Ｃ／ＳｉＣ复合材料断口形貌Ｆｉｇ．１３ＦｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆＣ／ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｈｏｒｔｃｕｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｖｏｌｕｍｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆ２４．８％ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｍｐａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓ图１４面积比与拉伸强度的关系Ｆｉｇ．１４Ａｒｅａｒａｔｉｏａｎｄｄｙｎａｍｉｃｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ由图１３可看出，随着冲击气压的增大，纤维拔出量也增大：冲击气压为０．１８ＭＰａ时，纤维拔出与纤维断裂的面积比β约为１／２，其动态拉伸强度约为２１．０ＭＰａ；冲击气压为０．２５ＭＰａ时，纤维拔出与纤维断裂的面积比约为２／３，其动态拉伸强度约为２４．０ＭＰａ；冲击气压为０．４０ＭＰａ时，纤维拔出与纤维断裂的面积比约为４／５，其动态拉伸强度约为２６．５ＭＰａ；纤维拔出与动态拉伸强度有明显相关性，如图１４所示。由此可以推断，纤维拔出是短切碳纤维Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料的主要吸能和增韧机制。３２０爆炸与冲击第３７卷
１２］，如图２所示。针对实验加载过程中Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料试件内部应力均匀性问题，在入射杆端贴一块尺寸为?１０ｍｍ×１ｍｍ的紫铜片，采用波形整形技术对入射脉冲进行预处理，减小应力波的高频振荡，使其平缓上升，由矩形波变成平缓光滑的半正弦波，整形后的波形如图３所示。图４为典型动态拉伸实验试样两端动态强度与时间的关系图，图中显示试样一端的入射波和反射波的应力总与另一端的透射波应力相等，这说明试样两端的应力已达到平衡。所有实验试样都经证实达到动态应力平衡。图３ＳＨＰＢ劈裂拉伸实验应力波形Ｆｉｇ．３ＳｔｒｅｓｓｗａｖｅｓｉｎＳＨＰＢｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔ图４试件的动态应力平衡检验Ｆｉｇ．４Ｄｙｎａｍｉｃｓｔｒｅｓｓｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｔｅｓｔｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎ１．３实验结果及分析采用上述ＳＨＰＢ装置，对不同短切碳纤维体积分数的Ｃ／ＳｉＣ复合材料试件，进行不同应变率下的动态劈裂实验。短切碳纤维体积分数为２４．８％的Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料的典型冲击破坏形态如图５所示。从图５可以看出，Ｃ／ＳｉＣ复合材料试件破碎形态主要表现为劈裂后的层裂和沿径向加载方向的劈裂，基本符合常规巴西圆盘实验的有效性条件［１３］。当气压较低时，撞击子弹的速率也较低，试件劈裂为较完整的两部分或层裂为四部分的破坏形态。在同一短切碳纤维体积分数下，随着冲击气压的增大，短切碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料试件的破碎程度明显提高，块数增多。图５短切碳纤维体积分数为２４．８％的Ｃ／ＳｉＣ复合材料试件动态劈裂破碎形态Ｆｉｇ．５ＤｙｎａｍｉｃＳｐｌｉｔｔｉｎｇｃｒｕｓｈｉｎｇｆ
【参考文献】：
期刊论文
[1]C/SiC复合材料的动态力学性能及微观结构分析[J]. 邵彬彬,徐颖,许维伟,郑志涛. 材料科学与工程学报. 2016(04)
[2]以新型先驱体浸渍裂解制备SiC/SiC复合材料弯曲性能研究[J]. 罗征,周新贵,余金山,王飞. 稀有金属材料与工程. 2013(S1)
[3]碳纤维增韧的陶瓷基复合材料在高温高应变率下的压缩力学行为[J]. 索涛,戴磊,石春森,李玉龙,杨建波. 爆炸与冲击. 2012(03)
[4]聚苯乙烯混凝土动态劈裂实验[J]. 胡俊,巫绪涛. 爆炸与冲击. 2011(04)
[5]2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度[J]. 杨成鹏,矫桂琼,王波. 力学学报. 2011(02)
[6]冲击荷载循环作用下砂岩动态力学性能的围压效应研究[J]. 吕晓聪,许金余,赵德辉,葛洪海,王泽东. 工程力学. 2011(01)
[7]巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法[J]. 宫凤强,李夕兵. 岩石力学与工程学报. 2010(05)
[8]SHPB实验中几个问题的讨论[J]. 陶俊林. 西南科技大学学报. 2009(03)
[9]连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨[J]. 张立同,成来飞. 复合材料学报. 2007(02)
[10]2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征[J]. 梅辉,成来飞,张立同,徐永东,孟志新,刘持栋. 硅酸盐学报. 2007(02)
本文编号：2995023
【文章来源】：爆炸与冲击. 2017,37(02)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１巴西圆盘对径压缩Ｆｉｇ．１ＤｉａｍｅｔｒｉｃａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅＢｒａｚｉｌｉａｎｄｉｓｃ载）为
Ｆｉｇ．１２ＦｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆＣ／ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｈｏｒｔｃｕｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｖｏｌｕｍｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆ２４．８％图１３不同冲击气压下，短切碳纤维体积分数为２４．８％的Ｃ／ＳｉＣ复合材料断口形貌Ｆｉｇ．１３ＦｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆＣ／ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｈｏｒｔｃｕｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｖｏｌｕｍｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆ２４．８％ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｍｐａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓ图１４面积比与拉伸强度的关系Ｆｉｇ．１４Ａｒｅａｒａｔｉｏａｎｄｄｙｎａｍｉｃｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ由图１３可看出，随着冲击气压的增大，纤维拔出量也增大：冲击气压为０．１８ＭＰａ时，纤维拔出与纤维断裂的面积比β约为１／２，其动态拉伸强度约为２１．０ＭＰａ；冲击气压为０．２５ＭＰａ时，纤维拔出与纤维断裂的面积比约为２／３，其动态拉伸强度约为２４．０ＭＰａ；冲击气压为０．４０ＭＰａ时，纤维拔出与纤维断裂的面积比约为４／５，其动态拉伸强度约为２６．５ＭＰａ；纤维拔出与动态拉伸强度有明显相关性，如图１４所示。由此可以推断，纤维拔出是短切碳纤维Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料的主要吸能和增韧机制。３２０爆炸与冲击第３７卷
１２］，如图２所示。针对实验加载过程中Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料试件内部应力均匀性问题，在入射杆端贴一块尺寸为?１０ｍｍ×１ｍｍ的紫铜片，采用波形整形技术对入射脉冲进行预处理，减小应力波的高频振荡，使其平缓上升，由矩形波变成平缓光滑的半正弦波，整形后的波形如图３所示。图４为典型动态拉伸实验试样两端动态强度与时间的关系图，图中显示试样一端的入射波和反射波的应力总与另一端的透射波应力相等，这说明试样两端的应力已达到平衡。所有实验试样都经证实达到动态应力平衡。图３ＳＨＰＢ劈裂拉伸实验应力波形Ｆｉｇ．３ＳｔｒｅｓｓｗａｖｅｓｉｎＳＨＰＢｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔ图４试件的动态应力平衡检验Ｆｉｇ．４Ｄｙｎａｍｉｃｓｔｒｅｓｓｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｔｅｓｔｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎ１．３实验结果及分析采用上述ＳＨＰＢ装置，对不同短切碳纤维体积分数的Ｃ／ＳｉＣ复合材料试件，进行不同应变率下的动态劈裂实验。短切碳纤维体积分数为２４．８％的Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料的典型冲击破坏形态如图５所示。从图５可以看出，Ｃ／ＳｉＣ复合材料试件破碎形态主要表现为劈裂后的层裂和沿径向加载方向的劈裂，基本符合常规巴西圆盘实验的有效性条件［１３］。当气压较低时，撞击子弹的速率也较低，试件劈裂为较完整的两部分或层裂为四部分的破坏形态。在同一短切碳纤维体积分数下，随着冲击气压的增大，短切碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料试件的破碎程度明显提高，块数增多。图５短切碳纤维体积分数为２４．８％的Ｃ／ＳｉＣ复合材料试件动态劈裂破碎形态Ｆｉｇ．５ＤｙｎａｍｉｃＳｐｌｉｔｔｉｎｇｃｒｕｓｈｉｎｇｆ
【参考文献】：
期刊论文
[1]C/SiC复合材料的动态力学性能及微观结构分析[J]. 邵彬彬,徐颖,许维伟,郑志涛. 材料科学与工程学报. 2016(04)
[2]以新型先驱体浸渍裂解制备SiC/SiC复合材料弯曲性能研究[J]. 罗征,周新贵,余金山,王飞. 稀有金属材料与工程. 2013(S1)
[3]碳纤维增韧的陶瓷基复合材料在高温高应变率下的压缩力学行为[J]. 索涛,戴磊,石春森,李玉龙,杨建波. 爆炸与冲击. 2012(03)
[4]聚苯乙烯混凝土动态劈裂实验[J]. 胡俊,巫绪涛. 爆炸与冲击. 2011(04)
[5]2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度[J]. 杨成鹏,矫桂琼,王波. 力学学报. 2011(02)
[6]冲击荷载循环作用下砂岩动态力学性能的围压效应研究[J]. 吕晓聪,许金余,赵德辉,葛洪海,王泽东. 工程力学. 2011(01)
[7]巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法[J]. 宫凤强,李夕兵. 岩石力学与工程学报. 2010(05)
[8]SHPB实验中几个问题的讨论[J]. 陶俊林. 西南科技大学学报. 2009(03)
[9]连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨[J]. 张立同,成来飞. 复合材料学报. 2007(02)
[10]2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征[J]. 梅辉,成来飞,张立同,徐永东,孟志新,刘持栋. 硅酸盐学报. 2007(02)
本文编号：2995023
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