两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能
发布时间：2021-10-24 01:10
借助偏光显微镜、扫描电镜以及力学性能测试研究了两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能。结果表明:基体碳在偏光显微镜下呈现出热解碳的光滑层组织,沥青碳的各向同性、镶嵌和流域组织。在SEM下普通沥青碳为"葡萄状"结构,中间相沥青碳为片层条带状结构。具有多层次界面结构的材料可以提高材料的弯曲强度,改善材料的断裂韧度,两种材料在载荷-位移曲线中载荷为台阶式下降,呈现出假塑性断裂特征。材料A和材料B的弯曲强度分别为206.68,243.66MPa,断裂韧度分别为8.06,9.66MPa·m1/2,材料B的弯曲强度、断裂韧度均优于材料A。
【文章来源】：材料工程. 2017,45(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１Ｃ／Ｃ复合材料的偏光组织结构（ａ）材料Ａ；（ｂ）材料ＢＦｉｇ．１ＰｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆＣ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ａ）ｍａｔｅｒｉａｌＡ；（ｂ）ｍａｔｅｒｉａｌＢ
中由于受到空间条件等因素的影响，发生扭曲而形成“Ｕ”型、“Ｖ”型等结构，其内部有分布较为规整的微裂纹，这是由于炭化时发生热缩聚等化学反应导致基体收缩而形成的，与纤维的界面部分结合较好（图中单箭头指示处），部分处有裂纹（图中双箭头指示处），这种界面为“裂纹型”界面，结合强度适中，中间相沥青碳／热解碳的界面也属于“裂纹型”界面，这种界面结构和中间相沥青碳的片层条带状结构有利于改善材料的韧性。图中两种沥青碳的含量有所不同，这是由于沥青具有流动性，炭化时不受人为控制而形成的。图２Ｃ／Ｃ复合材料的原始ＳＥＭ形貌（ａ）材料Ａ；（ｂ）材料ＢＦｉｇ．２ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆＣ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ａ）ｍａｔｅｒｉａｌＡ；（ｂ）ｍａｔｅｒｉａｌＢ２．２Ｃ／Ｃ复合材料的力学性能将材料Ａ、材料Ｂ按照三点弯曲法和单边缺口梁弯曲法的要求分别制备好１０个试样，测试其弯曲强度和断裂韧度，测试数据见表１。对所测试的数据进行离散性分析，得到材料Ａ，Ｂ的弯曲强度的平均值分别为２０６．６８，２４３．６６ＭＰａ，断裂韧度的平均值分别为８．０６，９．６６ＭＰａ·ｍ１／２。通过对两种材料的弯曲强度和断裂韧度数据的方差、标准差和极差进行比较，可以得知，材料Ｂ的两种力学性能的数据稳定性均优于材料Ａ。图３为两种双基体Ｃ／Ｃ复合材料测试弯曲强度的载荷－位移曲线。可以看出，材料在受到弯曲载荷时，在开始阶段，载荷－位移曲线基本表现为线性的特征，材料Ａ在载荷超过５００Ｎ左右时，曲线表现为非线性的特征，载荷达到最大值后开始下降并且
第４５卷第８期两种双基体Ｃ／Ｃ复合材料的微观结构与力学性能图３Ｃ／Ｃ复合材料的载荷－位移曲线Ｆｉｇ．３Ｃｕｒｖｅｓｏｆｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆＣ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ后也为台阶式下降。两种材料的这种载荷－位移曲线，说明它们均有较好的韧性，材料Ｂ的韧性相对更好一些，均表现出假塑性破坏的断裂特征。图４为Ｃ／Ｃ复合材料测试弯曲强度后的断口ＳＥＭ形貌，从图中可以看出，两种材料的断口ＳＥＭ形貌均呈现出纤维层层推进式的断裂模式，与载荷－位移曲线中载荷呈台阶式下降相对应。材料Ａ断裂后纤维单丝几乎处于分散状态，而且纤维拔出相对较长，材料Ｂ断裂后呈现出几到十几根纤维单丝黏结在一起，但断口并不齐平，纤维单丝也是分层次的断裂（图中椭圆处），这些现象进一步说明了材料的韧性较好，表现图４Ｃ／Ｃ复合材料的断口ＳＥＭ形貌（ａ）材料Ａ；（ｂ）材料ＢＦｉｇ．４ＳＥＭｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆＣ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ａ）ｍａｔｅｒｉａｌＡ；（ｂ）ｍａｔｅｒｉａｌＢ出假塑性断裂特征。分析认为，Ｃ／Ｃ复合材料的力学性能由纤维、基体以及界面的综合效应决定，但其强度主要取决于碳纤维，材料Ａ中纤维／基体界面处微裂纹较多，界面结合较弱，这种界面不能有效地将应力传递给起支撑作用的纤维，致使材料的弯曲强度相对较低，材料Ｂ中纤维／基体界面结合强度适中，可以将应力传递给纤维，其弯曲强度相对较高，如果界面结合较强，纤维与基体一起断裂，纤维起不到真正的支撑作用，反而使材料的强度降低。材料的韧性
【参考文献】：
期刊论文
[1]无纬布/网胎叠层针刺C/C材料的制备及性能[J]. 李艳,崔红,郑蕊,嵇阿琳,周绍建. 新型炭材料. 2017(01)
[2]C/C复合材料不同基体炭的微观结构[J]. 刘皓,李克智. 材料工程. 2016(07)
[3]粒子浓度对C/C复合材料烧蚀行为的影响[J]. 查柏林,林浩,高双林,罗雷,张博文,朱杰堂,孙振生. 材料工程. 2016(07)
[4]针刺预制体纤维排布对C/C复合材料力学性能影响[J]. 王毅,郑金煌,崔红,邓海亮. 固体火箭技术. 2016(03)
[5]中间相沥青基C/C复合材料的微观结构与断裂韧性[J]. 刘皓,李克智. 河南科技大学学报(自然科学版). 2016(04)
[6]最终热处理温度对针刺无纬布C/C复合材料性能的影响[J]. 郑蕊,白杨,嵇阿琳,李艳,刘振东. 材料导报. 2016(S1)
[7]炭/炭复合材料热解炭基体微观结构转变动力学[J]. 黄清波,张丹,白瑞成,李爱军,孙晋良. 新型炭材料. 2016(02)
[8]致密化工艺对针刺无纬布C/C复合材料性能的影响[J]. 郑蕊,李艳,嵇阿琳,张国辉. 宇航材料工艺. 2015(02)
[9]纤维种类对炭/炭复合材料微观结构和力学性能的影响（英文）[J]. 郝名扬,罗瑞盈,向巧,侯振华,杨威,商海东. 新型炭材料. 2014(06)
[10]石墨化处理对不同高织构含量C/C复合材料微结构的影响[J]. 李伟,李贺军,魏建锋,张守阳,傅杨茜,王沛. 新型炭材料. 2014(05)
本文编号：3454280
【文章来源】：材料工程. 2017,45(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１Ｃ／Ｃ复合材料的偏光组织结构（ａ）材料Ａ；（ｂ）材料ＢＦｉｇ．１ＰｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆＣ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ａ）ｍａｔｅｒｉａｌＡ；（ｂ）ｍａｔｅｒｉａｌＢ
中由于受到空间条件等因素的影响，发生扭曲而形成“Ｕ”型、“Ｖ”型等结构，其内部有分布较为规整的微裂纹，这是由于炭化时发生热缩聚等化学反应导致基体收缩而形成的，与纤维的界面部分结合较好（图中单箭头指示处），部分处有裂纹（图中双箭头指示处），这种界面为“裂纹型”界面，结合强度适中，中间相沥青碳／热解碳的界面也属于“裂纹型”界面，这种界面结构和中间相沥青碳的片层条带状结构有利于改善材料的韧性。图中两种沥青碳的含量有所不同，这是由于沥青具有流动性，炭化时不受人为控制而形成的。图２Ｃ／Ｃ复合材料的原始ＳＥＭ形貌（ａ）材料Ａ；（ｂ）材料ＢＦｉｇ．２ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆＣ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ａ）ｍａｔｅｒｉａｌＡ；（ｂ）ｍａｔｅｒｉａｌＢ２．２Ｃ／Ｃ复合材料的力学性能将材料Ａ、材料Ｂ按照三点弯曲法和单边缺口梁弯曲法的要求分别制备好１０个试样，测试其弯曲强度和断裂韧度，测试数据见表１。对所测试的数据进行离散性分析，得到材料Ａ，Ｂ的弯曲强度的平均值分别为２０６．６８，２４３．６６ＭＰａ，断裂韧度的平均值分别为８．０６，９．６６ＭＰａ·ｍ１／２。通过对两种材料的弯曲强度和断裂韧度数据的方差、标准差和极差进行比较，可以得知，材料Ｂ的两种力学性能的数据稳定性均优于材料Ａ。图３为两种双基体Ｃ／Ｃ复合材料测试弯曲强度的载荷－位移曲线。可以看出，材料在受到弯曲载荷时，在开始阶段，载荷－位移曲线基本表现为线性的特征，材料Ａ在载荷超过５００Ｎ左右时，曲线表现为非线性的特征，载荷达到最大值后开始下降并且
第４５卷第８期两种双基体Ｃ／Ｃ复合材料的微观结构与力学性能图３Ｃ／Ｃ复合材料的载荷－位移曲线Ｆｉｇ．３Ｃｕｒｖｅｓｏｆｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆＣ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ后也为台阶式下降。两种材料的这种载荷－位移曲线，说明它们均有较好的韧性，材料Ｂ的韧性相对更好一些，均表现出假塑性破坏的断裂特征。图４为Ｃ／Ｃ复合材料测试弯曲强度后的断口ＳＥＭ形貌，从图中可以看出，两种材料的断口ＳＥＭ形貌均呈现出纤维层层推进式的断裂模式，与载荷－位移曲线中载荷呈台阶式下降相对应。材料Ａ断裂后纤维单丝几乎处于分散状态，而且纤维拔出相对较长，材料Ｂ断裂后呈现出几到十几根纤维单丝黏结在一起，但断口并不齐平，纤维单丝也是分层次的断裂（图中椭圆处），这些现象进一步说明了材料的韧性较好，表现图４Ｃ／Ｃ复合材料的断口ＳＥＭ形貌（ａ）材料Ａ；（ｂ）材料ＢＦｉｇ．４ＳＥＭｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆＣ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ａ）ｍａｔｅｒｉａｌＡ；（ｂ）ｍａｔｅｒｉａｌＢ出假塑性断裂特征。分析认为，Ｃ／Ｃ复合材料的力学性能由纤维、基体以及界面的综合效应决定，但其强度主要取决于碳纤维，材料Ａ中纤维／基体界面处微裂纹较多，界面结合较弱，这种界面不能有效地将应力传递给起支撑作用的纤维，致使材料的弯曲强度相对较低，材料Ｂ中纤维／基体界面结合强度适中，可以将应力传递给纤维，其弯曲强度相对较高，如果界面结合较强，纤维与基体一起断裂，纤维起不到真正的支撑作用，反而使材料的强度降低。材料的韧性
【参考文献】：
期刊论文
[1]无纬布/网胎叠层针刺C/C材料的制备及性能[J]. 李艳,崔红,郑蕊,嵇阿琳,周绍建. 新型炭材料. 2017(01)
[2]C/C复合材料不同基体炭的微观结构[J]. 刘皓,李克智. 材料工程. 2016(07)
[3]粒子浓度对C/C复合材料烧蚀行为的影响[J]. 查柏林,林浩,高双林,罗雷,张博文,朱杰堂,孙振生. 材料工程. 2016(07)
[4]针刺预制体纤维排布对C/C复合材料力学性能影响[J]. 王毅,郑金煌,崔红,邓海亮. 固体火箭技术. 2016(03)
[5]中间相沥青基C/C复合材料的微观结构与断裂韧性[J]. 刘皓,李克智. 河南科技大学学报(自然科学版). 2016(04)
[6]最终热处理温度对针刺无纬布C/C复合材料性能的影响[J]. 郑蕊,白杨,嵇阿琳,李艳,刘振东. 材料导报. 2016(S1)
[7]炭/炭复合材料热解炭基体微观结构转变动力学[J]. 黄清波,张丹,白瑞成,李爱军,孙晋良. 新型炭材料. 2016(02)
[8]致密化工艺对针刺无纬布C/C复合材料性能的影响[J]. 郑蕊,李艳,嵇阿琳,张国辉. 宇航材料工艺. 2015(02)
[9]纤维种类对炭/炭复合材料微观结构和力学性能的影响（英文）[J]. 郝名扬,罗瑞盈,向巧,侯振华,杨威,商海东. 新型炭材料. 2014(06)
[10]石墨化处理对不同高织构含量C/C复合材料微结构的影响[J]. 李伟,李贺军,魏建锋,张守阳,傅杨茜,王沛. 新型炭材料. 2014(05)
本文编号：3454280
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