沥青基炭 - 炭复合材料的弯曲断裂特征

1、作者简介:孙乐民(19652,男,河南南阳人,博士生,副教授,主要从事炭炭复合材料研究。沥青基炭炭复合材料的弯曲断裂特征孙乐民,李贺军,张守阳(西北工业大学炭炭复合材料工程技术研究中心,陕西西安710072摘要:以1K PAN 基高强度炭纤维为增强体、以调制中温煤沥青为基体前躯体,采用压力浸渍2炭化工艺制备出了不同密度二维沥青基炭炭复合材料。经过对复合材料试样进行的弯曲试验表明,其弯曲断裂特征与材料密度具有密切的联系。根据弯曲强度-位移曲线,高密度复合材料表现为脆性断裂,而低密度复合材料表现为韧性断裂。从弯曲断面的SEM 图片来看,脆性断裂时的断面比较平整,韧性断裂时断面上有大量炭纤维拔出。炭

2、炭复合材料的断裂破坏过程实质上就是基体裂纹在材料内的扩展过程,其扩展的途径与界面结合状况有关。裂纹沿界面的扩展将引起基体与纤维的脱粘,脱粘又导致纤维与基体之间的相对滑动,这种相对滑动将吸收相当一部分能量,从而可以延缓材料的断裂过程,起到韧化作用。关键词:沥青基炭炭复合材料;断裂;界面;裂纹中图分类号:TB 332文献标识码:A1引言炭炭复合材料是一种新型高性能复合材料,具有高比模、高比强、耐高温、耐腐蚀、抗热震等一系列优点,在航空、航天等领域具有越来越广泛的应用124。根据基体前躯体种类的不同,炭炭复合材料可分为热解炭基、沥青基和树脂炭基等。由于它们的基体与界面结构的不同导致它们的断裂破坏形式

3、也不相同。一些研究者曾对热解炭基炭炭复合材料的断裂破坏形式作过分析527,但对沥青基炭炭复合材料的断裂破坏形式研究甚少。基于此考虑,本文从沥青基炭炭复合材料制件不同弯曲断面形貌的SEM 图片着手,对其弯曲破坏特征及过程机理进行分析和讨论。2试验部分2.1沥青基炭炭复合材料的制备沥青基炭炭复合材料所用增强体为由1K 高强度PAN 炭布经剪切、迭层和纵向穿刺后制成预制体,浸渍前,预制体需先经液相表面处理,以改善碳纤维与基体炭的界面结合状况,提高复合材料力学性能。基体前躯体选用山西煤化所提供的调制中温煤沥青,其软化点为105.5,含碳量92.87%。复合材料的制备采用液态沥青压力浸渍2炭化工艺,炭化

4、压力分别为80MPa ,40MPa 和0.1MPa ,并重复多次,再经机械加工,最后得到22D 沥青基炭炭复合材料制件。试样件密度采用排水法测量。2.2弯曲试验弯曲试样的尺寸为55mm ×10mm ×4mm ,弯曲试验按航天工业总公司第四研究院的三点弯曲企业标准(Q Gb 95292、在长春试验机研究所制造的CSS 21100电子万能试验机上进行。加载方向与炭布层面垂直,弯曲断裂面供以后进行电子显微镜断口扫描分析之用。3结果与讨论3.1不同密度炭炭复合材料的弯曲应力2位移曲线特点图1为不同密度沥青基炭炭复合材料制件的弯曲强度2位移关系曲线,可以看出,不同密度的炭炭制件(1#

5、试样密度为1.87g cm 3,2#试样密度为1.63g cm 3,3#试样密度为1.38g cm 3,其断裂特征并不相同。80MPa 炭化压力下制得的密度较高的制件,在断裂前,应力和位移之间具有良好的线性关系,但材料一旦破坏,应力快速下降,表现出明显的第16卷2001年第3期9月新型炭材料NEW C AR BON M ATERI A LS V ol.16N o.3Sep.2001 图1不同密度炭炭制件弯曲应力2位移曲线Fig.1Curves of curvic stress versus displacement of CC compositeswith different densitie

6、s脆性断裂的特征。对于密度较低的炭化压力为一个大气压下制得的制件来说,情形则刚好与之相反,在断裂前,制件内部就出现了小部分的断裂现象,使应力2位移曲线表现出非线性的特征;在材料内部发生断裂破坏(即经过最大载荷后,应力不是突然下降而是呈现阶梯性的缓慢降低,具有韧性破坏的断裂特征,这即是炭炭复合材料弯曲破坏的“假塑性效应”。3.2复合材料的断面特征不同密度炭炭复合材料的断裂特征不仅表现在弯曲应力2位移曲线上,也表现在裂纹的形貌上。图2分别为1#、2#、3#弯曲断裂试样的微观结构SEM图片。当复合材料的密度比较高时(1#试样,不但纤维束内部、纤维束与炭基体之间的界面的结合能力比较好,而且炭布叠层之间

7、炭基体的粘结性能也比较好。这时,炭纤维和基体之间结合成一牢固的整体,当复合材料受弯破坏时,首先是试样上受拉应力最大处(即最大弯矩处炭纤维和基体一起发生拉伸断裂,然后裂纹沿纵向(垂直于炭布方向向试样内部扩展,直至整个断面断裂。弯曲断裂试样侧面的形貌图(图2a显示出,断面轮廓比较整齐,断面附近的裂纹比较少,从断面向试件内部扩展的裂纹深度也比较小,从弯曲断面的SEM图(图2b来看,纤维拔出长度短,断面较平整,具有明显的脆性断裂特征。当材料的密度比较低时(3#试样,断裂的方式与以上明显不同。22D炭炭复合材料近似于多层的层压结构形式,在层与层之间,当层间的应力超过粘结层的强度极限时,就会发生层间的粘结

8、破坏和层间的剥离,这种破坏实际上属于剪切破坏。也就是说,与炭布层内炭纤维所受拉应力相比,层间基体所受的剪切应力首先达到极限值,即首先发生破坏。对于低密度22D沥青基炭炭复合材料,炭布层与层之间炭基体的粘结性能很弱,这时叠层间的粘结强度是决定复合材料力学性能的主要因素。当复合材料受弯曲载荷破坏时,首先发生的是炭布叠层间的剪切破坏,然后才是炭纤维束的拉伸断裂,有时甚至在炭纤维束拉断之前,炭布整个层面就已发生剪切脱离。图2c为低密度炭炭复合材料试样断裂后的侧面轮廓,炭布层与层之间存在较宽的沿炭布迭层方向贯穿整个试样的主裂纹,除此之外,还存在大量纤维束之间的小的裂纹。这时,一个整体的材料已经不存在,而

9、是由若干个大小不等的块体组成。复合材料的断面SEM图(图2d则表现为纤维的大量拔出,由于每根炭纤维单丝与周围炭基体的结合状况并不完全一致,所以纤维拔出的长度也不完全相同,拔出部分的长度可以达到炭纤维直径的十几倍到几十倍。材料破坏表现出明显的韧性断裂特征。对于一般密度的炭炭复合材料承受弯曲载荷破坏时,断裂特征兼具以上两种情形。一方面,束间基体内存在的孔洞和裂纹(图2e所示,孔洞是由于沥青热解时的气体产生的,裂纹是由于经过多次浸渍2炭化后基体收缩而产生的成为裂纹源,降低了束间基体的强度。材料受力时,裂纹沿束间扩展(图2f,引起炭布层间破坏。另一方面,裂纹也会在纤维束内的炭基体中扩展,造成炭纤维从基

10、体中拔出和受拉应力破坏。3.3界面特征界面是复合材料中的重要组成部分,它是连结基体与纤维的桥梁。利用扫描电镜和偏光显微镜等手段能够观察到材料中增强纤维和基体的形貌特征及其相互间的界面结合状态。实际上,无论从应力传递的角度,还是从结构方面来看,纤维和基体间存在的都不是一个面,而是性质与纤维本体和基体本体都不相同、组成和结构随原材料及制备工艺条件而变的一层厚度有限的物质8。图3a为复合材料发生剪切后的形貌,纤维被基体紧紧包围(位置A,界面结合比较强,当纤维被拔出后,就在基体上留下一纤维状的凹坑(位置B,在坑中可以看到纤维被刮伤的痕迹,而在纤维表面则留下一些与纤维轴平行的沟槽。另外,在沥青基炭炭复合

11、材料中,也经常出现围绕炭纤维的包鞘结构(图3b所示(这种结构在热解炭基炭炭复合材料中也有出现,但内部微观结构与形成机理明显不92第3期孙乐民等:沥青基炭炭复合材料的弯曲断裂特征同9,其厚度约为1m 3m 。这种结构的形成是由于沥青中间相小球长大与融并过程中,在炭纤维周围沿其轴向进行生长所致,它与炭纤维的结合比较紧密 。图2沥青基炭炭复合材料制件弯曲断面形貌SEM 图Fig .2SEM images of fracture section of pitch 2based C C composites图3沥青基炭炭复合材料制件界面结构SEM 图Fig .3SEM images of pitch 2

12、based C C composites at the interface between fibers and substrate03新型炭材料第16卷3.4炭炭复合材料的断裂破坏机理炭纤维与炭基体的模量不同,因此在复合材料承受载荷作用时,在基体与纤维之间的界面上,必然存在应力的传递过程。纤维复合材料技术的基础在于利用高性能纤维的强度和刚度,其关键在于使基体有效地将应力通过纤维和基体间界面进行传递。因此,纤维和基体间界面结合强度直接影响到这种应力传递的效果,从而影响着复合材料的宏观力学性能。在炭炭复合材料的断裂破坏过程中,当其承受到一定大小的载荷后,内部必然会产生裂纹,裂纹逐渐扩展,直至横穿

13、制件的截面,使材料完全断裂。所以,复合材料的断裂破坏过程,实际上就是裂纹在材料内部的扩展过程。裂纹扩展时一般有两条途径:沿基体方向(纤维方向和沿界面方向(纤维方向。(1当基体与界面的结合很牢,在基体裂纹的扩展过程中遇到纤维时,裂纹穿过纤维,纤维和基体一起断裂。由于基体把载荷较好地传递给了增强体(炭纤维,所以此种情况下复合材料能够达到较高的强度,但材料断裂后载荷的下降却是急速的,这就是脆性断裂现象。(2如果基体与界面的结合不是很牢,则基体裂纹在扩展过程中遇到纤维时,会改变原来的方向,即沿基体与纤维之间的界面方向扩展,其直观的效果就是引起纤维与基体的脱粘,直至复合材料发生剪切破坏。在脆性基体复合材

14、料中,界面脱粘是获得高韧性的必要条件。这种情况下,基体失去了传递载荷的作用,也就是说,增强体(炭纤维的作用没有得到充分发挥,此时复合材料的力学性能是很低的,所显示的断裂载荷值实际上只是界面的剪切强度值。(3两种情形并存,即基体中的裂纹在扩展过程中遇到纤维时,一部分能量被界面吸收,引起纤维与基体脱粘,裂纹前端在应力集中的作用下而沿界面方向向前扩展,另一部分能量用于基体裂纹绕过炭纤维后沿原来方向继续扩展。除非复合材料的密度很低,绝大多数情况下都是以此种方式。界面脱粘后,随着基体裂纹宽度的增大,纤维从基体中逐渐拔出,纤维与基体之间存在相对滑动,从而产生摩擦剪应力。界面脱粘的长度越长(即裂纹沿界面方向

15、扩展的深度越深,纤维与基体间产生的摩擦力也就越大,当摩擦力超过炭纤维的拉伸强度时,将导致其迅速断裂。由此可见,炭纤维的断裂位置并不一定在基体断裂面上,从复合材料试件整个断裂面来看,炭纤维的断裂位置具有很大的随机性,它与炭纤维所处位置的界面结合状态具有密切关系。纤维与基体之间的相对滑动所产生的摩擦力将吸收大部分能量,可以延缓基体裂纹扩展的速度,而达到增韧的目的。4结论(1从沥青基炭炭复合材料的弯曲应力2位移曲线可以看出,其断裂特征与复合材料密度具有密切的关系。高密度时表现为脆性断裂特征,而低密度时则表现为韧性特征。(2不同密度的沥青基炭炭复合材料,其弯曲断裂面的形貌特征存在差异。密度高时,断面比

16、较平整,密度低时,断面存在炭纤维大量拔出现象。(3较低密度的沥青基炭炭复合材料承受弯曲载荷破坏时,弯曲断面处以炭布层间剪切破坏为主。(4沥青基炭炭复合材料界面处存在一种包鞘结构,其与炭纤维的结合比较紧密。(5炭炭复合材料的破坏过程,实际上就是裂纹的扩展过程,扩展途径与界面的结合状况具有密切的联系。参考文献:1苏君明.整体毡CC喉衬的研制与应用J.新型炭材料,1997,12(4:46249.2李贺军.炭炭复合材料J.新型炭材料,2001,16(2:79280.3郭正,赵稼祥.碳碳复合材料的研究与发展J.宇航材料工艺.1995,(5:127.4Economy J,Jung H,Gogeva T.A

17、 one2step process for fabrication ofcarbon2carbon compositesJ.Carbon,1992,30(1:81285. 5王曼霞.碳碳复合材料与多功能材料的现状与发展J.宇航材料工艺,1988,(5:127.6Shi Rong,Li Hejun,Y ang zheng,et al.Textures,interface andfracture of a1D CC prepared by CVDJ.Acta Metallurgica Sinica(English Letters,1996,9(6:665.7He2Jun LI,Shi2Ping W

18、U,Xiang2Hui HOU.The fracture features of22D CC compositesA.24th Conf.On Carbon,American Carbon societyC.1999.8曾汉民,章明秋,李铁骑.第九界全国复合材料学术会议论文集C.北京:北京图书出版公司,1996.57266.9曾汉民,于翘,彭维周,等.炭纤维及其复合材料显微图像M.广州:中山大学出版社,1991.122.(转41页13第3期孙乐民等:沥青基炭炭复合材料的弯曲断裂特征INVESTIGATION OF NON 2DESTRUCTIVE PURIFICATIONOF CARBON N

19、ANOTUBESWANG Jian 2xiong CHEN Xiao 2hua ,PENG Jing 2cui ,ZHANG Zhen 2hua(College o f Materials Science and Engineering ,Hunan Uiver sity ,Changsha 410082,China ABSTRACT :The process of the non 2destructive purification of carbon nanotubes has been described .TGA was usedto determine the calcined tem

20、perature at which the carbon nanotubes separated from the amorphors carbon in the processof acid 2treatment and calcinations .By this way ,the crude was completely purified without destruction and losing .This method might be optional to obtain high 2quality purified carbon nanotubes .KE Y WOR DS :C

21、arbon nanotube ;Non 2destructive purification ;Calcined temperature ;Thermogravimetric analysisFound ation item :National Natural Science Foundation of China (59972031Corresponding author :CHEN Xiao 2hua ,E 2mail :xhchen mail .huna .edu .cnAuthor I ntroduction :WANG Jian 2xiong (19762,male ,Master S

22、tudent ,engaged in research of carbon nanotubes materials .(接31页FRACTURE CHARACTERISTICS OF PITCH 2BASED CARBON 2CARBON COMPOSITESSUN Le 2min ,LI He 2jun ,ZHANG Shou 2yang(Research Center o f Carbon Carbon Composites ,Northwestern Polytechnical Univer sity ,Xi an 710072ABSTRACT :2D pitch 2based carb

23、on 2carbon composites with different densities were fabricated by HPIC (High 2Pre 2ssure 2Impregnation 2Carbonization technique ,with 1K PAN 2based HT carbon fibers as reinforcing materials and mod 2ulated coal 2tar pitch as matrix precursor .Experimental results indicated that the fracture characte

24、ristics of composites were closely related to their densities .According to the curves of bending loading versus displacement ,carbon 2carbon composites with high 2density showed brittle fracture behavior ,while low 2density composites were inclined to tough fracture .Different samples were observed by SEM fractography methods ,which reflected that the samples with brittle fracture had almost f