微结构对碳-碳复合材料界面性能的影响.pdf

书书书复 合 材 料 学 报第 卷第期月 年犃 犮 狋 犪犕 犪 狋 犲 狉 犻 犪 犲犆 狅 犿狆狅 狊 犻 狋 犪 犲 犛 犻 狀 犻 犮 犪 文章编号：（）收稿日期：；收修改稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；新世纪优秀人才计划（）通讯作者：阚晋，博士，研究方向为碳碳复合材料 ：微结构对碳 碳复合材料界面性能的影响孟松鹤，阚晋，许承海，韦利明（哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所，哈尔滨 ）摘要：通过理论模型和界面顶出实验分析了微观结构对碳碳复合材料界面性能的影响机制。使用高分辨 系统获得复合材料界面的微观结构特征，并对界面的微观结构特征进行统计分析，得到界面微观结构尺度分布的概率密度函数。对复合材料的界面层建立力学分析模型，计算获得复合材料界面力学性能，在计算过程中引入界面微观结构的随机性统计分布，获得复合材料界面力学性能的分布规律。设计纤维束顶出实验，测试分析复合材料的界面力学性能。将力学分析模型的计算结果与界面顶出实验获得的实验结果进行对比分析，表明通过模型计算获得的界面性能的均值和离散度与实验获得的结果具有较好的一致性。关键词：碳碳复合材料；概率密度函数；界面性能；微结构中图分类号：文献标志码：犚 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊犫 犲 狋 狑 犲 犲 狀犿 犻 犮 狉 狅 狊 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犲犪 狀 犱犿 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾 狆 狉 狅 狆 犲 狉 狋 犻 犲 狊狅 犳犳 犻 犫 犲 狉 犿 犪 狋 狉 犻 狓 犻 狀 狋 犲 狉 犳 犪 犮 犲 狊 犻 狀犆犆犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犲 ，（，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；碳碳复合材料（）具有优良的力学性能和高温性能，作为重要的高温热结构材料在航空航天等领域得到了广泛的应用。然而在复合材料的成型、加工以及使用过程中，不可避免地会产生微裂纹、孔洞以及界面脱层等缺陷。这些缺陷尤其是界面上存在大量的脱层和裂纹对复合材料的使用性能有着十分显著的影响，已有大量力学试验观测表明复合材料的破坏主要是沿着界面进行传播扩散。等测试了复合材料在拉、压和剪切条件下的界面剪切性能。孔宪仁、黄玉东和韩杰才等对细编穿刺复合材料的界面力学性能进行了测试分析和表征。复合材料界面层的微观结构特征具有非均匀性、随机性特征，直接导致了界面力学性能也具有随机性分布特征。一些国内外学者采用了多种不同的测试手段、分析方法对材料的微观结构和性能进行了分析、模拟以及计算。等使用关联函数统计描述了材料的随机性微结构特征，进而 分 析 了 复 合 材 料 的 宏 观 性 能。、以及 等基于材料内部的微观结构特征使用多尺度方法分析了复合材料宏观性能及破坏。在国内，鲁大伟、李书 等提出了多目标自适应加权系数法，可以有效求解复合材料微结构多目标拓扑优化问题。由于长期以来难以获得复合材料界面层原位、无损的微观结构特征，常规的测试分析手段难以获得相对准确的结果，对于界面力学性能的离散性及其机制更是很少涉及。本文作者试图通过最新的高分辨 观测分析方法，获得复合材料界面层实际存在的随机性微结构特征，结合统计理论以及力学计算，研究了微观结构特征对复合材料界面性能的影响。实验方法与计算模型实验中，使用的复合材料为三向正交细编穿刺复合材料，其织物结构沿着狓 狔面为缎纹碳纤维布，狕向为穿刺纤维束。将穿刺增强的织物反复浸渍沥青碳化，获得此复合材料，复合材料的密度为 ，纤维体积分数约为。犕 犻 犮 狉 狅 犆 犜观测实验使用高分辨 观测复合材料的界面结构，实验用的高分辨 系统的型号为美国 公司 型显微（如图所示），最高分辨率可达。扫描完成后通过三维重建获得复合材料内部界面微观结构图像，选取界面单元通过分析软件处理获得界面脱层裂纹的尺度参数。图 工作原理图 纤维束顶出实验纤维束顶出设备（如图所示）的压头最大压力值为 ，复 合 材 料 的 纤 维 束 直 径 约 为，根据界面强度预估值确定样品的测试厚度范围为。用金刚石刀片把复合材料切成约、的薄片，对薄片的一面打磨抛光，另外一面机械减薄至所需厚度。利用显微镜确定压头位置，并对实验过程进行监控，进行纤维束顶出实验。使用体视显微镜对样品纤维束顶出前后进行观测对比。图顶出实验设备示意图 计算模型假设复合材料中纤维束与基体界面上的裂纹脱层为椭球状，给出了单个椭球夹杂颗粒中均匀应力和应变的精确解。夹杂颗粒中的应变为犜（）其中：为这个均匀介质的宏观应变；四阶张量犜为应变集中因子，与 张量有关，即犜犐犛 犆（犆犆）（）其中：犐为单位张量；犆和犆分别为夹杂颗粒和均匀介质的刚度矩阵。而对于多相均质材料，材料的宏观平均应力和应变分别为犻犳犻犻（）犻犳犻犻（）利用式（）可得出材料的宏观有效刚度矩阵犆为犆（犻犳犻犆犻犜）（犻犻犳犻犜）犻（）其中，犳犻为第犻相的体积分数。将复合材料的界面视为多相材料，基体碳视为均匀介质，裂纹脱层视为多相材料中的夹杂，用复 合 材 料 学 报式（）可以获得复合材料的有效刚度矩阵。结果与讨论 界面微观结构的分布函数在 获得的复合材料的内部结构图（如图所示）中，可以看出在材料内部分布着大量的空洞裂纹，尤其在界面区域存在很多脱层。图复合材料的 图像 通过 图像，结合扫描电镜等测试手段，确定纤维束的平均直径为 ，界面厚度为 。通过 分析软件可以获得界面层孔隙的体积分数。结合扫描电镜图像，统计界面上存在的大量脱层的尺度，获得复合材料界面的微观结构特征尺度分布，得到其概率密度分布图（如图所示）。图复合材料界面层微观结构的概率分布曲线 使用曲线拟合工具，对获得的曲线进行拟合，获得的分布函数为对数正态分布，对获得的脱层尺度数据进行计算分析，并针对脱层形状的圆币形假设（假设脱层为圆币形，根据 图像确定界面层厚度以及脱层直径，假设半径比 ），结合 获得的界面层孔隙的体积分数，假设此界面所含裂纹数目为 （此数目越大，越贴近于材料的实际结构，计算结果越准确，但计算速度也大为降低，所以取 作为裂纹数量值）。确定圆币形脱层半径分布函数的参数，可以获得其分布函数表达式为犢（狉）狉 槡 （狉 犚）（）其中：狉为 脱 层 直 径；犚 为 平 均 直 径；是直径变量对数的标准偏差。界面力学性能的计算结果由脱层尺度的对数正态分布函数，通过 生成满足此分布的随机数，对于内径为 、厚度为 、高度为的界面层，根据此前的假设，此界面所含裂纹数目为 。将生成满足概率分布的 个随机数，带入式（）可以获得界面力学性能刚度矩阵。重复生成 次随机数，获得 个界面刚度矩阵。由于界面层主要受力为剪切应力，由刚度矩阵推导出界面层的剪切模量。对此 个界面剪切模量进行统计分析，获得其均值和标准偏差分别为：犌 ，犌 ；其离散程度为：犌犌 。纤维束顶出实验结果使用体视显微镜对顶出前后的试样进行观测（如图所示）。图（）、（）为纤维束顶出前后的平面图，图（）、（）为相应的体视图。纤维束顶出实验中可以即时获取纤维束的位移以及所施加的载荷，通过计算可以得到复合材料界面层的剪切模量。共顶出了 根纤维，对这些数据进行统计分析获得复合材料界面层剪切模量的均值和标准偏差为：犌 ，犌 ，离散度：犌犌 。讨论通过理论计算和纤维束顶出实验获得复合材料的界面力学性能。以剪切模量为例，发现实验结果小于理论计算结果。主要是由于实验过程中，实验设备的精度有限，纤维束的位移测试并不准确，而且由于界面层外围基体模量较低，在加载过程中产生了较大变形，导致测出纤维束位移较实际值大，最终使剪切模量低于理论计算的结果。孟松鹤，等：微结构对碳碳复合材料界面性能的影响图碳碳复合材料的体视显微镜观测图 对比理论计算和实验结果的离散程度，表明结果的离散有较好的一致性。相同外界环境设备条件造成的实验结果的误差对于离散程度的影响不大。因此，计算结果的离散性与实验结果吻合较好。结论（）研究了微观结构特征对复合材料界面性能的影响。通过 实验观测，确定复合材料界面层的微观结构尺度的概率密度分布函数为对数正态分布，并确定分布参数（平均直径，标准偏差）分别为：犚，。（）建立了界面层应力分析计算模型，引入微观结构特征统计规律，计算获得了复合材料界面层性能及其分布规律。（）通过大量的纤维束顶出实验，获得了复合材料纤维束与基体之间界面层的力学性能及性能的离散程度，与模型计算结果进行对比，发现计算结果的均值及离散程度与实验结果一致。参考文献：，：，（）：孔宪仁，黄玉东，范洪涛，孙文训细编穿刺复合材料不同层次界面剪切强度的测试分析 复合材料学报，（）：，牔 ，（）：韩杰才，黄玉东，赫晓东，杜善义多向细编碳碳复合材料界面力学性能测试与表征 复合材料学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：鲁大伟，李书，任善复合材料微结构多目标自适应拓扑优化 复合材料学报，（）：，（）：复 合 材 料 学 报