三维编织C/C复合材料断裂行为实验研究

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摘 要：本文以三维编织C/C复合材料为研究对象，利用断裂实验方法从宏观的角度对材料的断裂破坏过程进行理论分析。对三维编织C/C复合材料的断裂行为进行实验研究，通过弯曲强度实验考察了切口深度对材料的影响。利用两种不同的计算C/C复合材料的断裂韧性公式得到的断裂韧性值相差较大，说明使用KIC来表征三维编织C/C复合材料的断裂特性具有一定的局限性。为了更加直观的研究三维编织C/C复合材料断裂破坏的损伤失效过程，采用了柔度标定的方法结合三点弯曲循环加载实验获得材料的裂纹扩展阻力曲线（R曲线）。该曲线反映了材料的损伤演化过程。

关键词：三维编织；断裂

前言

编织复合材料最早是由波音公司在1920年研制成功的，该结构被用于增强飞机的机翼。随着科技的进步，编织技术越来越受到材料界的重视。20世纪60年代，具有良好力学性能的碳纤维问世。最近几十年，材料科学不断面临着大的变革，编织复合材料技术也有了很大的改进。随着编织技术的发展，在三维编织的基础上又相继发展了四向、五向、十一向等多种编织纤维增强复合材料。

由于在材料的制备和使用过程中会产生微裂纹，微孔洞等细观缺陷，在外载的作用下，这些缺陷进一步发展成为宏观裂纹（基体开裂、纤维断裂或纤维/基体界面脱粘等），在损伤达到一定容限后破坏。因此研究三维编织复合材料在使用和服役过程中的断裂损伤和失效是十分必要和迫切的，这将为从而为三维编织复合材料的工程应用提供理论基础。本文通过弯曲强度实验，断裂韧性实验以及裂纹扩展曲线的测定等试验研究材料的断裂破坏机理。在传统断裂力学中，断裂韧性作为表征材料的断裂行为得到广泛的应用。由于编织C/C复合材料在断裂过程中由于基体微观裂纹、基体塑性和纤维的桥联效应引发的非线性影响，这就需要研究裂纹的扩展规律。因为裂纹扩展路径的不规则性，所以采用文献[2]提出的利用三点弯曲实验得到材料的柔度曲线，通过柔度曲线反推出试样的裂纹扩展量。然后通过三点弯曲循环压缩实验得到材料的裂纹扩展阻力曲线。

三维编织C/C复合材料裂纹扩展阻力曲线研究

由于整体编织技术的引入，三维编织C/C复合材料具有很好的抵抗裂纹扩展的能力，但由于编织复合材料在断裂和裂纹扩展阶段有很强的非线性效应，这种非线性可能因为基体微观裂纹、基体塑性、纤维/基体界面脱粘和纤维的桥联效应。使用断裂韧性（如KIC、JIC）来表述不够合适。本文准备通过裂纹扩展阻力曲线―R曲线来表征三维编织C/C复合材料在载荷作用下的抵抗破坏的能力。

1柔度标定

绘制裂纹扩展阻力曲线时需要试样在加载-卸载过程中的裂纹扩展尺寸，由于在三维编织C/C复合材料单边缺口三点弯曲实验中，试样断裂的裂纹走向极不规则，不可能通过直接测量获得裂纹扩展过程中的实时裂纹长度，所以拟通过对不同深度切口试样柔度进行标定的方法获得裂纹扩展量-柔度曲线，进而推算出试样在裂纹扩展过程中的有效裂纹长度。

本次柔度标定采用单边缺口三点弯曲法进行测试，对于给定切口深度的试样，加载载荷不超过材料三点弯曲实验测得最大载荷的1/3，这样试验的载荷-位移曲线就是一条直线，然后就可以通过求出载荷-位移曲线斜率的倒数确定试件的柔度。

本次试验将在同一试样上重复制备柔度标定所需要的所有切口，以保证数据的连续性和可靠性。切口深度在0到5.5mm内递增，通过试验机测得试样的载荷-位移曲线，由式2-4确定试样柔度。

C=u/P

式中，u―加载点位移；P―加载载荷；C―柔度。试验结束后在原切口处继续加工出下一个切口，加工完新的切口后立即进行实验。经过origin曲线拟合后得到四次多项式，其定量表达式为：

2裂纹扩展阻力曲线

三维编织C/C复合材料单边切口三点弯曲循环加载实验试样共8个，实验的循环加载-卸载速率为0.2mm/min，每个试样进行9次循环加载。试样2循环加载试样载荷-位移曲线。

图1 三维编织C/C复合材料裂纹扩展阻力曲线

利用裂纹扩展阻力曲线可以看到试件裂纹在扩展过程中的损伤演化过程，比断裂韧性更加直观的反映出材料的断裂行为。

总结

本文通过对三维编织C/C复合材料从宏观角度进行断裂行为的实验研究，研究了材料在失效破坏过程中的断裂机理，得到的主要结果有：通过柔度标定的方法得到三维编织C/C复合材料的柔度-切口深度的关系曲线。然后利用三点弯曲循环加载实验得到材料的裂纹扩展阻力曲线。当裂纹扩展到3.6mm时，能量释放率达到最大值，为146.9kJ/m2。利用裂纹扩展阻力曲线比断裂韧性更加直观的反映出材料的断裂行为，可以看到试件裂纹在扩展中的损伤演化过程。

参考文献

[1] De Xie， Amit.G. Salvi， Anthony M. Discrete cohesive zone model to simulate static fracture in carbon fiber textile composites[J]. American Institute Of Aeronautics and Astronautics，2005，23（20）： 114～118.

[2] 吴德隆，沈怀荣. 纺织结构材料的力学性能[M]. 湖南：国防科技大学出版社，1998：217-219.

[3] 冉红星，崔红，郝志彪. 几种喉衬材料的断裂韧性比较[J]. 新型碳材料，2002，17（1）：31-35.