譚 僖， 劉 偉， 曹臘梅， 戴圣龍

(北京航空材料研究院 先進高溫結構材料重點實驗室，北京100095)

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不同纖維預制體結構對SiCf/PyC/SiBCN復合材料力學性能的影響

譚 僖， 劉 偉， 曹臘梅， 戴圣龍

(北京航空材料研究院 先進高溫結構材料重點實驗室，北京100095)

使用不同織造方式(二維機織，法向增強2.5維機織和三維五向編織)制備了3種SiC纖維預制體，采用樹脂轉移模塑(RTM)和聚合物浸漬裂解(PIP)工藝制備了SiCf/PyC/SiBCN復合材料。觀察復合材料的顯微組織，測試彎曲強度、拉伸強度、壓縮強度等力學性能，探究不同預制體結構對復合材料力學性能的影響行為。結果表明：同一預制體結構在不同方向的纖維分布不同導致材料力學性能的各向異性；不同預制體結構對材料力學性能有著顯著的影響。

織造方式；碳化硅纖維；SiBCN；復合材料

隨著航空發(fā)動機的不斷發(fā)展，熱端部件的服役溫度越來越高[1]，當前使用的最先進的高溫合金的工作溫度已接近合金的承溫極限，繼續(xù)提高工作溫度的潛力非常有限[2-3]。先進陶瓷由于具有低密度、高強度、高服役溫度和優(yōu)異化學及環(huán)境穩(wěn)定性等優(yōu)點，被認為是金屬材料在空天飛行器及渦輪部件等應用方面的替代材料[4-6]。陶瓷基復合材料與單一陶瓷相比，在斷裂韌性和可靠性方面有了很大的提升，近年來引起了科學研究者們的廣泛關注[4]。SiBCN陶瓷在惰性氣氛下能承受高達2000 ℃的高溫而不發(fā)生分解[7-9]，并且在高溫下具有優(yōu)異的機械性能[10-11]和抗氧化性能[12- 13]，使得SiBCN陶瓷基復合材料特別適合作為超高溫結構材料。

陶瓷基復合材料由基體、增韌體和介于二者之間的界面組成[4]，增韌體主要以顆粒、晶須及連續(xù)纖維等方式存在[4, 14]。使用連續(xù)纖維方式增韌的復合材料具有更好的韌性和可靠性[15]；連續(xù)纖維還能通過三維編織的方式編織成復雜的異形件，實現異形件的近凈成型[16-17]。雖然目前很多文獻對于二維機織，法向增強2.5維機織及三維五向編織都有了較為詳細的研究，但卻鮮有文獻對3者力學性能進行比較。本工作使用不同的織造方式制備3種SiC纖維預制體，而后使用相同的工藝制備出相應的復合材料，通過對復合材料顯微組織的觀察、力學性能的測試，研究不同預制體結構對復合材料力學性能的影響。

1 實驗材料及方法

1.1材料

復合材料使用聚硼硅氮烷(中科院化學所提供)和KD-II碳化硅纖維[18]作為前驅體和基體的強韌相，其中碳化硅纖維預制體采用3種不同的織造方式：二維機織，法向增強2.5維機織和三維五向編織，纖維預制體由宜興市新立織造有限公司制備。二維平紋機織物由多層平紋布同方向鋪層而成；法向增強2.5維機織物是在層層角聯鎖結構基礎上，在法向(厚度方向)引入纖維束機織而成[15]；三維五向編織物則通過四步法[19]編織而來；3者尺寸均為150 mm×110 mm×3 mm左右(圖1給出了纖維預制體的結構示意圖)。3種纖維預制體中纖維的體積分數均為50%左右。纖維預制體織造好以后使用化學氣相沉積技術(CVD)沉積裂解碳(PyC)涂層，之后通過樹脂轉移模塑(RTM)和聚合物浸漬裂解(PIP)技術制備成SiCf/PyC/SiBCN復合材料，具體的制備過程見文獻[20]。為方便敘述，將3種復合材料(2D-SiCf/PyC/SiBCN，2.5D-SiCf/PyC/SiBCN，3D-SiCf/PyC/SiBCN)分別稱為復合材料A，復合材料B和復合材料C。

圖1 纖維預制體的結構示意圖Fig.1 Sketch map of fiber fabric preform

1.2力學性能測試及表征

復合材料彎曲強度采用三點彎曲方法在CMT6104型微控制萬能試驗機上進行測試，其試樣尺寸為60 mm×5 mm×3 mm，依據Q/AVIC 06185.2—2015標準進行測試；室溫拉伸強度采用Instron 3369型萬能力學試驗機進行測試，其試樣幾何尺寸如圖2(a)所示，依據Q/AVIC 06185.1—2015標準進行測試；室溫壓縮強度在Instron 3369型萬能力學試驗機上進行測試，試樣尺寸為30 mm×5 mm×3 mm，依據GJB 6476—2008標準進行測試；室溫斷裂韌度在Instron 3369型萬能力學試驗機上進行測試，其試樣尺寸為30 mm×5 mm×3 mm，在樣品正中心沿寬度方向切深度2.5 mm、寬度0.13 mm的缺口，依據Q/AVIC 06185.6—2015標準進行測試；高溫抗拉強度在超高溫拉伸試驗機進行測試，試樣尺寸如圖2樣品微觀組織使用CTR6500型光學顯微鏡(Leica)進行觀察。彎曲試樣斷口形貌使用JSM-6380LV型掃描電鏡進行觀察(JEOL)，在觀察斷口形貌前對樣品進行噴金處理。

圖2 拉伸試樣的尺寸 (a)室溫；(b)高溫Fig.2 Dimensions of tensile specimens (a) room temperature;(b) high temperature

(b)所示，測試環(huán)境為真空；高溫抗彎強度在YKM-2200型彎曲試驗機進行測試，測試環(huán)境為真空。

2 結果與分析

2.1微觀結構與組織觀察

二維機織，法向增強2.5維機織和三維五向編織的原理[19, 21-23]及空間結構如圖3所示。

圖3 3種織造方式的空間結構示意圖 (a)二維機織[21]；(b)法向增強2.5維機織[22]；(c)三維五向編織[19, 23]Fig.3 Sketch map of weaving method (a) two dimensional woven;(b) 2.5 dimensional woven with fiber tow through the thickness;(c) three dimensional five directional braiding

圖4給出沿圖1所示的X，Y，Z軸方向觀察的復合材料的典型顯微組織照片。

從圖4可以看出，由于復合材料A使用的纖維預制體是由多層二維0/90°機織平紋布同向鋪層而來，所以其X,Y方向的顯微組織類似；同樣地，復合材料B使用的預制體是法向增強2.5維機織物，所以復合材料的顯微組織在X方向和Y方向差別也不大。3種復合材料在其他方向上纖維預制體中的纖維分布并不均勻，所以沿各個方向上觀察到的顯微組織差別較大。

綜合3種織造方式的空間結構和復合材料的橫截面典型顯微組織可知，3種織造方式的特征為：二維機織由于是多層0/90°機織平紋布同方向鋪層，疊層之間無纖維搭接，導致疊層之間抗剪切不足；法向增強2.5維機織在Z向引入一定量的纖維，使得層與層之間的結合增強，但纖維織造過程復雜度的增加會導致纖維在織造過程中的纖維損傷增加[24]，會在一定程度上影響纖維的性能；從圖4中復合材料C沿X方向的典型顯微組織可以看出，三維五向編織方式導致了纖維全部近似平行于X軸，這會導致樣品沿X方向性能較好，而3者之間由于纖維體積分數一致，因此必然會導致纖維沿其他方向的分布減少，從而影響其他方向的性能。此外，復合材料中均存在微觀裂紋等缺陷，這些缺陷是由于纖維、涂層與基體熱膨脹系數不匹配造成的[25-26]，會對材料力學性能會造成不利的影響。

圖4 復合材料在不同方向上的典型顯微組織Fig.4 Microstructure of composites in different orientations

2.2預制體結構對力學性能的影響

2.2.1 彎曲性能

3種復合材料沿X軸方向的三點彎曲測試結果見表1，其應力-應變曲線如圖5所示(應力-應變曲線均選自3種復合材料的1號樣品)。從圖5可以看出，3種材料的抗彎強度由大到小依次為復合材料C、復合材料A和復合材料B，復合材料C的抗彎強度大約為復合材料B的2倍。

圖5 復合材料的彎曲應力-應變曲線Fig.5 Bending stress-strain curves of the composites

從應力-應變曲線形狀上可以看出，復合材料A和復合材料B呈現出準塑性斷裂模式。復合材料A在超過極限抗彎強度以后，在斷裂過程中出現了多個較小幅度的應力驟降現象，最后突然失效；復合材料B的應力-應變曲線出現了明顯的應力平臺，這說明材料在承受彎曲應力時具有良好的可靠性；復合材料C抗彎強度雖然是最高的，但材料在達到極限抗彎強度以后應力值發(fā)生驟降，顯示出脆性斷裂的特征。從纖維預制體結構上來分析，復合材料A中纖維是0/90°二維機織，層與層之間無搭接，在承受彎曲應力時必然導致各層之間受力不均勻，在達到極限抗彎強度以后，各層在不同時間起到承受載荷的作用，從而導致斷裂過程中發(fā)生多次較小幅度應力驟降；復合材料B中的纖維引入了Z向的纖維束，這些纖維束能在層與層之間傳遞載荷，保證了材料在承受彎曲應力時表現出最好的可靠性；復合材料C中纖維全部近似平行于X軸，導致其抗彎強度在該方向上最高，同時在織造時不可能保證各束纖維之間拉緊程度完全一致，必然會導致纖維在受力時某些纖維束受力較大，從而導致纖維束的整束斷裂。

復合材料的應力-應變曲線與纖維拔出多少及拔出方式關系很大，圖6給出了3種復合材料的彎曲斷口形貌照片。

表1 復合材料的力學性能Table 1 Mechanical properties of the composites

圖6 復合材料的彎曲斷口形貌 (a)復合材料A；(b)復合材料B；(c)復合材料CFig.6 Fracture surface of the composites after bending tests (a)composite A；(b)composite B；(c)composite C

從圖6可以看出，彎曲斷口形貌的觀察與之前的分析結果是一致的：復合材料A部分區(qū)域存在較多的纖維拔出，而另一些區(qū)域則沒有明顯的纖維拔出；復合材料B整個斷面都存在明顯的纖維拔出；復合材料C盡管整個斷面也存在纖維拔出，但是單束纖維斷面齊整，由此可知纖維是整束被拔出然后發(fā)生斷裂的，纖維的整束拔出斷裂直接導致了復合材料C的彎曲應力-應變曲線類似脆性模式斷裂的曲線。

2.2.2 拉伸性能

圖7給出了3種復合材料的拉伸應力-應變曲線。從圖7可以看出，復合材料C的極限抗拉強度最高，復合材料A次之，復合材料B的極限抗拉強度最低。復合材料A出現了明顯的應力平臺，這意味著復合材料A在承受拉伸應力時可靠性是最好的；復合材料B的拉伸應力-應變曲線形狀雖然與單一陶瓷類似，但在達到極限抗拉強度時，應變量是3者中最高的，這說明材料應力-應變曲線的彈性變形段可能非常短，從而說明復合材料B也表現出了一定的準塑性特征；復合材料C不僅具有最高的抗拉強度，在拉伸測試時也表現出了明顯的準塑性特性。從纖維預制體結構上來分析，復合材料A中沿X軸方向分布的纖維在承受拉伸應力時起到了決定性的作用，此時纖維層與層之間搭接影響并不大，導致了材料在承受拉應力時表現出明顯的準塑性特征；復合材料B中Z向的纖維的引入導致織造復雜度的增加，導致纖維損傷[24]，影響了材料的抗拉可靠性，不過Z向纖維的引入使得材料各層之間能夠傳遞載荷，從而導致復合材料B的極限抗拉強度反而高于復合材料A；復合材料C中纖維全部近似平行于X軸，而X軸正是拉伸過程中的主應力軸，導致復合材料C的抗拉強度最高，纖維束在不同時間段的整束斷裂也使得樣品在承受拉應力時能夠不斷釋放應力，導致復合材料可靠性有所提升，表現出明顯的準塑性特征。

圖7 復合材料的拉伸應力-應變曲線Fig.7 Tensile stress-strain curves of the composites

2.2.3 綜合力學性能

表1總結了3種復合材料的斷裂韌度、壓縮強度、抗彎強度和抗拉強度(樣品均沿復合材料X方向取樣)。

從表1可以看出，3種復合材料的室溫斷裂韌度均超過20 MPa·m1/2，能夠滿足工程化應用的基本需求。3種復合材料的壓縮強度、抗彎強度和抗拉強度的大小排序均不相同，這說明材料在承受不同種類的應力時，所表現出的力學行為是不一樣的：復合材料A最耐壓；復合材料C的抗拉強度和抗彎強度最高；而復合材料B在各種應力場合均表現出中等均衡的強度。此外，對比材料在室溫和1400 ℃下的抗拉強度和抗彎強度可以看出，材料在高溫下的抗拉強度保持率超過了60%，而抗彎強度保持率則接近90%，特別是復合材料B的高溫抗彎強度保持率高達97%，說明材料在高溫下仍然具有優(yōu)異的力學性能。

2.3力學性能的各向異性

表2給出了3種復合材料沿X軸和Y軸方向的抗彎強度，從表2可以看出：復合材料A和復合材料B在X，Y方向上抗彎強度基本一致，基本上不存在各向異性。而復合材料C在X，Y方向上抗彎強度差別很大，存在明顯的各向異性。圖4顯示了復合材料在不同方向上的典型顯微組織是有差別的，因此，復合材料的力學性能必然存在各向異性。對于復合材料A和B而言，由于纖維預制體在X，Y方向總體上是均勻分布，導致了這兩個方向上的顯微組織類似，從而導致材料在X，Y方向上基本上不存在力學性能的各向異性。

表2 復合材料沿X軸和Y軸方向上的抗彎強度

圖8給出了復合材料C沿X軸和Y軸(應力應變曲線選自表2中復合材料C的7號和12樣品)方向的三點彎曲應力-應變曲線。從圖8可以看出，復合材料C沿X軸方向進行三點彎曲測試時彎曲應力高達1018 MPa；而在Y軸方向彎曲應力只有66 MPa，不足前者的1/10。從圖4中復合材料C沿X方向的截面觀察圖可以看出，纖維全部近似平行于X軸，這可能是材料C在該方向上力學性能突出的根本原因。由此可知，復合材料使用的增韌纖維空間分布不均勻，導致了復合材料在不同方向上的顯微組織并不一樣，導致其力學性能存在各向異性。因此，材料在設計和應用過程中應當充分考慮到材料的各向異性特征，避免材料在力學性能較差的方向上因受力過大而導致失效。

圖8 復合材料C沿X軸和Y軸方向的彎曲應力-應變曲線Fig.8 Bending stress-strain curves of the composite C along axis X and axis Y

3 結 論

(1)使用不同的織造方式制備了3種SiC纖維預制體(二維機織，法向增強2.5維機織和三維五向編織)，通過RTM和PIP工藝制備了相應的復合材料。

(2)由于預制體中纖維分布的不同，使得3種復合材料在承受不同種類的應力時，所表現出的力學行為并不一樣：復合材料A的壓縮強度最高，復合材料C的抗彎及抗拉強度最高，復合材料B在承受各種類型的應力時都表現出較為均衡的強度;3種復合材料在不同種類應力下發(fā)生斷裂時的斷裂模式也不一樣。

(3)復合材料A和復合材料B由于在X，Y方向上的顯微組織類似，所以在X，Y方向上的力學性能沒有明顯的各向異性；而復合材料C則在X，Y方向上的力學性能存在明顯的各向異性特征。

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(責任編輯：徐永祥)

EffectofFabricPreformStructureonMechanicalPropertiesofSiCf/PyC/SiBCNComposites

TAN Xi, LIU Wei, CAO Lamei, DAI Shenglong

(Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095，China)

Three continuous silicon carbide fiber reinforced SiBCN composites (SiCf/PyC/SiBCN) distinguished by different weaving methods of fibers (including two dimensional woven, 2.5 dimensional woven with the fiber tow through the thickness and three dimensional five directional braiding) were fabricated by resin transfer molding (RTM)， polymer impregnation and pyrolysis (PIP) technology. In order to study the impact of waving methods, the microstructures of fabricated composites were observed and the mechanical properties such as tensile, compression strength and bending strength of the composites were tested. The results show that different distributions of fibers on different directions lead to anisotropy of mechanical properties for each composite, and fabric preform structure has a significant influence on the mechanical properties of the composites.

weaving method; silicon carbide fiber; SiBCN; composite

2016-12-18；

2017-02-11

中航工業(yè)技術創(chuàng)新基金(2013E62136R)

曹臘梅(1966—)，女，研究員，研究方向為超高溫結構材料，(E-mail)amy.clm@sohu.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000225

V257

： A

： 1005-5053(2017)04-0045-07