2D-C/SiC膠鉚連接拉剪試驗研究

李明彬　何斌

摘要：2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料是一種新型耐高溫復(fù)合材料，在航空航天等領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用前景。而連接技術(shù)是其應(yīng)用的一大短板，很大程度上決定了陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用。進行了2D-C/SiC膠鉚連接結(jié)構(gòu)的拉剪試驗研究，分析了試驗條件、試驗數(shù)據(jù)、失效模式，詮釋了2D-C/SiC膠鉚連接結(jié)構(gòu)的拉剪力學(xué)性能，對工程應(yīng)用有著重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：陶瓷基;復(fù)合材料;機械連接;拉剪試驗

中圖分類號：TB332

文獻標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.009

連續(xù)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料具備低密度、耐高溫、絕熱、耐磨損、抗燒蝕和抗氧化等優(yōu)異性能，在航空航天、國防、化工、能源等領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景。而大型結(jié)構(gòu)中不可避免地需要采用各種連接方法將不同的結(jié)構(gòu)部件相互連接、裝配。不同于金屬材料可以采用焊接、機械連接等簡單、可靠的連接方式，陶瓷基復(fù)合材料的連接方式更為復(fù)雜，連接部位也是陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，工程實際中有相當(dāng)多陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從連接部位產(chǎn)生初始損傷失效，連接技術(shù)是其應(yīng)用的一大短板，很大程度上決定了陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用。

本文包含了2D-C/SiC膠鉚連接結(jié)構(gòu)的拉伸試驗，力求詮釋2D-C/SiC膠鉚連接結(jié)構(gòu)的連接力學(xué)性能。本文中的拉剪試驗形式是膠鉚連接結(jié)構(gòu)在工程實際中涵蓋的各種連接形式的基礎(chǔ)，研究這種連接形式下膠鉚連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、破壞模式與影響因素等問題，對于工程應(yīng)用有著重要的意義。

1 試件與試驗條件

拉剪試驗件的材料為PIP工藝制備的2D-C/SiC復(fù)合材料，試件照片如圖1所示。試件共分三組，分別為單釘鉚接、橫排雙釘鉚接、豎排雙釘鉚接的結(jié)構(gòu)形式，每組各三件。鉚釘直徑均為φ5 mm，孔邊距與孔間距為15 mm，孔端距為10 mm。拉剪試驗在DNS-300長春試驗機上進行，采用位移控制方式加載，加載速率為0.2 mm/min。拉剪試驗件的裝夾照片如圖2所示。

2 載荷分析

三組試件的典型載荷一位移曲線如圖3所示。通過對比發(fā)現(xiàn)三組載荷一位移曲線有以下特征：①三組載荷一位移曲線在試驗前期斜率逐漸降低，表示試件剛度下降，表現(xiàn)為較明顯的非線性形式;②在試件最終破壞之前均有不同次數(shù)、不同程度的載荷突降;③三組試件中第一組單釘試件的極限載荷最小，第二組橫排雙釘與第三組豎排雙釘試件的極限載荷較為接近，后兩組的極限載荷約為第一組極限載荷的兩倍。

造成曲線非線性的原因是多方面的：在試驗前期，搭接界面處逐漸產(chǎn)生局部脫粘并隨載荷增加逐漸擴展是主要原因;2D-C/SiC復(fù)合材料本身在拉伸載荷作用下也表現(xiàn)為類似的非線性;上、下兩塊C/SiC搭接板所承受的拉伸載荷并不在同一條直線上，試驗形式類似于偏心拉伸，而兩塊板中間還通過鉚釘和界面層相互連接，就會產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，從而導(dǎo)致載荷非線性上升。試驗過程中拍攝的試件彎曲效應(yīng)的照片如圖4所示，在搭接中間部位還相互連接時，上下邊緣處的搭接區(qū)域已產(chǎn)生明顯的分離，兩搭接板彎曲成弧形，在中間段近似相切。

試件在最終破壞之前的載荷突降是由于搭接區(qū)域界面層的局部脫粘積累到一定程度，發(fā)生界面張開，導(dǎo)致了載荷的一次次突降，圖4的彎曲效應(yīng)也印證了這一點。當(dāng)鉚釘上下兩側(cè)的界面裂開到一定程度后，鉚釘變?yōu)橹饕某休d部位，當(dāng)鉚釘發(fā)生斷裂時試件完全破壞。豎向雙釘?shù)牡谌M試件表現(xiàn)出更強的韌性，因為在加載方向上有兩顆鉚釘防止界面張開，所以第三組試件的界面開裂與鉚釘斷裂可以分多次進行，這也解釋了第三組試件的載荷一位移曲線會發(fā)生多次載荷突降的問題。

后兩組的極限載荷約為第一組極限載荷的兩倍，這一現(xiàn)象有兩方面原因：搭接區(qū)域的面積和鉚釘?shù)臄?shù)量。將圖3中的每條載荷一位移曲線看作兩個峰值的話，第一個峰值是界面與鉚釘共同承載提供的，而試件完全破壞時的峰值則是由鉚釘提供的。可以看到，第一組試件產(chǎn)生第一峰值的載荷遠(yuǎn)低于后兩組，這是由搭接界面的面積不同導(dǎo)致的，所以搭接界面的面積是極限載荷的第一影響因素。在產(chǎn)生第一峰值、載荷突降后載荷一移曲線又開始緩慢上升，這時承擔(dān)承載任務(wù)的主要是鉚釘，而后兩組的第二峰值較為接近，同時遠(yuǎn)大于第一組的第二峰值，這是由鉚釘?shù)臄?shù)量決定的，因此鉚釘數(shù)量是極限載荷的第二影響因素。

用搭接極限載荷除以搭接面積獲得搭接區(qū)域的剪切強度，搭接拉伸數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。三組試件的剪切強度較為接近。第三組的剪切強度相對前兩組較低，原因在于第三組試件的搭接長度較長，試驗件兩端被試驗機夾持固定，中間搭接段長度越長則越容易發(fā)生彎曲效應(yīng)，在彎曲效應(yīng)下，無論是搭接界面還是鉚釘都會承受剪切與拉伸的耦合載荷，從而導(dǎo)致第三組試件的平均剪切強度略低于前兩組。

3 失效模式分析

三組試件搭接區(qū)域的典型破壞斷口照片如圖5所示。可以看出，每組試件的失效模式都是界面分離加鉚釘斷裂。除了這種失效模式外，試驗前預(yù)想的其他可能出現(xiàn)的失效模式有：①粘接界面牢固，搭接板在搭接區(qū)域以外發(fā)生材料失效;②界面分離，鉚釘不發(fā)生破壞，但陶瓷基搭接板被鉚釘擠壓破壞;③界面分離，鉚釘不發(fā)生破壞，但陶瓷基搭接板在孔邊橫截面被拉斷。這三種失效模式目前均難以實現(xiàn)，但可以提供一種提高搭接拉伸強度的思路加以研究，假如可以找到提高界面強度與鉚釘強度的方法，就可以實現(xiàn)搭接界面、孔邊界面、鉚釘材料、搭接板材料等依次出現(xiàn)的多重?fù)p傷阻抗，從而提高鉚接區(qū)域的損傷容限。

4 結(jié)論

拉剪試驗載荷一位移曲線表現(xiàn)為明顯非線性，其原因有界面的損傷累積與擴展、C/SiC材料本身的非線性性能、彎曲效應(yīng)等;載荷在最終破壞之前存在多次突降，其原因有界面層開裂和鉚釘剪切破壞;雙鉚釘試件的極限載荷約為單鉚釘試件的兩倍，這是由搭接面積的大小以及鉚釘數(shù)量共同決定的。

拉剪試驗的失效模式均為界面開裂與鉚釘剪切斷裂，通常會先發(fā)生界面的開裂，當(dāng)界面完全開裂后由鉚釘主要承載，當(dāng)鉚釘?shù)闹睆脚c結(jié)構(gòu)形式等能夠承擔(dān)剪切載荷，則鉚接結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)為較強的韌性，而假如鉚釘難以承受剪力的作用，連接結(jié)構(gòu)則會表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂。

參考文獻：

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