李志文，蔡長春，余歡，徐志鋒，王振軍，李榮幸

南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，南昌 330063

復(fù)合材料作為新型航空材料，備受人們關(guān)注，而金屬基復(fù)合材料可以繼承金屬基與增強材料的優(yōu)點，一直是重點研究材料之一［1］。連續(xù)碳纖維增強鋁基復(fù)合材料由于具有熱膨脹系數(shù)小、比強度高、比模量高和密度低等優(yōu)異性能［2］，成為當(dāng)今輕質(zhì)、高性能結(jié)構(gòu)材料研發(fā)熱點，在航天航空等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［3］。

在復(fù)合材料運用中，為充分發(fā)揮構(gòu)件的功能作用及獲得更好的性能，往往將結(jié)構(gòu)件設(shè)計成不規(guī)則異型件從而增大構(gòu)件受力面積或減小組裝偏差，這些構(gòu)件在實際運用中受力十分復(fù)雜，對構(gòu)件力學(xué)性能要求很高［4］，因此對復(fù)合材料異型件力學(xué)性能研究是十分必要的。三維五向編織結(jié)構(gòu)是由編織紗和軸向紗相互交織成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較高的層間強度、較好的整體性及軸向抗彎性能等［5-6］，且疊層縫合技術(shù)在編織T型構(gòu)件織物、工型構(gòu)件織物等異型截面構(gòu)件織物時比較靈巧、生產(chǎn)率也較高［7-8］，因此將兩種編織結(jié)構(gòu)復(fù)合編織的T型結(jié)構(gòu)件可能有更好的整體性和抗彎性能。近年來，國內(nèi)外對復(fù)合材料異型件已有一些研究，吳海等［9］試驗研究了含不同誘導(dǎo)缺陷的碳纖維樹脂基復(fù)合材料T型接頭的彎曲力學(xué)性能和失效過程，發(fā)現(xiàn)不同失效模式下T型接頭所表現(xiàn)出來的彎曲力學(xué)性能差異很大。華勇杰［10］研究了含初始裂紋的碳纖維增強復(fù)合材料雙懸臂梁及T型接頭的斷裂問題，發(fā)現(xiàn)層間脫層是復(fù)合材料常見的失效形式。齊紅宇等［11］研究了機織復(fù)合材料T型接頭彎曲載荷下的漸進失效，發(fā)現(xiàn)T型接頭失效是由于底板與腹板圓弧過度段的織物層在受載一側(cè)表面首先產(chǎn)生損傷，再沿寬度方向發(fā)展，最終貫穿損傷引起的。王帥等［12］采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）工藝制備復(fù)合材料對稱與非對稱兩種T型接頭，探究了不同結(jié)構(gòu)的拉伸破壞模式、結(jié)構(gòu)剛度及破壞載荷，并通過有限元分析驗證了試驗。劉軍等［13］研究了三維編織復(fù)合材料T型梁的低溫場彎曲性能，發(fā)現(xiàn)溫度降低使T型梁載荷增加，從而變形位移增大，由高溫屈服斷裂失效轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏卮嘈詳嗔选rifici等［14］研究了葉片加筋板T形截面試件在后屈曲變形下的破壞，發(fā)現(xiàn)凸緣失效是主導(dǎo)的失效模式。Ravenhall和Koop［15］結(jié)合超塑性成型和擴散焊工藝開發(fā)了中空碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料葉片，并對其進行了臺架試驗和旋轉(zhuǎn)試驗，結(jié)果表明葉片具有較輕的重量和較高的環(huán)境適應(yīng)性，滿足軍用飛機發(fā)動機抗沖擊、抗疲勞和抗變形的性能要求，在經(jīng)過精加工后，葉片可用于在發(fā)動機上測試。目前大多數(shù)研究者對復(fù)合材料異型件的研究集中在樹脂基復(fù)合材料，且僅限于二維紡織或?qū)娱g縫合以及單一纖維增強復(fù)合材料異型件的制備工藝和室溫性能研究，有關(guān)三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)纖維增強金屬基復(fù)合材料異型件高溫和室溫的性能研究還鮮有報道，因此增加三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)纖維增強金屬基復(fù)合材料異型件在不同溫度下的性能研究是十分必要的。

由于航空發(fā)動機典型結(jié)構(gòu)T型件主要受彎曲載荷下的彎曲作用［16］，而T型件立板和榫頭結(jié)合部分容易產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前被破壞［17］。因此，對復(fù)合編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料T型件立板與榫頭結(jié)合部分的彎曲性能的研究十分必要。采用ZL301為基體合金，體積分數(shù)為50%的三維五向（立板）和疊層縫合（底板）復(fù)合結(jié)構(gòu)碳纖維作為增強體，通過真空壓力浸滲制備碳纖維鋁基復(fù)合材料T型件，從試驗角度分析了Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件的兩點彎曲性能，并與標(biāo)準(zhǔn)試樣進行了對比。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

選用東麗公司生產(chǎn)的M40J碳纖維編織預(yù)制體，M40J纖維性能參數(shù)如表1［18］所示，選用ZL301作為基體材料，其主要成分如表2［18］所示。

表1 M40J碳纖維性能參數(shù)［18］Table 1 Performance parameters of M40J carbon fiber［18］

表2 ZL301的組成成分［18］Table 2 Composition of ZL301［18］%

1.2 T型件纖維預(yù)制體

Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件尺寸如圖1所示，T型件有立板和底板兩部分，T型件高度為110 mm，長度為80 mm，寬度為33.5 mm，立板厚度為3.5 mm，底板厚5 mm?？紤]到充型過程中T型件拐角處金屬液流動性下降，且拐角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在T型件拐角處設(shè)置合理的圓弧半徑（鑄造圓角），如式（1）［19］所示，計算得圓角半徑R為3 mm和20 mm。

圖1 T型件的尺寸圖Fig.1 Dimensional drawing of T-shaped parts

式中：r為T型件鑄造圓角半徑，mm；t1為立板厚度，mm；t2為底板厚度，mm。

根據(jù)T型件結(jié)構(gòu)特點，將T型件預(yù)制體分為兩個部分進行編織，由于三維五向有更好的軸向性能，T型件立板部分采用三維五向編織工藝從上到下依次編織T型件主體部分，立板翻邊厚1.75 mm。底板采用疊層縫合編織結(jié)構(gòu)，根據(jù)翻邊開口的大小按“三上一下”的編織順序編織上、下加厚層，最后將3部分疊在一起壓實縫合，得到三維五向（立板）與疊層縫合（底板）復(fù)合結(jié)構(gòu)預(yù)制體，制備方式和纖維分布示意圖見圖2、圖3，具體編織工藝參數(shù)如表3所示。圖4為預(yù)制體實物圖，由于圖1中R20圓弧部分很難編織完整，故采用直線編織，然后經(jīng)過線切割達到目標(biāo)體尺寸。

圖2 T型件預(yù)制體制備示意圖Fig.2 Diagram of preparation of T-shaped parts preforms

圖3 T型件纖維分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of fiber distribution of T-shaped parts

圖4 預(yù)制體實物圖Fig.4 Physical drawing of precast

表3 T型件預(yù)制體編織參數(shù)Table 3 T-shaped parts precast weaving parameters

1.3 復(fù)合材料T型件制備

如圖5所示，將編織好的Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件預(yù)制體用高精度石墨模具固定，采用不銹鋼板封裝固定好預(yù)制體石墨模具，并焊一定長度的浸滲升液管。加工完成后的實物圖如圖6所示。

圖5 T型件封裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of T-shaped package

圖6 T型件封裝實物圖Fig.6 Physical drawing of T-shaped package

采用真空壓力浸滲法制備Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織T型結(jié)構(gòu)件。圖7［20］為真空壓力浸滲裝置原理圖，選用設(shè)備密封性能優(yōu)異，真空度小于210 MPa，最大充型壓力為10 MPa，最高設(shè)定溫度為1 000 ℃，控溫精度為5 ℃，通過控制系統(tǒng)可準(zhǔn)確控制預(yù)制體的預(yù)熱溫度、浸滲溫度、浸滲壓力和保壓時間?；谡n題組前期探索得到浸滲最佳工藝參數(shù)如表4［21］所示。具體試驗步驟為：首先，檢查預(yù)制體封裝后的氣密性，熔煉ZL301基體合金，待基體完全熔化，精煉除雜后撒上覆蓋劑防氧化；其次，將盛有熔融鋁合金的坩堝放入真空壓力浸滲爐下室（熔煉室），封裝預(yù)制體放入爐內(nèi)上室（浸滲室），蓋上上塞；接著，通過循環(huán)兩次抽真空后先充入氬氣再放氣的操作完成洗氣，之后充入氬氣并打開加熱系統(tǒng)，90 min后加熱完成，此時熔煉室達到720 ℃，浸滲室達到560 ℃，待保溫180 min后放出氬氣再次抽真空；然后，升起坩堝使升液管下端浸沒在熔融鋁液中形成“液封”；最后，充入8 MPa氮氣保壓20 min后放氣，待冷卻后取出封裝預(yù)制體，脫模后得到如圖8所示的復(fù)合材料T型件。根據(jù)試驗要求，利用線切割將T型件加工成如圖1所示尺寸的彎曲試樣T型件。

圖7 真空壓力浸滲裝置原理圖［20］Fig.7 Logic diagram of vacuum pressure impregnation device［20］

圖8 T型件實物圖Fig.8 Physical drawing of T-shaped parts

表4 真空壓力浸滲工藝參數(shù)［21］Table 4 Vacuum pressure infiltration process parameters［21］

1.4 T型件彎曲試驗

根據(jù)實際工況，設(shè)計T型件類懸臂梁彎曲試驗即兩點彎曲試驗，試驗前將T型件表面打磨去除表面油污，以避免影響試驗效果。彎曲試驗實物圖和加載示意圖見圖9。將T型件平放，使用夾具夾持T型件底板部分，在立板的末端區(qū)域以1.5 mm/min的運動速率加載T型件，加載方向垂直于立板向下，采用航材院Instron 5982電子萬能材料試驗機進行室溫（3件A1、A2、A3）、350 ℃（3件B1、B2、B3）的彎曲力學(xué)性能測試，同時記錄下載荷-位移，直到T型件失效。然后通過光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM ）觀察不同溫度下微觀組織特征和失效形貌。

圖9 T型件彎曲實物圖與加載示意圖Fig.9 Diagram of T-shaped parts bending physical drawing and loading

彎曲強度是試樣失效前所能承受的最大應(yīng)力，可依據(jù)式（2）計算得出：

式中：σ為失效時最大應(yīng)力，MPa；F為彎曲失效最大載荷，N；l為加載端與根部端面的距離，mm；b為斷裂處截面的寬，mm；h為斷裂處截面的高，mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 T型件DR無損檢測分析

采用DR數(shù)字射線檢測技術(shù)對Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件進行了無損檢測，其成像結(jié)果如圖10所示。由圖10（a）、圖10（c）可知，T型件立板部分碳纖維編織結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)纖維斷裂散亂等缺陷。由圖10（d）可知，疊層縫合編織T型件底板部分纖維分布均勻，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。圖10（b）、圖10（e）中則顯示T型件兩側(cè)連接處保持原始三維編織結(jié)構(gòu)，沒有孔洞、夾雜等缺陷。綜上可知，采用真空壓力浸滲法制備的Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件整體結(jié)構(gòu)完整，纖維均勻分布，內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)無明顯缺陷，真空壓力浸滲工藝制備的Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件浸滲質(zhì)量較好。

圖10 Cf/Al復(fù)合材料三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件各部位DR無損檢測圖像Fig.10 DR nondestructive testing images of threedimensional composite braided structure T-shaped parts of Cf/Al composite material

雖然線切割不可避免地對T型件邊緣編織纖維結(jié)構(gòu)的整體性造成了破壞，但是由于基體與碳纖維結(jié)合良好，邊緣整體性被破壞的編織碳纖維并未出現(xiàn)散亂拔出的現(xiàn)象，線切割后的T型件切口平整，除邊緣部分T型件內(nèi)部編織碳纖維被切斷，線切割對T型件內(nèi)部其他部位的編織纖維幾乎并無損傷，T型件加工質(zhì)量較好，為后續(xù)的性能測試提供了保障。

2.2 微觀組織特征

圖11為T型件立板部分微觀組織圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，鋁液均勻充型到編織紗、軸向紗纖維束間隙內(nèi)。由圖11（a）、圖11（c）可以發(fā)現(xiàn)橫向截面圖中較縱向截面纖維分布更清晰。由圖11（b）、圖11 （d）可知，有少量束內(nèi)纖維浸滲微孔和纖維偏聚。T型件立板部分預(yù)制體為三維五向編織結(jié)構(gòu)。圖12為三維五向細觀結(jié)構(gòu)圖，可知三維五向由編織紗和軸向紗構(gòu)成，而編織紗與軸向紗成一定的角度，因此相對更加扁平的是編織紗纖維束（圖11（a）），它環(huán)繞在軸向紗纖維束周圍。但由于鋁液與碳纖維的潤濕角為130°～135°，在正常熔化溫度下潤濕性極差，鋁液必須在外界壓力作用下克服毛細阻力等附加阻力浸滲預(yù)制體，而纖維束間阻力小于束內(nèi)阻力，鋁液充型產(chǎn)生壓力差，使軸向纖維束與截面成一定的角度，因此圖11（c）編織紗纖維束與軸向紗纖維束特征不太明顯。在提高放大倍數(shù)后，發(fā)現(xiàn)束內(nèi)纖維出現(xiàn)了一些的浸滲微孔和少許的纖維偏聚（圖11（b）、圖11 （d））。形成這一現(xiàn)象的主要原因是纖維的彎曲以及纖維間的夾角較小、纖維交織點較多，使纖維束間隙很小。根據(jù)Yong-Kelvin方程［22］（式（3）），在試驗的外加壓力一定條件下，纖維束間隙小即毛細半徑小，從而毛細壓力大，浸滲阻力大，使局部纖維束內(nèi)不能完全浸滲，容易出現(xiàn)局部的浸滲微孔和纖維偏聚。但可以看出編織結(jié)構(gòu)浸滲后較好地保持了原先的編織結(jié)構(gòu)，纖維分布也較均勻除了局部少量微孔和纖維偏聚無明顯缺陷，充分說明復(fù)合材料浸滲效果較好和所選浸滲工藝的合理性。

圖11 T型件三維五向結(jié)構(gòu)立板微觀組織圖Fig.11 Microstructure diagram of three-dimensional five-way structure vertical plate of T-shaped parts

圖12 三維五向編織方式的細觀結(jié)構(gòu)Fig.12 Mesoscopic structure of three-dimensional fiveway weaving method

式中：Pc為毛細壓力，N/m2；σlg為液態(tài)金屬表面能，J/m2；θ為液體在固體表面浸潤角，（°）；req為毛細管半徑，m。

圖13為T型件底板部分微觀組織圖。由圖13（a）、圖13（c）可知，纖維分布均勻，較好維持了疊層縫合的結(jié)構(gòu)特征，圖13（b）、圖13（d）中發(fā)現(xiàn)有少量的纖維偏聚現(xiàn)象。T型件底板部分預(yù)制體編織結(jié)構(gòu)為疊層縫合結(jié)構(gòu)，其細觀結(jié)構(gòu)如圖14所示。采用的是斜紋組織疊層縫合結(jié)構(gòu)，由于斜紋組織中經(jīng)紗、緯紗間的交織點比較多，根據(jù)式（3）可知由于毛細阻力大，局部浸滲不完全，產(chǎn)生纖維偏聚如圖13（b）、圖13（d）所示。另外，因為充型方向與z向縫合紗平行，垂直于經(jīng)向紗和緯向紗，沖擊力下經(jīng)向、緯向纖維絲容易產(chǎn)生偏聚現(xiàn)象。但底板與升液管相連，能得到鋁液有效補縮，從而使得底板部分浸滲較為致密，故而在底板微觀組織高倍放大的經(jīng)向和緯向截面圖13（b）、圖13（d）中可以發(fā)現(xiàn)雖然束內(nèi)纖維產(chǎn)生了偏聚但浸滲微孔卻較少，且底板復(fù)合材料浸滲效果較立板更好。

圖13 T型件疊層縫合結(jié)構(gòu)底板微觀組織Fig.13 Microstructure of bottom plate of T-shaped parts laminated stitched structure

圖14 疊層縫合編織結(jié)構(gòu)細觀圖Fig.14 Laminated stitched braided structure form a fine view

2.3 T型件彎曲性能

圖15為室溫和350 ℃下Cf/Al復(fù)合材料三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件、三維五向編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料試樣件、疊層縫合編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料試樣件的彎曲強度柱狀圖。如圖15所示，Cf/Al復(fù)合材料三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件在室溫和350 ℃條件下，兩點彎曲平均強度分別為384.2 MPa和204.6 MPa。三維五向編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料試樣件室溫和350 ℃條件下，三點彎曲平均強度分別為401.3 MPa和266.0 MPa［23］。疊層縫合編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料試樣件室溫和350 ℃下，三點彎曲平均強度分別為327.0 MPa和175.2 MPa［24］?？梢园l(fā)現(xiàn)，三維五向編織結(jié)構(gòu)試樣較疊層縫合編織結(jié)構(gòu)試樣彎曲性能更好，而復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件較三維五向編織結(jié)構(gòu)試樣彎曲性能略低，但高于疊層縫合結(jié)構(gòu)試樣級。雖然復(fù)合結(jié)構(gòu)T型件比單一結(jié)構(gòu)試樣性能略有下降但相差不大，且復(fù)合結(jié)構(gòu)可以更完整地得到目標(biāo)零件，同時T型件結(jié)合了三維五向編織結(jié)構(gòu)的軸向彎曲性能好的優(yōu)點，故比疊層編織結(jié)構(gòu)試樣彎曲性能更好。由圖15可知，Cf/Al復(fù)合材料三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件350 ℃相較于室溫彎曲強度下降了44.1%，因此溫度對復(fù)合材料T型件彎曲強度的影響較大。主要原因是ZL301熔點僅為660 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過其熔點的1/2時，會產(chǎn)生基體軟化現(xiàn)象［25-26］，故基體在較小的載荷下發(fā)生較大的形變，從而導(dǎo)致350 ℃下復(fù)合材料彎曲強度的下降。另外，由微觀組織觀察到浸滲完成后組織中有一定的微孔和纖維偏聚缺陷，這些缺陷在彎曲載荷下會產(chǎn)生大量微裂紋，而又由于350 ℃基體軟化，基體難以在復(fù)合材料中起到類似隔膜的作用，裂紋很快穿過軟化基體，使纖維過早產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致復(fù)合材料在較低應(yīng)力下失效，彎曲性能下降。同時，由于基體軟化導(dǎo)致界面松弛，界面結(jié)合力下降，界面不能很好地傳遞載荷，碳纖維不能起到很好的增強作用，這也導(dǎo)致350 ℃下其彎曲性能的下降。

圖15 T型件與試樣彎曲強度柱形圖Fig.15 Column chart of bending strength of T-shaped parts and specimens

圖16為Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件（A1、A2、A3）室溫彎曲載荷-位移曲線?？梢钥闯?，曲線呈類拋物線形狀，根據(jù)曲線切線斜率的變化可將其分為3個階段，第I階段近似為線性彈性階段，此階段切線斜率近似為定值。由于T型件立板是三維五向結(jié)構(gòu)，編織紗方向與載荷方向成非垂直夾角，且編織紗與軸向紗相互交織形成不分層立體結(jié)構(gòu)，故在第I階段復(fù)合材料基體與纖維共同承受載荷，有較好的抵抗變形能力，剛度幾乎不變，所以其載荷-位移曲線表現(xiàn)為線性特征。隨著彎曲載荷的持續(xù)增加，基體承受載荷超過其彈性極限，編織紗也隨著基體的變形逐漸與軸向方向一致，碳纖維逐漸承受主要載荷，但載荷方向與碳纖維方向垂直，且碳纖維在非軸向方向性能較差，致使較弱的纖維開始產(chǎn)生裂紋，故曲線斜率逐漸減小。又由于兩點彎曲的特性，彎曲變形外側(cè)主要承受拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)主要承受壓應(yīng)力，且距中性層最遠處（外表層）有最大應(yīng)力。此外復(fù)合材料浸滲微孔和纖維偏聚等缺陷在載荷下產(chǎn)生應(yīng)力集中，故隨載荷的增加，損傷積累會產(chǎn)生大量微裂紋，這些微裂紋在外側(cè)拉應(yīng)力下不斷擴展，直至部分纖維表面產(chǎn)生裂紋失效。而受壓側(cè)由于碳纖維復(fù)合材料不耐壓的特性（壓拉比為0.50～0.67［27］），內(nèi)側(cè)纖維屈曲擠壓基體，使復(fù)合材料T型件內(nèi)側(cè)在較小的載荷下產(chǎn)生鼓包。同時隨著基體與纖維界面逐漸松脫，基體慢慢由傳遞載荷轉(zhuǎn)為承受載荷，此階段為第Ⅱ階段即微塑性變形階段。隨著載荷繼續(xù)增大，載荷位移曲線斜率加快減小，纖維裂紋不斷擴展致使纖維斷裂，界面逐漸破壞，復(fù)合材料彎曲變形量持續(xù)增大，基體開始破壞，進入第Ⅲ階段，此階段載荷達到峰值，復(fù)合材料T型件破壞失效開始卸載，但并未出現(xiàn)突然卸載，曲線出現(xiàn)韌性失效特征緩慢卸載，復(fù)合材料試樣室溫拉伸伸長率僅為1.2%，復(fù)合材料試樣一般為脆性失效。所以圖16所示Cf/Al復(fù)合材料三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)彎曲失效是一種“假塑性效應(yīng)“特征［28］。

圖16 T型件室溫載荷-位移曲線Fig.16 T-shaped parts load-displacement curves at room temperature

Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件（B1、B2、B3）350 ℃彎曲載荷-位移曲線如圖17所示。由350 ℃和室溫曲線對比可知，隨著溫度上升Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件彎曲強度和屈服強度明顯下降，這主要是因為基體軟化。350 ℃彎曲變形第Ⅰ階段，復(fù)合材料有比較短暫的彈性階段，此階段由于三維五向編織結(jié)構(gòu)的特性，基體與增強纖維共同承載，復(fù)合材料表現(xiàn)出線性特征；但由于基體軟化復(fù)合材料T型件彈性極限減小，T型件在很小的載荷下就達到彈性極限，基體發(fā)生不可逆的形變，較早地進入350 ℃彎曲變形第Ⅱ階段，此階段曲線切線斜率逐漸減小，相較室溫在相同的載荷下T型件產(chǎn)生了更大形變，同時基體軟化對碳纖維的束縛減弱，在載荷下編織紗纖維束編織角減小，與軸向纖維束一起承受載荷，又由于350 ℃條件下浸滲微孔在受拉側(cè)拉應(yīng)力下形成的裂紋擴展得更快，這些裂紋等缺陷快速穿過軟化的基體，傳至纖維使纖維產(chǎn)生裂紋直至失效，而受壓側(cè)纖維束受軟化基體束縛減小，纖維屈曲較室溫更厲害，基體局部破壞現(xiàn)象更明顯，同時由于基體與纖維熱膨脹系數(shù)差異，纖維擠壓基體使其更快地產(chǎn)生變形破壞失效，但復(fù)合材料的塑性硬化又使基體塑性變形減緩，故350 ℃與室溫最大變形量相差不大。隨著載荷的繼續(xù)增加基體局部破壞快速擴展，纖維斷裂失效現(xiàn)象加劇，進入350 ℃破壞第Ⅲ階段，此階段復(fù)合材料T型件出現(xiàn)卸載現(xiàn)象，即Cf/Al復(fù)合材料三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件發(fā)生失效。與室溫類似，350 ℃環(huán)境復(fù)合材料T型件也出現(xiàn)了假塑性特征。

圖17 T型件350 ℃載荷-位移曲線Fig.17 Load-displacement curves of T-shaped parts at 350 °C

2.4 彎曲破壞分析

圖18為室溫條件下，彎曲失效的Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件破壞形貌。由圖18（a）、圖18（b）可以看出，T型件室溫彎曲最大變形量發(fā)生在根部，由圖18（c）、圖18（d）可以看出T型件受拉側(cè)有大量網(wǎng)狀裂紋，而T型件受壓側(cè)有鼓包。由圖18（e）可知，纖維與基體并沒有發(fā)生明顯的斷裂，只出現(xiàn)少許的纖維斷裂。最大變形量在根部是因為根部是兩種不同編織結(jié)構(gòu)縫合處，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且兩點彎曲（類懸臂梁）特性最大應(yīng)力在根部，故根部是主要的破壞處。T型件彎曲過程中受拉側(cè)在拉應(yīng)力作用下失效，產(chǎn)生了大量網(wǎng)狀裂紋，而受壓側(cè)在壓應(yīng)力和纖維屈曲對基體擠壓共同作用下產(chǎn)生了大量鼓包。但如圖18（e）所示，纖維與基體并沒有發(fā)生明顯的斷裂，只有根部少量纖維產(chǎn)生剪切斷裂和應(yīng)力集中斷裂。剪切斷裂是因為纖維在橫向載荷作用下產(chǎn)生彼此同向屈曲，在基體中產(chǎn)生剪切應(yīng)變，使纖維與載荷軸成45°角方向剪切破壞。但纖維與基體并沒有產(chǎn)生大面積的脫粘，即缺口擴展應(yīng)力小于纖維松脫應(yīng)力。由此可知，室溫下復(fù)合材料T型件表現(xiàn)為強結(jié)合界面，即首先形成裂紋缺口，然后裂口向纖維內(nèi)部擴展，還未達到界面完全松脫復(fù)合材料就發(fā)生失效。總體來說，Cf/Al復(fù)合材料三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件室溫下有較好的彎曲性能。

圖18 Cf/Al復(fù)合材料三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件室溫彎曲失效形貌Fig.18 Room temperature bending failure morphology of three-dimensional composite braided structure T-shaped parts of Cf/Al composite material

圖19為350 ℃下Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件彎曲宏觀失效形貌。由圖19（a）、圖19（b）可知，T型件在350 ℃下彎曲失效的形貌與在室溫下彎曲失效的形貌類似，都是立板在靠近根部的位置彎曲變形。由圖19 （c）、圖19 （d）可知，T型件受拉側(cè)與受壓側(cè)較室溫產(chǎn)生了更多的裂紋和鼓包。由圖19 （e）、圖19 （f）可知，T型件破壞處沒有明顯的纖維斷裂，只有少量纖維出現(xiàn)斷裂。因為碳纖維具有較好的高溫性能，所以T型件在350 ℃下，失效彎曲的變形量與室溫下相差不大。但從T型件受拉和受壓面的形貌來看，由于350 ℃導(dǎo)致的基體“軟化”，基體合金的彈性模量降低，T型件350 ℃彎曲失效后，受拉面產(chǎn)生的裂紋沿界面擴展更深，受壓面表面基體由于屈曲纖維擠壓產(chǎn)生“鼓包”更嚴重（圖19（c）、圖19（d））。且纖維由于更早承受載荷，在相同載荷下T型件產(chǎn)生更大形變，是纖維還未產(chǎn)生剪切破壞就達到最大變形量而破壞（圖19（e）、圖19（f））。這些較室溫產(chǎn)生的變化，原因在于基體合金的軟化，使基體在較小的載荷下產(chǎn)生較大的變形，而碳纖維受溫度的影響較小，從而造成纖維與基體界面結(jié)合減弱，對裂紋擴展的束縛減弱，使得復(fù)合材料T型件的屈服強度與彎曲強度大幅減小。由此可知，溫度很大程度上影響了復(fù)合材料T型件彎曲性能。

圖19 Cf/Al復(fù)合材料三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)T型件350 ℃彎曲失效形貌Fig.19 350 ℃ bending failure morphology of three-dimensional composite braided structure T-shaped parts of Cf/Al composite material

圖20為彎曲試驗纖維失效行為示意圖。由圖20（a）可知，載荷F加載方向垂直于軸向纖維，也與編織紗成一定角度，軸向纖維承受主要載荷。由圖20（b）可知，在載荷壓力作用下，編織紗與軸向紗夾角減小，且在載荷壓力下產(chǎn)生屈曲變形。隨著彎曲載荷持續(xù)作用，編織紗被壓至和軸向紗同向變形，且變形量持續(xù)加大（圖20（c））。在載荷壓力進一步作用下，纖維達到最大變形量，受拉側(cè)部分纖維被拉斷，受壓側(cè)纖維在擠壓變形作用屈曲程度更大，直至纖維失效卸載（圖20（d））。

圖20 彎曲試驗纖維失效行為示意圖Fig.20 Schematic diagram of bending experimental fiber failure behavior

3 結(jié) 論

1） DR無損檢測表明真空壓力浸滲法制備的三維五向（立板）與疊層縫合（底板）復(fù)合結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料T型件整體結(jié)構(gòu)完整，纖維分布均勻，內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)無明顯缺陷。值得注意的是，立板與底板整體縫合連接部分內(nèi)部也無明顯孔隙缺陷，纖維保持原始三維編織結(jié)構(gòu)，無散亂現(xiàn)象，整體縫合效果較好，兩種編織結(jié)構(gòu)縫合完整。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，浸滲完成的復(fù)合材料T型件無明顯組織缺陷，僅在立板部分有少量浸滲微孔和局部纖維偏聚，而底板比立板浸滲更完全，T型件浸滲效果較好。

2） 室溫和350 ℃兩點彎曲試驗表明，復(fù)合編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料T型件室溫平均彎曲強度為384.2 MPa，350 ℃平均彎曲強度為204.6 MPa，相比三維五向編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣件彎曲性能有所下降，但較疊層縫合編織結(jié)構(gòu)試樣件彎曲性能要好，350 ℃下基體軟化是高溫彎曲性能下降的主要原因。

3） 室溫和350 ℃下三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料T型件彎曲載荷-位移曲線表現(xiàn)為非線性特征，彎曲初始階段均呈現(xiàn)線彈性變形特征，T型件室溫彎曲剛度高于350 ℃，并且T型件彎曲失效后并不會斷裂。高溫與室溫條件下，載荷-位移曲線卸載階段表現(xiàn)為一種類似塑性材料彎曲變形的“假塑性”特征。

4） 三維復(fù)合編織結(jié)構(gòu)Cf/Al復(fù)合材料T型件在室溫和350 ℃下彎曲失效后都保有較好的完整性，它們失效的形式基本相同，都是T型件根部連接處的彎曲變形、受拉側(cè)的基體開裂以及受壓面的基體“鼓包”，350 ℃彎曲失效基體開裂和“鼓包”比室溫稍微嚴重。T型件在根部彎曲失效可能是因為根部彎矩最大從而導(dǎo)致應(yīng)力最大，且根部是兩種不同結(jié)構(gòu)的縫合處容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。