Cf/Al复合材料的缺陷表征与断裂机理研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sikongshan
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随着连续碳纤维增强铝基复合材料(Cf/Al)在航空航天领域应用研究的深入,其产品缺陷检测及质量评价等已成为不可缺少的环节。然而,目前国内还没有关于Cf/Al中缺陷与性能之间相关规律的研究。本文针对 Cf/Al中典型的缺陷类型,设计、制备了人工零强度夹杂、铝层和分层缺陷以及圆形通孔来模拟Cf/Al中的制备和结构缺陷。对比分析了真实缺陷和人工缺陷的组织形貌特征,利用无损检测手段对缺陷进行表征和识别。研究了缺陷对Cf/Al力学性能的影响规律以及含缺陷Cf/Al的断裂机理。  人工缺陷置于试样中部,在试样横截面上所占面积均为10×0.2mm2,缺陷沿试样长度方向的尺寸取不同值,结合无损检测技术确认缺陷的尺寸和位置。力学性能测试结果表明,加入尺寸为10×0.2×10~30mm的人工夹杂缺陷时,Cf/Al的抗拉强度下降30~42%,弹性模量下降5~17%,加入尺寸为10×0.2×5~20mm人工夹杂缺陷时,材料的抗弯强度下降13~31%,随着夹杂尺寸的增加,拉伸强度和弯曲强度的下降趋势都趋于平缓;人工铝层缺陷对 Cf/Al的性能影响不明显,适当尺寸的铝层使得强度提高;尺寸10×0.2×10mm的人工分层缺陷使Cf/Al的抗拉强度下降5%,弹性模量下降7%。平板试样中部Ф0.5~2mm的圆形通孔使有效承载面积减少5~20%,Cf/Al的抗拉强度下降23~32%,随着圆孔直径的增加,抗拉强度的下降趋势趋于平缓。  通过SEM原位观察和断口观察,研究了含缺陷Cf/Al的断裂过程和微观机理。结果表明,Cf/Al呈脆性断裂,含缺口试样的三点弯曲断裂失效过程分为四个阶段:①微损伤萌生;②裂纹长大以及新的损伤萌生;③各处微损伤合并形成主裂纹;④主裂纹尖端沿最大应力方向扩展贯穿,全面失效。  含夹杂缺陷试样在三点弯曲载荷作用下的断裂过程包括夹杂层下方Cf/Al中形成主裂纹,主裂纹与夹杂层中的缺陷合并贯通以及试样的全面失效三个阶段。含铝层缺陷试样在三点弯曲载荷作用下的断裂过程包括铝层下方Cf/Al中形成主裂纹,铝层与Cf/Al的界面分离和铝层的断裂拔出以及试样的全面失效三个阶段。夹杂加速了Cf/Al的断裂失效过程,铝层延缓了Cf/Al的断裂失效过程。
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