炭麥技太纖維含量對(duì)C/C復(fù)合材料力學(xué)性能的影響蔡大勇，李東春（燕山大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，秦皇島066004）果表明：當(dāng)炭纖維的體積分?jǐn)?shù)小于8.3%時(shí)，隨著炭纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度逐漸升高；之后，隨著炭纖維的體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度逐漸下降；短纖維增強(qiáng)C/C復(fù)合材料的斷口特征為大量纖維拔出，其斷裂過(guò)程為界面破壞所控制。

　　c/c復(fù)合材料以其優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)性能在航天、航空、核能領(lǐng)域及許多民用工業(yè)領(lǐng)域受到極大關(guān)注。十幾年來(lái)，C/C復(fù)合材料的研究得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，已成為90年代乃至21世紀(jì)的關(guān)鍵材料之一。目前，C/C復(fù)合材料的制備方法主要是采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法、高壓液相浸漬以及加壓炭化法，以上3種方法各有其特點(diǎn)，但無(wú)論哪一種方法，其生產(chǎn)周期都較長(zhǎng)，工藝環(huán)節(jié)較多，同時(shí)生產(chǎn)工藝難以精確控制，生產(chǎn)成本太高，雖然以上問(wèn)題軍事領(lǐng)域還可以接受，但勢(shì)必影響它的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前雖然已有一些新的快速致密化工藝，但距實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)大的距離3.本文采用鍛后石油焦及煤焦油中溫浙青基體原材料，采用加壓焙燒的方法制備出了低成本的短纖維增強(qiáng)的炭基復(fù)合材料，研究了炭纖維體積含量對(duì)C/C復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

　　1試驗(yàn)材料與研究方法基體材料采用鍛后石油焦、煤焦油中溫浙青（質(zhì)量比為7：3），增強(qiáng)體采用聚丙烯腈（PAN）基短切炭纖維（5mm）以加壓焙燒法制備C/C復(fù)合材料，最高焙燒溫度900K二次熱處理溫度1由可見(jiàn)，當(dāng)炭纖維體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，纖維的增強(qiáng)效果不明顯，隨著炭纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度逐漸升高；當(dāng)炭纖維的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到8.3%時(shí)，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度達(dá)到24.0MPa；之后，隨著炭纖維的體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度逐漸下降。

　　2.2C/C復(fù)合材料的斷口分析對(duì)復(fù)合材料抗折強(qiáng)度接近平均強(qiáng)度的試樣進(jìn)行斷口分析。

　　由可以看出：當(dāng)復(fù)合材料中的炭纖維體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)（a、b），基體中的炭纖維分布均勻，沒(méi)有觀察到纖維偏聚區(qū)存在，炭纖維均勻地穿插浙青炭之中。當(dāng)復(fù)合材料中的炭纖維含量較高時(shí)（c）炭纖維出現(xiàn)明顯的偏聚現(xiàn)象，偏聚區(qū)的炭纖維呈束狀或呈嚴(yán)重的相互搭結(jié)狀分布，由于偏聚區(qū)內(nèi)基體材料很難浸入而易形成孔洞，該類孔洞成為復(fù)合材料中明顯的結(jié)構(gòu)缺陷。對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料而言，當(dāng)纖維含量較低時(shí)，纖維不能起到有效的增強(qiáng)作用，所以抗折強(qiáng)度較低，隨著纖維含量的逐漸增加，抗折強(qiáng)度有所提高。當(dāng)纖維含量較高時(shí)，由于偏聚區(qū)的存在而在復(fù)合材料內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)缺陷，該類缺陷嚴(yán)重地影響了材料的機(jī)械性能，所以此時(shí)隨著纖維含量的增加抗折強(qiáng)度下降。

　　通過(guò)斷口高倍觀察還可以看出，斷口表面大量纖維被拔出，纖維斷面平齊，幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)纖維斷裂能量就越多，同時(shí)，纖維含量越高，基體中的裂紋越不容易擴(kuò)展，復(fù)合材料的強(qiáng)度越1~11.當(dāng)纖維含量過(guò)高時(shí)，由于混料條件的限制，大量纖維不但不能有效地起到增強(qiáng)作用，纖維聚集區(qū)反而成為新的薄弱環(huán)節(jié)，在應(yīng)力作用下該處很容易破壞，所以復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著纖維含量的增加反而降低。

　  C/C復(fù)合材料斷口的高倍觀察的跡象，同時(shí)纖維表面粘附少量的基體材料。

　　由此可以判定，C/C復(fù)合材料的斷裂過(guò)程中并未發(fā)生增強(qiáng)體炭纖維的斷裂，纖維的拔出為破壞的主要形式，材料的斷裂過(guò)程為基體與炭纖維的界面破壞所控制。由SEM結(jié)果可知，在斷裂過(guò)程中，裂紋的擴(kuò)展總是避開(kāi)炭纖維。對(duì)于本試驗(yàn)條件下的C/C復(fù)合材料而言，有很多促使裂紋產(chǎn)生的因素，例如材料本身的氣孔、微裂紋及短纖維末端的應(yīng)力集中等。

　　在加載過(guò)程中，裂紋可能在復(fù)合材料中多處產(chǎn)生、擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展裂紋與纖維相遇時(shí)，在纖維與基體所決定的應(yīng)力條件下，裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生轉(zhuǎn)移，開(kāi)始沿著基體與纖維的界面擴(kuò)展直到纖維的末端為止，從而導(dǎo)致纖維與基體部分分離。由于基體總是最弱的，在載荷作用下基體裂紋很快擴(kuò)展到下一根纖維，并重復(fù)界面斷裂的過(guò)程直至材料斷裂，而纖維不可能發(fā)生斷裂。所以短纖維增強(qiáng)C/C復(fù)合材料的破壞形式為界面破壞所控制，表現(xiàn)為斷口處大量纖維拔出。

　　纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的界面是增強(qiáng)相與基體相的中間相，界面是增強(qiáng)相與基體相的連接者，纖維與基體復(fù)合過(guò)程的本質(zhì)就是纖維表面形成完整傳遞應(yīng)力的界面，界面的作用是將加于復(fù)合材料的載荷，經(jīng)由基體通過(guò)界面?zhèn)鬟f到增強(qiáng)體，這就要求界面有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，合適的粘結(jié)強(qiáng)度使界面能夠傳遞應(yīng)力。另外，界面在一定外力作用下脫粘，使纖維拔出，纖維與基體發(fā)生摩擦并增大表面能，使材料以拔出功和摩擦功等形式吸收外載能量，從而提高材料的抗破壞能力。對(duì)炭纖維而言，其表面光滑且惰性大，與基體相容性差，不能很好地與基體進(jìn)行粘合，僅依靠粘結(jié)劑浙青炭化后形成的炭網(wǎng)把焦炭粉與炭纖維連結(jié)起來(lái)形成塊體纖維與基體的界面結(jié)合較M7~9.所以，C/C復(fù)合材料在斷裂時(shí)斷口處大量纖維被拔出，同時(shí)，纖維表面的粘附物較少。

　　C/C短纖維復(fù)合材料在斷裂過(guò)程中，吸收能量的主要機(jī)制是脫膠，所以，在纖維混合均勻的條件當(dāng)炭纖維體積分?jǐn)?shù)小于8.3 %時(shí)，隨著炭纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度逐漸升高，之后，隨著炭纖維的體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度逐漸下降；短纖維增強(qiáng)C/C復(fù)合材料的斷口特征為大量纖維拔出，其斷裂過(guò)程為界面破壞所控制。