（固体力学专业论文）Zpins增强陶瓷基复合材料接头的连接性能.pdf

中z 摘篁 摘要 本文对z p “塔增强2 d 陶瓷基复合材料搭接接头在单向载荷作用下的连接 性能进行了试验及其分析。试验结果表明z p i 璐增强2 d 陶瓷基复合材料搭接 接头随着搭接长度的不同，破坏方式也不相同，有如下两种情况：( 1 ) 搭接长 度等于1 5 m m 的搭接接头，搭接面脱胶为其最终的失效方式；( 2 ) 搭接长度大 于2 0 m m 的搭接接头，首先发生搭接面的脱胶，然后以搭接板在z 口i n s 存在处 断裂而失效。搭接长度等于1 5 m m 搭接接头的载荷位一移曲线中，载荷变化存在 一稳定的波动区域，此波动区域说明z - p i n s 具有抑制裂纹扩展，在一定程度上 改善搭接接头连接性能。搭接板断裂的搭接接头所能承载的最大载荷与搭接长 度之间呈线性关系变化。结合有限元的方法对搭接接头应力分布进行数值分析， 发现乙p i l l s 增强2 一d 陶瓷基复合材料搭接接头搭接面两端存在明显的应力集 中，z p i i l s 存在处应力集中的现象也比较严重，这有可能是搭接长度大于2 0 m m 的搭接接头首先发生剥离，而后在z p i i l s 存在处搭接板断裂的原因。使用有限 元的方法对有、无z p i i l s 增强2 d 陶瓷基复合材料搭接接头裂纹尖端能量释放 率进行模拟分析，发现z - p i l l s 直径的增大，间距的减小有助于抑制裂纹的扩展； 此外，对搭接长度等于1 5 m m 的有、无z p i n s 增强陶瓷基复合材料搭接接头的 破坏过程也进行了数值分析，发现z - p i n s 直径的增大，间距的减小有助于抑制 裂纹的扩展，起到改善连接性能的作用。 关键字：陶瓷基复合材料，搭接接头，z p i n s ，连接。 a 酞f l 毽c ： i f lt 融sp a p e r 蛀擗s i n g l el a pj o i n t s ，w h i c ha r em 面e 矗o m2 - dc e r a 蕊em a 拄i x c o m p o s i t e ，r e i n f o r c e db yz - p i n sa r cs t u d i e di ne x p e r i m e n t t h er e 8 i n t si n d i c a t et l l e s i n 西el a pj o i n t s b r o k e nm e t h o d sr e s tw i t h 出ec o n n e c t i n gd i s 诅n c eo fs i n g l el a p j o i n l s ，氆e 辩a 糟溉。钍s ：( ) 璃h e n 撬ed 波a n e ee q u 采s1 5 m m ，强es i 埏曲| a pj o i 燃 c o m eu n g l u e d ；( 2 ) w h e nt h ed i s t a n c ei sm o r el5 m m ，t h eb o a r dc o m p o s i n gs i n g l el a p j o i n t i s 8 n 印p e d t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n d i s p l a c e m e m s 剐l di o a d 印p e a r s s 耋a 毯l i z a 重i o nw a v e 瓣岛w k n 斑ed i s t a n c e 逸1 5 m m ；氆ea r e ai 魏d i e g 耙s 也蘸z 巾i n s c a nr e s t r a i n 壬重a we x t c n d i n g w h e nt h cd i s t a l l c ee x c e e d s1 5 m m ，伽er e l a t i o n s h 砸 b e t w e e nb r o k e nl o a da n dd i s t a i l c ei sl i n e 黼u s i n gf e am e t h o dt oa n a l y z em es h l g l e l a pj o i 峨m er e s u l ti n d i c a t e st l l es i n g l el a pj o i n te x i s t ss 拄e s sd i s t r i b u t i o ni nz p i n s 翘d 重w oe 聪s 垃罅j o i 嫩m o 如l h 蟮s 魏萄ne n e r g ) r 揩l e a s er a 圭eo fz 巾i n s 辩i n e d c e r a m i c sm a t r i xc o m p o s t cs i n g l el a pj o i n t sa tc r a c kt i p s ，e s p e c i a l l y 协ed i a e r e n c eo f z _ p i 主l s d i a m e t e ra n ds p a c eb e t w e e nb r i n g st h ed i 触r e n c eo fs t r a i ne n e r g yr e l e a s e 臻姆a 量e r a e k 细s 弧l e 辩s 堪t 盘o w sz p i 璐c 曩珏f e s t 撼淑重量l e 程a c k s 秘w 瞧。z p i 蘸s m 躺e t e r i n f l u e n c e sm o r ei n t e n s i v e l ys t r a i ne n e r g yr e k a s er a t ea tc r a c kt i p s z p i n s s p a c eb e t w e e ni n n u e n c e st h ec r a c kt i p s s 仃a i ne n e 唱yr e l e a s er a t ei nac e r t a i ne x t e n t ， w h e ns p a c eb e t w e e ni se n o t l g hc l o s e ，s 秘a ne n e 培yr e l e a s ef a t ea te r a c k 硅p si sa l m o s t c o n s 锄tb e s i d e s ，a n a l y z i 鹕t h es 鹕ki a pj o 越吐壤l 妇d i s 穗n c ei s1 5 m m 证f 嚣a ， t 埽r e s u l ti n d i c a t e si n c r c a s i i l gz p i n s d i a m e t e ro rs u b 仃a c t i n gs p a c ei t sb e t w e e nc a n r e s 扛a i nn a we ) ( t e l l d i n g ；s i l i l u i t a n e i 饥t h er e l a t i o n s l l i pb e t w e e nb r o k e nl o a da n d 纛i s 攮珏e e se l l i e a l k e y w o 埘：c m c ；c o n n e c t i n g ；z p i n s ；j o i 惦 h 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以j 悔本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 如研年 指导教师签名糍糙像 2 哆年岁月工日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导r 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做f 重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 枞靴敝城一张兹嚣鼯 一9 n ? 十$ i r ，1r 1 1 w i 斓年驴旧 第一亭绪沦 第一章绪论 1 1c s i c 复合材料( 陶瓷基复合材料) 新一代航空产品减轻结构重量和提高性能的主要途径是采用新材料和新结 构，这也成为发展现代航空制造技术的重点。航空发动机热端部件工作温度的 提高带动了耐高温复合材料的发展。热防护、结构承载和防氧化成为新材料新 结构研制中需要解决的关键性问题，研究人员通过从提高基体抗氧化性能入手， 展开广泛且深入的研究，研究发现s i c 的抗氧化性能要强于c 的抗氧化性能， 从而使得以s i c 为基体的c s i c 复合材料成为新一代热结构材料，备受关注。 c s i c 复合材料( 陶瓷基复合材料) 具有耐高温、抗热振、高的比刚度、比 强度、高韧性、高硬度、高耐磨性、高化学稳定性、高设计容限、高导热性低 密度、低膨胀系数等一系列优异性能。c s i c 复合材料可以满足1 6 5 0o c 以下长 寿命，2 0 0 0o c 以下有限寿命，2 8 0 0o c 以下瞬蹦寿命的使用要求。c s i c 复合 材料可以使用在高推重比航空发动机，超音速冲压发动机，空天往返放热系统、 巡航导弹发动机，液体和固体火箭发动机，卫星姿控发动机等武器装备领域， 具有广泛的应用前景，在民用领域发展潜力将更为巨大。 1 1 1c s i c 复合材料的主要制各方法 c s i c 复合材料可以通过液相或气相的方法米制备。为了不损坏纤维并且降 低成本，希望有低温、无压和近尺寸的制备工艺。选择制备工艺还得考虑制备 部件的尺寸、形状和数量。c s i c 复合利料的制备方法有：热压烧结( h p s ) 、 先驱体转化法( p i p ) 、反应熔体渗透法( r m i ) 和化学气相渗透法( c v i ) 。 化学气相渗透法( c h e m i c a lv a p o ri n f l l t r a t i o n ) 是在化学气相沉积法的基础上 发展起来的制备技术。这种技术是将纤维预制体置于密闭的反应室内，通入反 应气体，在高温下，气体渗入预制体内部发生化学反应，沉积出陶瓷基体。 在c v i 过程中，渗入预制体中的反应气体和气体产物的传输主要是通过扩 散来实现。为了进行深化沉积，c v i 过程足在低温( 8 0 0 - 1 l o oo c ) 和减压( 几 两f e t 业大学舒l 一学位【 文 k p a - l o k p a ) 条件下进行。以降低反应速度并提高气体分子在多孔预制体中的平 均自由程。c v i 法的主要优点是：( 1 ) 能在低压和低温下进行基体的制备，材 料内部残余应力小，纤维受损小：( 2 ) 碳化物，硅化物，氮化物，氧化物，硼 化物等多种陶瓷材料都可以使用c v i 法制备，同时实现微观尺度上的成份设计； ( 3 ) 能制备形状复杂和纤维体积分数高的近尺寸部件；( 4 ) 在同一反应室中， 可依次进行纤维基体界面，中间相，基体以及部件外表面涂层的沉积。 当然c v i 方法也是有其缺点的：( 1 ) s i c 基体的致密化速度慢，生长周期( 1 0 0 h 以上) ，所以导致c s i c 复合材料制造成本较高；( 2 ) s i c 基体的晶粒极其微小， 导致其化学稳定性差；( 3 ) c s i c 复合材料在使用c v i 法沉积的过程中不可避 免的存在大量的孔隙( 大约占l o 1 5 ) ，以作为大分子量沉积副产物的逸出 通道，从而影响了复合材料力学性能和抗氧化性能；( 4 ) 预制体的孔隙入口附 近气体浓度高，沉积速度大于内部沉积速度，易导致瓶颈效应，即入口处封闭， 而产生密度梯度；( 5 ) 制备过程中产生强烈的腐蚀性产物。 反应熔渗法( r m i ) 也是一种简单，节省成本制各s i c 基体的有效方法。反 应熔渗法使用的条件为：基体中的一种组元具有低的熔点并且容易润湿纤维预 制体。反应熔渗法不需要施加机械压力，可以制备近尺寸，形状复杂的结构件。 c s i c 复合材料的制备通常先采用沥青等先驱体浸渗碳纤维预制体，然后再高 温裂解生成基体碳，采用熔体对碳纤维预制体通过毛细作用进行下一步浸渗处 理，使s i 与基体c 反应生成s i c 基体。在s i c 的生成过程中，熔体s i 不可避 免的会与碳纤维发生反应，纤维被侵蚀导致性能下降；同时，复合材料中还残 留有一定量的s i ，导致复合材料抗蠕变性能的下降。鼢m 也有其缺点：( 1 ) 低 温时，自由硅的存在对性能不利，( 2 ) 高温形成的硅体积膨胀，这限制了反应 性熔体浸渗工艺的继续进行；( 3 ) 通过r m i 制备涂层时，试样表向的熔体不均 匀需要处理。 采用r m i 和c v i 方法相结合的工艺，既能改善c v i 的弱点从而提高c s i c 复合材料的致密度，也能够有效阻j rs i 对c 纤维的侵蚀作用。 1 1 2c s i c 复合材料的应用进展 c s i c 复合材料既有高强度的碳纤维，又有高模量和抗氧化性优良的c v i 方 法制造的s i c 基体，可以满足航空发动机热端部件所要求的高温性能( 1 6 5 0 0 c ) ， 同时也可以满足航空发动机涡轮前进气口温度和推重比的要求，在降低噪声以 及减少污染物的排放量等方面具有巨大的应用前景。 c s i c 已经成为研究较多的编织体陶瓷基复合材料的一种。国外的航空，航 天工业已经把其应用于实践中，喷管和喉衬材料已经成功地得以应用c s i c 复 第事绪仑 合材料。用作高推重比的航空发动机热端部件已经通过试飞考核。德国i a b g 公司生产的c s i c 复合材料已经戍用于光学领域、燃烧室、热交换机、车辆的 刹车盘、化学工业和国防领域。法国幻影2 0 0 0 战斗机和m 5 5 发动机和狂风战 斗机的m 8 8 航空发动机的喷嘴也使用了c s i c 复合利料。 1 2c s i c 复合材料的连接 1 2 1 连接的意义 c s i c 复合材料的应用并不是单纯的简单结构，而是根据实际的需要设计出 不同的模具，制造不同形状和几何尺寸的复杂结构，但是由于c s i c 复合材料 和其他层合板复合材料一样也是由一层层纤维白按照一定的铺层顺序铺叠而形 成预制体，再将预制体进行基体的沉积，所以导致c s i c 复合材料的层间性能 比较差。在实际使用中c s i c 复合利料以连接什形式应用最为广泛，而搭接接 头是连接件的最为普遍结构形式；由于c s i c 复合材料不仅层间性能比较差， 而且搭接接头在受到载荷作用时，搭接面的端部存在严重的应力集中现象，所 以搭接接头非常容易发生分层失效。因此怎样解决c s i c 复合材料搭接接头层 间的分层和开裂成为影响c s i c 复合材利广泛使用的关键性问题。 1 2 2 陶瓷基复合材料的连接方法 目前，国内、国外对于陶瓷材料连接方法已经有相当广泛的研究，但有关 纤维增韧陶瓷基复合材料连接的方法却很少，碳纤维增韧碳化硅基复合材料的 研究更是处于起步阶段。传统的复合材料的连接方法为：粘接，机械连接等； 新型的连接方法有：在线液相渗透连接方法、复合材料铆接法、z p i n s 法。 1 2 2 1 粘接 粘接法是一种重要的连接技术，在绝大多数工业领域都有它的应用，它采用 有机和无机粘合剂将构件连接在一起。目前，较为成熟高温粘接方法大致可以 分为反应渗硅法和聚合物热解法。可承载陶瓷接头技术( a r c j i o n t ) 属于反应 渗硅法的一种，连接时把一些碳质混合物放置在接点区域，在1 0 0 2 0 0 0 c 范围 内处理l o 一2 0 分钟，然后把纯硅粉以浆料的形式涂于连接区域内，加热到1 4 2 5 0 c 保温5 1 0 分钟，液态硅通过毛细作用渗入连接区域与碳发生反应生成碳化硅。 两托丁业式掌妒j 掌缱沦土 聚会耪热解法是遥遥应桶静聚合穗作为陶瓷先驱俸与一麓熔帮或陶瓷颗粒等 混会物，作为中间层置于复合树料准祷连接复合材料之间，加热到一定温度使 聚合伤发，主熬解生成陶瓷，生成的陶瓷确保了接头与陶瓷蒸复合材料之闻的相 容性， 丽凰热解温度一般较低。但粘接工艺复杂，而且使用温度较低，严重的削弱了 陶瓷基复会材料螅赢瓤性和裹可靠性螅傀势。热彩朕失酝褒连接藤上产生爨瑟 应力和缺陷，因而连接面积越大，粘按的强废和可靠性越低。总之，粘接对于 黥燕连接，大壁复杂薄壤稳馋豹连接不适合。 重。2 2 2 机械连接 祝械连簇是搿厢税械紧固伟对孛才辩进行造簇。豫包菇螺栓连接、铆接等等。 机械连接由于具有可靠1 生商，便于重复拆装、并对环境和疲劳影响不敏感等优 点，丽成为常用的一种琏接方法。大徽使用在飞机的尾翼、机翼、安定莉等部 位，如f 1 6 的垂尾，f * 1 8 的尾翼、a m 8 b 的枧翼和枧身、b l 水平安定藤等都 使用到机械连接形式的复合材料连接。其巾a v - 踞机翼上商3 0 0 0 个紧阉件， 翦裁身骞2 4 5 0 令紧固转用于复会毒砉辩匏连缓。 螺检遥接可用来连接同种材料及形成复合构件，也可以用来连接不同材料 捻转形成大结穆箨侮。大多数工程应麓黎螺捡帮是镪矮熬，氇霹戳是错合金、 金属钛等域纤维增强复合材料作为螺检的材质。螺梭连接有一些设计参数：几 鹰形狡、i l 洞矗经、螺捡尺寸、连接类型、承载情况等。 螺栓连接中遥有一种能够承受赢潞的连接方法，即陶瓷基复合材料的螺栓 连按；陶瓷基复合材科的螺栓连接的优点为：连接锻度和可靠性较高，而且连 接构件的尺寸和形状不受限制，连接工岂也缀简单，所能承受的激度与玻连接 板所能承受的温殷基本遮到一致；陶瓷基复合材科的螺栓的缺点怒：用予连接 陶瓷基复会材糕瓣螺拴熬热工成本裹，对陶瓷蓥复合枣砉燃懿缕毖强度损绕较大， 而凰螺栓也改变了陶瓷蒸复合材科构件的表两形状的完整性。 1 2 2 3 在线液相渗透连接方法 在线液相渗透方法是一种适合复合材料复含材料连接的新型方法。这种方法 静褥鑫主要是针对传统瀚连接技术降低连接怦的可靠径，不适合穴型律慧伟的 连接，陶畿基复合材料螺栓加工成本商，列陶瓷基复合材料的强度损伤大的， 螺校改变陶瓷基复合材料构件表面形状等缺点，但怒在线液相渗透的方滋大大 的增烟了陶瓷基复合材料连接的工艺，在线波楣渗透中使用的渗瀵波成本也是 第一章绪l 仑 比较离约，丽且还要考虑到金属与辫瓷墓复合材料的棚容酃匹配等淘题对连接 性能所造成的影响。 1 2 2 i 复合材料铆接方法 复合材料铆接是一秘耱型豹复合材料连接方法，这穆类似于金属铆接的陶 瓷基复合材料连接的方法，将粘接和紧固连接有机的结合，充分发挥各自的优 点，克服了现有技术的缺点。复合材料的铆接过程包括以下步骤：l 、制备要连 接的二维复合牵孝辩板；2 、加工用于连接复合材料铆钉：3 、将需要连接的复合 材料板加工酉己钻，生成用于连接的铆钉孔；4 、：【辱复合材料板用铆钉连接组装在 一起；5 、采羯化学气穗沉积豹方法沉穗碳化硅；6 、对铆接部分进行船工处理， 除掉铆钉多余的部分，使铆钉与连接板之间外表平整，采用化学气相沉积的方 法在连接扳的外表面刳各碳化硅涂层，对铆接部位进行覆盖和保护。 由于复合材料铆接是种采用了连接件与紧固件襁结合的陶瓷基复合材料 的连接方法，连接强度和可靠性较高，使用温度不受影响；陶瓷基复合材料的 制造遥程与连接避程融为体，不满要增船新的连接设备与连接工艺，丽喇鬻 瓷基复合材料铆钉的加工成本远比陶瓷基复合材料螺栓低。但是，复合材料铆 接霞要一定壹径豹孔濒，配钴这垡孔灏的过疆中将对羯瓷基复合材料屡合板的 面内性能产生严煎的损伤。复合材料铆钉制作的过程也需要一定的工艺，消耗 一定的成本。本文重要介绍一种与复合材料铆接相似，但是把以上所述复合材 辩铆钉法的缺点都基本解决的连接方法，即z p i n s 的方法。 1 2 。2 5z p i n s 连接方法 z p i n s 的连接方法有复合枋料铆接的几乎所有优点，丽且克服了复合材料铆 接所带来到的由于孔洞过大对陶瓷基复合材料面内性能所造成严重损伤等缺 点。z p i n s 增强2 一d 陶瓷基复合材料搭接接头制备的主要步骤为：( 1 ) 根据陶 瓷基复台榜秘连接件形状露冬樱应的模其；( 2 ) 在模具上配钻出能够捶入z p i n s 和有利于基体沉积的孔洞；( 3 ) 将2 d 碳纤维布按照一定的铺层顺序叠放在模 具中、压实形成预制体；( 4 ) 将碳纾维束以一定的偏转角度檀入预制体中；( 5 ) 将嵌入碳纤维柬钉子的复合材料板送入高温炉中，采用c v i 和r m i 方法，沉积 s i c 基体，最后z - p i n s 增强陶瓷基复合材料连接件成彤。 因为陶瓷基复合材料板使用沉积碳化硅鍪 奉碳纾维束钉进行连接，掰以陶瓷 基复合材料在使用时不受温度的影响，j 司时将陶瓷基复合材料的制作过程和连 接的过程融为一体，不需要其链的复杂黪工艺，能够大量的节省成本。由于碳 螽：陀工业大学碗二匕学位论文 纤维钉熬直径较小，对陶瓷基复合材辩内部的纤维柬破坏较小，整体陶瓷基复 合材料板的面内性能也褥判了最大的保护，最主要的是陶瓷蒸复合材料厚度方 向的性能得到很大程度的改善。 1 3 本文的选题依据和研究目标 搭接结构厚度方向性能的提高是c s i c 复合材料得到更广泛应用的关键， 然而复合材料在连接过程中由于热膨胀系数、刚度系数失配引起的残余麻力， 以及牵季辩形、袄及尺寸使接头在承载的过程中出现应力集中现象，耀使襻在搭接 接头中产生分层形成裂纹，并使裂纹扩展，从而降低搭接接头连接性能，最终 使得搭接接头发生失效。因姥，如俺提高陶瓷基复合材料搭援接头的拇割分层 的能力成为c s i c 复合材料搭接接头在实际使用过程中需要追切解决的问题之 一。对这一问题的研究融经提出了很多方法，如粘接、机械连接、在线渡棚渗 透z p i n s 等。这些方法都有优缺点，相比较来看z p n s 的方法更具发展潜力。 本文首先通过试验的方法，试图从机瑗上解释z ，p i n s 对嘲瓷基复合材料搭 接接头连接性麓豹影璃，班及z p i n s 的破塥襁理帮酸坏形式，z p 泌s 摇簿对层 问性能起增韧作用的。 魈蓉计算枫的飞速发鼹秘广泛应用，数值分板的方法已经成为求解科学技 术问题的重要工具。而有限元的出现是数值分析方法领域内重大突破性进展。 使用有限元的方法能够大大的节省人力、物力的消耗，同时生产试制的整个运 作周期也得到大大的缩减。 针对z p i n s 增强陶瓷基复合材料搭接接头在连接方面的应用特点，本文选 择兹有羧元分板歙箨为a b a 0 u s ，通过有限元摸拟豹方法考察搭接接头中不同 直径、不同间距钉子对连接性能的影响，得到规律性的认识，为以后的结构设 计提供一定的理论依据。 1 4 研究内容 上述研究目标的确立为以下研究内容奠定撩础，本文主要的研究内容为如下： 1 对z - p i n s 增强陶瓷基复台材料措接接头，旗加单向载荷，利用显微镜观察裂 纹的出现、扩展。观察试验件破坏后其中z p i n s 的状态，和两连接丽的破坏 形式。通过载荷一位移、载荷应变曲线反映出z p i n s 的作用。 2 建立搭接接头的有限元模型，了解搭接接头接接瑟躬应力燮化和z # n s 处的 应力状态，找出裂纹从端部开裂的依据。 3 利罔试验中的破坏磊z p i n s 豹状态，采用4 # 线性弹簧单元模拟z p i n s ，褥到 袋纹尖端能量释放率，以及麓z p i n s 髂蔺距帮壹径的交纯关系。 4 通过有限元的模拟建立试验条件 搭接试骏件破坏模型，与试验得到的结果 避行比较，模拟z p i n s 的直径和间距、捂按长度变化对搭接接头连接性能的 影响。 第革试验 2 1 引言 第二章试验 试验在复合材料研发和使用中有着不可替代的作用。国内外对于z 。p i n s 增 强复合材料搭接接头的试验主要集中在树脂基复合材料上，如l a r r yw ，b y r d 和 v i c t o rb i 珈a n 2 1 对复合材料接头的分层破坏进行了研究，证明z p i n s 能够 减小裂纹尖端的应变能释放率，有效的抑制裂纹的扩展。p c h a n g 和b n c o x 2 2 采用试验的方法对搭接接头的静态拉伸性能和疲劳性能进行了分析，证 明z p i n s 能够增加搭接接头的疲劳寿命、改善搭接接头的连接性能。但是，对 于z p i n s 增强陶瓷基复合材料搭接接头试验方面的研究很少见到。 本文通过试验的方法对z p i n s 增强陶瓷基复合材料搭接接头，在单向载荷 作用下连接性能进行了分析。探讨了z p i n s 在搭接接头中的作用，及其所起作 用的原因，试图找到搭接长度所引起的连接性能和破坏方式不同的原因。 2 2 材料及试验件制备 下面简要介绍z - p 协s 增强陶瓷基复合材料搭接接头的制备过程：( 1 ) 按照 搭接件的形状设计模具；( 2 ) 在石墨模具的上、下两表面配钻出等间距，等直 径_ 白勺孔；( 3 ) 将2 一d 碳纤维布按照一定顺序铺叠于模具中，得到复合材料预制 体；( 4 ) 将碳纤维束钉子通过配钻出的孔植入预制体中；( 5 ) 将整板压实送入 高温炉中经过沉积热解碳、碳化硅等多道工艺最终得到所需的z p i n s 增强陶瓷 基复合材料搭接接头试验件； 植入z - p i n s 后的预制体沉积热解碳、碳化硅的过程是在西北工业大学超高 温试验室进行的。沉积的过程为：首先在纤维束内部，在各单根纤维束中的空 隙中渗透沉积，然后在纤维束与纤维束之间的空隙中沉积，形成纤维束表面的 碳化硅基体涂层。随着沉积的继续，碳化硅涂层越来越厚，纤维束问的空隙越 来越小，最终各涂层相互重叠，进气孔堵塞。沉积完成。 2 2 1 试验件 试验件的整体长度为1 7 5 m m ，宽皮为15 m m ，单边厚度为2 m m ，搭按处的 蓐壤走4 。l 凇，攒接链长度分别为d 1 5 m m ，2 黼獭，2 3 獭搬，3 7 辩m ，6 0 瓣m ： 试验件中z p j n s 的直径为o 4 m m 。单边碳纤维布的铺层角度相同，都与加载方 囱成0 疫角，镶鼷鼗为6 。图2 ，l 为搭接接头静死话尺寸、z 捌n s 豹分离、镶詹 角度和铺屡数目。 上近接板6 屡 下连接板6 胺 加强片 图2 1 搭接接头的几何尺寸、z - p i n s 的分布、铺层角魔和铺层数目 第一亭试验 2 - 3 单向拉伸试验 2 3 1 试验过程 拉伸试验在西北工业大学材料力学试验室量程为1 0 0 k n + 1 0 0 k n i n s t r o n 一1 1 9 6 电子拉压试验机上进行。加载方式为位移加载，速度取 o 1 m 删，m i n ，在需要观察裂纹的出现、扩展时，可以在试验前另行设定或在试 验过程中适当减缓加载速度。试验件装夹后如图2 2 所示，由于搭接接头结构 形式为反对称的，载荷作用线没有经过搭接接头的几何中心。同时，陶瓷基复 合材料比较脆，材料在试验过程中较容易被压碎，所以在试验件的两端粘帖长 度相同、厚度不同加强片，既可以保证载荷作用下通过试验件的几何中心，又 可以防止试件被压碎。将试验件表面清理干净后，用标距为2 5 m m 、测量范围 为o 1 2 5 m m 引伸计测量由上、下两搭接板相对运动所产生的应变。 图2 2试验件装夹后 2 3 2 试验结果与分析 本研究对搭接长度分别为1 5 m m ，2 0 m m ，2 3 m m ，3 7 m m ，6 0 m m 接头进行 7 试验。灏2 。3 ，2 4 为揍接长度为1 5m 翔接头失效避程孛秘玻坯爨鳃盈片。匿 2 5 ，2 6 为搭接长度为2 0 m m ，2 3 m m ，3 7 m m ，6 0 m m 接头失效过程中和破坏后 熬灏片。觚图2 3 ，2 4 霹激发瑗搭接长凌为1 5m m 搭接接头发生豹是搭接藩静 开裂而失效，z - p i n s 失效形式为从搭接板中拔出；从图2 5 ，2 6 可以发现搭接 长波为2 0 m m ，2 3 m m ，3 7 m m ，6 0 矾m 接头发生的怒捂按檄豹断裂而失激，搭 接收断裂处为z p i n s 存在处。可以从圈2 7 巾看出这两种失效形式的差异。 图2 3 撙接面的开裂 图2 5 搭接丽的开裂 圈2 。4 拔出的z p i n s 图2 6 裸露的z - p i n s 第节 式骑 口册日肝 搭接长度等予1 5 m m 今口 搭接长度大于1 5 m m 图2 7 搭接长度为1 5 啪m 和不同1 5 m m 搭接接头破坏的示意图 图2 8 为搭接长度分别为2 0 m m ，2 3 m m ，3 7 m m ，6 0 m m 的z p i n s 增强2 _ d 陶瓷基复合榜辩辫缓接头，在攀商载替作孺下的载葡一位移藏线。 口咎州) d = 2 8 粥搬 暂咎t “氍 ， d 强m m 甜停( 舸n ， d 哪7 m m d * 0 m m 剿2 8 搭接长度分别为d 哦o m m ，2 3 m m ，3 7 m m ，6 0 m m 载荷。位移曲线 圈2 9 为搭按长度为1 5 m m 的z _ p i n s 增强2 一d 陶瓷基复合材料搭接接头 在攀囱载棼作用下豹载薅，位移麴线。 0 n 40 _ 8 葑穆( 黼h ) 圈2 ，9 单向袭荷作用下的载荷位移睦线 获图2 8 中可戳发现随着搭援长度的增翻，搭援接头豹碾塥载荷也隧之增 加，产生这种结果的原因可能是在接头试验付楚体长度一定的条件下，搭接长 度越小，圈2 1 0 所示的l 就越大，在试验的条件下，并不能保证如同图2 1 0 所示作用于接头盼载芬不发生德心，l 越大，相同镳角的条佟- f ，在连接蕊处 3 2 ， z 颦舔 所产生的偏心弯愆就越犬，最终导致搭接长度小的接头破帮豹载荷眈较低。 l 潮2 1 0 搭接长度不同澍接头偏心弯短的影蛔示意豳 从图2 8 中迩可以发现2 0 m m ，2 3 m m ，3 7 m m 载德一位移曲线中，载搿变化 出现了小懈的跌落，这种跌落在试验中可以认为为搭接面的起始开袈所引起的， 瑟瑟予搭接长度为6 0 m m 接头没鸯出瑷裁葑敬小幄跌蘑，一个较必舍理熬解释 为搭接面的开裂和搭接板的失效几乎同时发生，所以观察不到载荷跌落。措接 瑟发生舞袋戳磊，载蕊蹬臻枣糕下降，然矮载簿蓬续上秀，说明z 一毋n s 载够起 到一定的抑制裂纹扩展的作用。 再焉黧锾镜麓察搭搂长度夫子2 雠黼搽按接头失效看豹图片，可戳发现裸 露的z - p i n s 基本上没有太大的损伤，而观察其表面，可以发现一些基体已经发 生了剥离，而z 一蹦n s 周嘲的层合板断裂静方衙瀹好魑沿着z p i n s 韵周向，这可 能就是z p i n s 处威力分布所产生的影响。又因为z p i n s 的撼入能够的显薯的增 加复合材料的层间性能，这可以从刘删钧试验 2 5 中找到，试验中证实z p i n s 增强魄瓷熬复合枣葶糕躲艨阕强度为戈弘p l n s 时鼹瓷基复台糖糕熬3 接迩多。由 于刚刚开裂的搭按砸在碰到z p i n s 后，阻止裂纹的扩展，因而层间性能商，所 戳z ，p l n s 增强晦瓷基复会秘睾萼揆接接头静爱瘸破葵援度裹于存在z 巾l n s 搭缓叛 的拉伸性能，导致搭接板在有畿z p i n s 处发生断裂。 搭接长度分剐为2 0 m m ，2 3 m m ，3 7 m m ，6 0 撙m 臻接接头最大破坏载祷分别 为3 2 4 k n ，3 3 3 k n ，4 1 l k n ，4 8 k n 。破坏载荷与搬接长度的之间的关系，如 图2 ，i 3 所示，呈线性关系变纯，对最大载荷( p ) 与搭援长度之间采取简单线 性拟合褥： p = 0 0 3 9 7 4 d + 2 4 7 91 2 犯1 1 图2 1 3 搭接长度与最大载衙 搭接长度为1 5 m m 搭接接头载荷最大值为3 4 9 k n ，最终失效方式为搭接面 豹髓黢，觚载蘅- 诬移曲线上，w 戳发现载荷变纯存在一籀对稳定酌波动酝域， 说明z p i n s 起到了一定的抑制裂纹扩展的作用。形成此区域的原因可能是z p i n s 扶搭接接头拔出j 篷程中，与复合榭糊之间依次产生静摩擦力和滑动摩擦力的作 用，形成揆联。静摩擦力使z 巾i n s 本身发生了形拔的改变，游耗了一部分本应 作用在裂纹尖端的开裂能量；滑动摩擦力使z ，p i n s 与复合材料之间产生相对运 动，0 搴擦力徽受功，再一次瀵糕了馋鲻予裂纹尖璎懿歼裂熊霆。两耱溃糕麓量 的方式共同作用使得载荷变化产生了相对稳定的波动区域。 铁试验褥妥熬疆续长度为| 5 m m ，2 0 m m ，2 3 m l 翦，3 7 m m ，6 0 m m 搭羧接头 破坏载荷中，可以发现搭接长度大的搭接接头并不定比搭接长度短的接头的 连接麓力好，鲡搭续长寝为i 5 m m 接头的最大载荷大于搭接长度为2 0 m m 接头 的最大载 衡，而殷载荷变化具有稳定的波动区域。 搭接长度分别为2 0 m m ，2 3 m m ，3 7 m m ，6 0 m m 的z p i n s 增强2 d 陶瓷基 复合丰孝料搭接接头在单向载蘅作用下，茸先出现搓接恧的超裂鲍霹韪原竣是： ( i ) 无z p i n s 的搭接面的端部，复合材料厚度方向的性能较差，容易发生超裂； ( 2 揍接接头接按瑟豹巍羰存褒明显熬应力集孛，後分屡、起裂燹容易发生。 然后，搭按板从有z - p i n s 的位置断裂可能的原凶为：( 1 ) 搭接长度大时，搭接 覆载强疫恣箍之蹭丈，鞋致丈予搭接投豹酸筇强度；( 2 ) 存在z p i 糙韵饶鬻楚 的成力集中度强度影响较大。 蓐 幸 3 ： e ：(手：蕊蕃 2 3 3 数值分析 为了验证上述搭接面开裂和最后搭接板在z p i n s 存在处断裂失效解释的合 理性。本文采用有限元模拟的方法对搭接长度大于2 0 m m 搭接接头应力分布进 行了数值分析， 2 3 3 1 模型 本文所采用的有限元模型与搭接试验件的几何尺寸相同，加载情形也与实 际试验件加载情况相同。模型中材料属性都取自第三章由试验和预测公式推导 的材料常数。网格的划分如图所示。采用有限元软件a b a q u s 来计算搭接接头 搭接面的应力。图2 9 整体网格的划分( a ) ，放大图为界面层网格的划分( b ) 。 ( a )( b ) 图2 9 网格划分( a ) 整体网格( b ) 细化的界面层 2 3 3 2 数值分析结果 图2 1 0 为加载后搭接接头应力图，从图中可以看出在搭接接头连接面两端 应力区显现为红色，这表明此区域应力水平比其他区域的应力水平要高得多， 搭接面的两端部更容易发生损伤和分层。 ( a ) 图2 1 0搭接接头虚力罔分布 ( b ) 图2 ，1 l 为沿措接面正应力和剪应力的分布，从藏应力分布和切应力分布曲 线审，霹蔽发瑗簌疆接繇靛两漆部，不论跫藏痘力还是葜威力都麓予捂缓面菲 端部的正威力和剪应力。这是对搭接长度不蒯的搭接接头都会发生搭接面开裂 静一秭很好麓解释。 曲b r c e 们计日 ( a ) 裂离正应宠 ( b ) 剪痰力 翔2 1 l 瀣搓接蕊剥舞芷廒太弱剪瘟力分毒 蕊对于搓接板会在嚣p i n s 处发生颤裂，我们可以从会z p i 璐处瓣分襁褥到 解释。图2 1 2 为z p i n s 的应力分布，从图中可以看出z - p i n s 处的成力集中现象 也魄较严黧，层含叛缀容萎在这里发生灾效。 2 4 本章小节 圈2 ，1 2z - p n s 憝应力分布 通过试验帮有限元绪合的方法，刑不同搭接长发的z - p n s 增强陶瓷基复合 材料搭接接头在单向载旖下连接性能的研究发现： ( 1 ) 搭按长度大于2 0 m m 搭接接头以搭接板断裂为最终的失效形式；搭接长 度等于1 5 m l n 摧接接头以搓接睡的膜胶为最终的失效形式；当搭接长发大子 2 0 m m 时，接头的连接强度高于被连接板材。 ( 2 ) z # l 拄s 增强2 - d 晦瓷基复台孛辛孝善搭接接头在攀囱载赫痒鬻一f 弱载蓊一整 移曲线中，裁荷变化存在一相对稳定的波动区域。此区域是由z p i n s 与复合材 赣之阕形成辑联，潴耗了凝分本瘫作稿予开裂失臻熬麓量焉形藏静。说羁z - p i n s 具有一定的改善搭接接头连接性能的能力。 ( 3 ) 对搭族长瘫大子2 黼髓搭接接头的失效破骣遴 亍数穰分析，证明了主述 解释的正确性。 第三章z p i n s 增强陶瓷基复合材料弹性常数的预测 3 1 引言 刘 觜2 5 】在z - p i n s 增强2 一d 陶瓷基复合材料拉伸、剪切和压缩方面作了大 量的研究，通过试验测定得到z p i n s 增强2 一d 陶瓷基复合材料的拉伸模量。但 是，通过试验测定z - p i n s 增强陶瓷基复合材料材料性能，不仅消耗大量的成本， 而且也在一定程度上限制了材料的使用周期，在有限元模拟中，材料弹性常数 是不可缺少的一部分。所以本文按照平均化的方法，在假定理想基体、纤维条 件下，根据文献所给的纤维束和基体的弹性常数，预测出含z 。p i n s 的陶瓷基复 合材料的材料弹性常数。本文所采用的方法借鉴了三维编织复合材料材料弹性 常数预测的原理，同时考虑陶瓷摹复合利料所具有的特点。 3 2 单纤维束( 包含基体) 材料属性的测定 按照平均化的方法，单纤维束的搜量是由纤维的和基体的模量，及其各自 所占的体分比决定。本文采用以下的公式来计算单纤维束的模量， 驺鹎心_ 翌2 2 赫 红铋麓。如2 拣 22 扩d 32 乃l ，一2 + 咒扩2 2 乃。t ，止3 + 7 z p 棚 上式中纤维和基体的模量可以从文献查得 袭l 纤维和纂体材料弹性常数 最，瓯，瓴，= l ，2 ，3 ) 为分剐扬菠模量，势甥模量，演捡毙，下标l ，2 ，3 搴垂淘， 横向，平面外方向。 萃纤缳索串簇俸襄纾维俸辍含量熬测定，羧照溪慧情况下终缎束与纾缳柬 之间紧密相连，基体按照填满纤维束与纤维柬之间的孔隙柬计算。 n ；篓二三( 3 2 ) 毛= l r = l 一硝4 ( 3 3 ) 其孛巧霹艺分别代表纾维稿基俸鳃体积窘量魄，f 魏零彝终维泰懿塞弪e 经蓬 计算得到单向纤维束的材料属性为： 表2 单向纤维束的材料属性 墨，嚷，? = l ，2 渤为分别扬氏模量，剪甥模量，泊松鞋二，下标l ，2 ，3 轴向，横向，平面外方向。 图3 1单向纤维束中纤维和基体分布理想化模型 第三章z - p i n s 增仃 1 瓷坫复台”利弹肚常敏的而删 3 3z p i n s 增强陶瓷基复合材料弹性常数的预测 1 基本假设 在模型建立之前，做如下几点假设：( 1 ) 编织经纱、纬线的横截面均为椭 圆形短轴为h 2 2 ，长轴为a ，植入的z - p i n s 的横截面为圆形，直径为d ，z - p i n s 的植入并没有使经纱和纬纱产生弯曲和断裂；( 2 ) z - p i n s 在复合材料中分布均 匀；( 3 ) 经纱和纬纱的弯曲形状，模拟真实的纤维几何结构。 2 单胞几何模型 本文所选用的代表体积单元如图所示 6 儿 粪戮 r 、n 鋈 l 钐缎 黝 ( a ) 俯 ! ! l i 图 z - p i n s r 爱 。 ，。，j 。，? 、 谚： 籽芝! ： - r 1 _ r目 7 ， x 图3 2 代表体积单元的俯视图和侧视图 单胞中经纱和纬纱的弯曲形状由h ( x ) ，h 2 ( x ) 定义，模拟真实的纤维弯曲的 几何结构，假定h l ( x ) ，h 2 ( x ) 的表达式为： a 。扛，= ；c t + s 如 等 弘z 栖s x sz a + 窖， a ，取) 。一言s “i 销舒( o s x s “或一+ gs z s ：a + 占) 3 _ 4 经囱纤维在单煦模型中的长度为： s = r 厢= 2 了j 1 + ( 警舳旺s ， ：! ! ! ! ! 苎l ： ! c o s f ! ! 二堡= 曼! 1 2 苎) f ( 3 6 )十cosi二=j疗fl ，o ， f 辞 i + 辱占，0 群+ g 终维寒熙截瑟尺寸为 踟n ( 蝴肛一净扣堡专警m 胁( 3 f ” 886 纤维束的体积为 矿：2 “融瓜型) z 出 8 ) 吩川h ( 警胁 ( 3 舟 d x 微段内纤维的扭转角为 拶：a r c 乜n ( 堕熊) ( 3 9 ) 斛为所选单胞中，经纱和纬纱酆是具蠢弯藏形状，也就是说单煦中嫂个侧瑟 经纱和纬纱具有楣周的尺寸几何结构靼弯曲的角度，只是局部坐标系楣对整体 举栋系的角摩不同。 3 弹性性能推导分析 复合材料代表体积单元为周期排列而成，将各单胞中不同的纤维柬的弹性 张量扶各自的局部坐标系转换到照体复合材科坐标系下，再对其进行加权平均， 可得到复合乖于科的等效降往往能。 计算复台材料弹往常数，其基本过程可分为：( 1 ) 计算单向纤绔柬沿轴向 的弹经常数；( 2 ) 计算黛标转换矩阵；( 3 ) 计算各个单胞中单向纤维柬扛魏俸 坐栋系下静臻辘簿敲剐度矩降；( 4 ) 计算编绥物整俸翡剐艘矩阵；( 5 ) 计算整 体复合挂料的嚣度矩阵；( 6 ) 出复合榜糕秘笈矩簿诗算复禽兹辩翡弹髋常数。 装终维裘走横现各自阑