纤维增强氧化硅气凝胶复合材料力学性能试验研究_米春虎

1、 2.2.1 试验结果 图 8 为纤维增强氧化硅气凝胶在不同温度下保 温一小时后尺寸的变化。可以看出，历经高温后， 材料 X 和 Y 方向尺寸变化不大，而在 Z 方向收缩 较大，其中 900时，Z 方向的收缩达到了 10.8%。 0 -2 (L-L0/L0 / (mm/mm -4 -6 -8 -10 200 400 600 Temperature t / C o 向取样材料的压缩性能参数。 从压缩模量 Ec 和压缩 极限强度 u 变化趋势来看，随温度的升高，压缩模 量 Ec 越来越大，压缩极限强度 u 也越来越高。说 明温度的升高使材料有“变硬”的趋势。而从极限应 变 u 的变化趋势来看， 室

2、温、 300及 600的数值 彼此接近，900材料的极限应变明显高于其它温 度。 表 5 不同试验温度下体积分数为 7%的陶瓷纤维增强 氧化硅气凝胶复合材料压缩性能参数 X direction Y direction Z direction Table 5 Compressive properties of ceramic fiber reinforced silica aerogel composites with fiber volume fraction of 7% under different temperature Temperature t/ 800 1000 25 93.24

3、0.63 0.0074 300 140.08 0.77 0.0071 600 186.97 1.04 0.0074 900 259.73 1.70 0.0089 Ec / MPa u / MPa u / (mm/mm 图 8 不同温度下体积分数为 7%的 陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶复合材料试样尺寸变化 Fig. 8 Specimen of ceramic fiber reinforced silica aerogel composites with fiber volume fraction of 7% dimension change under different temperature 2

4、.2.2 变形和破坏的微观机理分析 图 10 为纤维增强氧化硅气凝胶复合材料室温 下铺层面内的微观结构图。可以看出陶瓷纤维在铺 层面内杂乱铺放，从而使得材料在铺层面方向性能 接近。 图 9 为纤维增强氧化硅气凝胶 Y 方向取样材料 在室温，300，600以及 900温度条件下的压 缩应力-应变曲线。可以看出，高温下的各条曲线与 室温下变化规律一致，而应力水平随着温度升高而 提高， 且随着应变的逐渐增大， 这种差别越趋明显。 2.0 1.8 1.6 Compressive stress s / MPa 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.000 0.004 0.0

5、08 0.012 0.016 0.020 0.024 RT 300 600 900 图 10 体积分数为 7%的陶瓷纤维增强 氧化硅气凝胶复合材料面内方向微观结构 Fig. 10 In-plane microstructure of ceramic fiber reinforced silica aerogel composites with fiber volume fraction of 7% Compressive strain e / (mm/mm 图 9 不同试验温度下体积分数为 7%的陶瓷纤维增强 氧化硅气凝胶复合材料的压缩应力-应变曲线 Fig. 9 Compressive st

6、ress-strain curve of ceramic fiber reinforced silica aerogel composites with fiber volume fraction of 7% under different temperature 表 5 为纤维增强氧化硅气凝胶不同温度下 Y 方 图 11 为纤维增强氧化硅气凝胶 Y 方向试样在 不同温度下保温 1 小时后材料基体的微观图像。从 图中可以看出，高温条件下，基体颗粒熔融聚团， 体积相比室温有所增大。 这种现象在 600和 900 时更为明显。 Fig. 11 (a room temperature Fig. 11

7、 (b 300 Fig. 11 (c 600 Fig. 11 (d 900 图 11 不同温度下基体的微观结构 Fig. 11 Microstructure of aerogel matrix under different temperature Jean Phalippou 14给出了如图12所示的气凝胶 烧结模型。他指出，气凝胶结构是由SiO2单体颗粒 搭建而成，这些单体颗粒相互联接成簇，簇聚集成 气凝胶网络骨架。在粘性流动的作用下，气凝胶发 生高温烧结。烧结时，自SiO2簇内最细的分支向密 度最高的地方发生物质迁移， SiO2单体颗粒曲率半 径增大，颗粒体积增大，颗粒间孔隙减小，相应的

8、， SiO2簇体积收缩并团聚，簇间孔隙减小。 图 12 气凝胶烧结物质流动模型14 Fig. 12 Schematic model of aerogel showing the solid transport induced by sintering 面内方向起到“骨架”作用， 维持面内方向尺寸不变， 而因为在厚度方向布置的纤维较少，材料随着基体 的收缩而发生宏观体积收缩，而且随着温度的不 同，基体烧结程度不同，材料沿厚度方向的收缩程 度也不同。 高温条件下进行的复合材料压缩试验，纤维增 强氧化硅气凝胶的基体同样会在不同温度下发生 不同程度的烧结。SiO2 颗粒熔融使得气凝胶密度升 高，由气凝

9、胶的标度定律 15： E(=3.23.8， 复合材料气凝胶基体得以强化，且随温度变化，烧 结程度不同，基体强化程度也不同。另一方面，气 凝胶在纤维铺层面内密实化，使纤维增强氧化硅气 凝胶复合材料基体和纤维间连接更为牢固，在压缩 载荷作用下，基体与纤维间的解离就需要更多能 量，因此提高了复合材料的强度。 3 结 论 在单独热处理情况下，纤维增强氧化硅气凝胶 复合材料中气凝胶基体随温度不同发生不同程度 的烧结，基体内发生如上所述变化。同时，根据显 微观察，高温条件下纤维的微观结构未发现明显变 化，其性能受温度变化影响极小，可以在复合材料 通过陶瓷纤维增强气凝胶复合材料拉伸、压缩 和剪切等基础力学性

10、能试验，考虑温度对材料力学 性能的影响，可得出如下结论： (1 陶瓷纤维增强气凝胶面内方向的力学性能 接近，厚度方向则表现出较大差异，在工程应用中 可简化为横观各向同性材料进行分析； (2 陶瓷纤维增强气凝胶具有拉压不同的特 性：X、Y、Z 方向拉伸模量与压缩模量之比分别为 1.60, 1.83, 0.56, 在其应用上应考虑其材料的非线 性； (3 高温下陶瓷纤维增强气凝胶变形具有方向 性：X、Y 方向尺寸随温度变化不大，Z 方向尺寸 收缩且温度越高收缩越明显，900下保温 1 小时 后其最大收缩达到 10.8%； (4 高温下陶瓷纤维增强气凝胶 Y 方向压缩， 材料有“变硬”的趋势，即弹性

11、模量和压缩极限强度 随温度升高而相应提高。 参考文献 1 Kistler S S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies J. Nature, 1931, 127:741. 2 邓忠生 , 王珏 , 陈玲燕 . 气凝胶应用研究进展 J. 材料导报, 1999, 13(6:47-49. Deng Zhongsheng, Wang Jue, Chen Lingyan. The Development of Aerogel Applications J. Materials Review, 1999, 13(6:47-49. 3 秦国彤 , 门薇薇 , 魏微

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