GBT 47609-2026 连续纤维增强陶瓷基复合材料 高温面内剪切强度试验方法标准立项发展报告

连续纤维增强陶瓷基复合材料高温面内剪切强度试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:TestMethodforIn-PlaneShearStrengthofContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixCompositesatHighTemperature摘要连续纤维增强陶瓷基复合材料（CMC）具有低密度、耐高温、抗氧化及优异的高温力学性能，是航空航天热端部件、核能系统及高性能刹车制动等领域不可替代的关键结构材料。随着该材料在更高温度服役环境中的推广应用，其在高温状态下的面内剪切性能成为结构设计与寿命评估的重要控制指标，然而国内外长期缺乏统一规范的高温面内剪切强度试验方法标准。本报告系统分析了GB/T47609-2026《连续纤维增强陶瓷基复合材料高温面内剪切强度试验方法》的立项背景、技术路线与核心内容，阐述了该标准所采用的试验原理、试样型式与尺寸、加载速率、高温环境控制、数据处理及有效性判定等技术要素。报告指出，该标准参考ISO20505等国际先进方法，结合国产材料体系特征完成了本土化试验验证，填补了我国在该领域的方法标准空白，对于推动陶瓷基复合材料在航空发动机和空天飞行器中的工程应用、支撑材料性能数据库建设及促进军民融合标准化发展具有重要意义。标准由全国工业陶瓷标准化技术委员会组织起草，将于2026年12月1日起正式实施。关键词：陶瓷基复合材料；面内剪切强度；高温力学性能；试验方法；标准制定；Osborne试样；复合材料表征Keywords:CeramicMatrixComposites(CMC);In-PlaneShearStrength;High-TemperatureMechanicalProperties;TestMethod;Standardization;OsborneSpecimen;CompositeCharacterization1引言连续纤维增强陶瓷基复合材料（ContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixComposites，简称CMC）是以碳化硅（SiC）、氧化铝（Al₂O₃）、碳（C）等高性能纤维为增强体，以相应陶瓷材料为基体，通过化学气相渗透（CVI）、聚合物浸渍裂解（PIP）、熔融渗硅（MI）及热压烧结等工艺制备而成的一类先进复合材料。该类材料在保留陶瓷基体优异耐温性能的同时，通过纤维桥接、纤维拔出、裂纹偏转等多种增韧机制克服了单体陶瓷的脆性断裂缺陷，展现出类似金属的"假塑性"断裂行为[1]，由此成为1600℃以上氧化性气氛中少数可长期服役的结构材料之一。二十余年来，CMC已在航空发动机涡轮外环、燃烧室火焰筒、尾喷管调节片、导弹天线罩及热结构部件中取得了显著的减重增效成果。以GE公司为例，其LEAP系列发动机热端部件中CMC零件的累计飞行时数已突破数百万小时[2]。与此同时，我国在连续SiC纤维产业化、CMC构件制备及考核验证方面亦取得了长足进展。随着材料体系日趋成熟，工程界对其高温多轴载荷下的力学行为表征提出了更高要求，其中面内剪切性能作为连接宏细观模型与结构强度分析的核心输入参数，亟需通过规范化的试验方法加以准确获取。然而，在高温环境下，试样夹持方式、应变测量手段、加热均匀性及环境影响等诸多因素均显著增加了剪切试验的技术难度，使得国内外长期缺乏统一且被广泛认可的高温面内剪切试验方法标准[3]。已有的ASTMC1292等标准主要针对常温或较低温度环境[4]；航空工业内的部分专用规范则因保密和定制性强，难以在民口及通用领域直接推广应用。此种标准供给缺位状态制约了CMC材料性能数据的横向对比与共享，也影响了设计许用值的确定与结构验证的效率。鉴于此，本标准（GB/T47609-2026）的制定工作具有重要意义。该标准由国家标准化管理委员会下达计划，由全国工业陶瓷标准化技术委员会（SAC/TC194）归口管理，多家优势单位联合起草编制，旨在确立一套科学、可操作、结果可复现的连续纤维增强陶瓷基复合材料高温面内剪切强度试验方法。2编制背景与意义2.1CMC材料应用及其剪切性能设计需求连续纤维增强陶瓷基复合材料在航空发动机、空天飞行器热防护系统、核能结构部件以及先进制动系统等关键领域展现出了极为广阔的应用前景。在这些应用场景中，材料往往承受复杂的热-力耦合载荷。以航空发动机涡轮叶片与燃烧室衬套为例，除承受燃气的法向压力外，还受到由于温度梯度引发的热应力，其引起的层间剪切和面内剪切应力往往是导致结构分层失效的关键因素之一[5]。对于CMC在结构完整性评估中，面内剪切强度是复合材料失效准则中不可或缺的强度参数，直接决定了结构的承载裕度和安全系数。然而，陶瓷基复合材料的剪切性能不同于金属材料，其不仅取决于基体与增强纤维各自性能，还高度依赖于纤维/基体界面性能、孔隙率及编织结构等细观特征。因此，面内剪切强度无法仅由组分性能的理论预测准确获得，唯有通过标准化试验方法加以直接测量[6]。2.2国际标准现状与国内标准缺失国际上，ISO于2017年前后发布了ISO20505:2017*Fineceramics(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)—Testmethodforin-planeshearstrengthofcontinuousfiberreinforcedceramicmatrixcompositesatelevatedtemperature*[7]。该标准基于Osborne单边缺口剪切试样方法，对高温面内剪切强度的试验原理、试样要求、试验步骤及结果计算给出了详细规定。美国ASTM发布了C1292（常温）及C1425（常温/高温）等标准，日本工业标准调查会亦制定了相应准则。总体而言，国外标准化组织在高温剪切性能测试领域的标准体系相对完善。在国内，尽管GB/T34520等系列标准对CMC部分力学性能（如拉伸、弯曲）测试方法进行了规范，但在面内剪切方面，尤其是高温面内剪切强度的试验方法层面，尚未制定出相应的国家标准，导致各研究机构、生产企业及第三方检测实验室在高温剪切试验操作中各自为政，测试设备要求、试样构型、加载速率不统一，所获数据可比性与互认性不足，制约了CMC材料国产化进程和推广应用的步伐。2.3高温面内剪切试验的技术挑战相较于常温面内剪切试验，高温条件下的面内剪切测试在技术上呈现出多重难点：第一，高温环境下常规电阻应变片无法直接工作，引伸计接触式测量在高温下也存在导热、氧化和滑移等问题，变形测量难度极大[8]；第二，高温夹具材料需兼具足够的高温强度、抗氧化性与抗蠕变性能，且在使用中须考虑热膨胀系数匹配以防止试样在加持端受附加应力；第三，高温炉内的均温区尺寸必须能完全覆盖试样测试段，且温度梯度需要控制在标准允许的范围内；第四，高温下材料性能的离散性增大，对试验结果的统计处理提出了更高要求，需要明确有效数据判定规则与样本数量。3标准主要内容3.1范围本标准规定了连续纤维增强陶瓷基复合材料在高温环境下进行面内剪切强度试验的术语和定义、试验原理、试验设备、试样制备、试验步骤、结果计算与数据处理及试验报告等内容。本标准适用于单向、双向或多向铺层的连续纤维增强陶瓷基复合材料（包括C/SiC、SiC/SiC、Al₂O₃/Al₂O₃、C/C等材料体系）在惰性气氛或空气中高温面内剪切强度的测定。所适用的温度范围通常为室温以上至1600℃（具体取决于材料体系的耐温极限及试验设备的能力）。对于密度较低或各向异性显著的材料体系，用户可根据实际工程需求参照执行并注明条件限制。3.2规范性引用文件本标准在技术内容上规范性引用了以下重要文件：-GB/T6569精细陶瓷弯曲强度试验方法（对弯曲加载及试样加工的基本要求）-GB/T33501碳化硅陶瓷复合材料词汇（对术语体系的统一规定）-ISO20505:2017精细陶瓷（先进陶瓷、先进技术陶瓷）——连续纤维增强陶瓷基复合材料在高温下的面内剪切强度试验方法（对本标准技术路线的基础性参考）-ISO3611几何产品技术规范（关于尺寸测量的相关要求）-GB/T8170数值修约规则与极限数值的表示和判定（对数据修约的统一原则）-JJG141工作用贵金属热电偶检定规程（对温度测量系统的校准和溯源要求）3.3术语和定义本标准界定和完善了以下关键技术术语：-面内剪切强度（In-planeshearstrength）：在平行于材料铺层平面的剪切载荷作用下，试样发生剪切破坏时的最大剪应力值，以兆帕（MPa）表示。本标准所定义的剪切强度基于试样剪切面上平均剪应力的概念。-试验温度（Testtemperature）：在试验过程中试样标距段中部所达到并保持的规定温度。-剪切面（Shearplane）：试样中承受面内剪切载荷的特定截面区域。-有效试样（Validspecimen）：符合本标准尺寸要求且断裂模式满足有效性判定准则的试样。3.4试验原理本标准采用基于Osborne试样构型的试验方法，该方法的基本原理是：在平板矩形试样中部沿宽度方向对称加工一个贯穿厚度的V形或U形槽口（双边缺口），从而在试样中形成一窄条的待测剪切面。试验时，将试样两端夹持于高温试验机的夹具中，沿试样长度方向施加拉伸载荷。由于槽口的应力集中效应，载荷在缺口之间窄条区域形成了近似纯剪切的应力状态。通过记录试样断裂时的最大载荷F_max，根据剪切面的尺寸计算面内剪切强度τ_ult，即：$$\tau_{ult}=\frac{F_{max}}{A_s}$$式中：F_max为试验中记录的峰值拉伸载荷（该载荷通过载荷传感器实时采集，并通过数据采集系统记录完整的载荷-位移曲线），单位为牛顿（N）；A_s为试样有效剪切面积（即两缺口之间剩余宽度与试样厚度的乘积，采用游标卡尺精确测量至0.01mm），单位为平方毫米（mm²）。面内剪切强度的最终计算结果以三位有效数字表示。该方法的优点在于采用拉伸加载方式简化了高温环境下的加载装置设计，避免了压缩加载可能引发的试样屈曲失稳及端部压溃问题。同时，Osborne试样形式对试样的加工要求适中，可在常规平板毛坯上通过数控加工实现。3.5试验设备试验机：推荐采用电子式或电液伺服式万能试验机，其载荷量程应满足试样预估破坏载荷的范围要求，通常选取最大量程的10%~90%区间内进行测试。试验机载荷示值误差应不超过±1%。加载系统须具备平稳的速度控制能力，能够在高温环境下保持恒定的加载速率。高温环境系统：可采用电阻加热炉、感应加热装置或红外辐射加热装置。高温炉在试样标距区域须形成足够的均温区（一般要求长度不小于试样标距的1.5倍），试样剪切面区域的温度梯度应控制在不大于±10℃的范围内（在1000℃以下）或±15℃范围内（在1000℃及以上）。炉内气氛可为空气气氛或惰性保护气氛（氩气、氮气或氦气），对于易氧化的材料体系推荐在惰性气氛下进行测试。高温夹具：夹具材料推荐采用高温合金、钼合金或碳/碳复合材料等，须保证在最高试验温度下具备足够的强度与刚度。上下夹具的同轴度偏差应控制在试样标距的1%以内。对于需采用销钉连接的夹具结构，销钉与销孔的配合间隙不宜过大，以避免加载过程中的附加弯矩。温度测量系统：采用热电偶直接接触试样表面或采用红外辐射温度计进行非接触测温。标准规定在正式试验前应使用捆绑于试样表面的校准热电偶对炉温设定值与试样实际温度之间的关系进行标定。3.6试样标准对试样的型式与尺寸进行了精确规定。试样为矩形平板构型，其推荐尺寸为：总长度不小于100mm（可根据试验机夹具间距适当调整），宽度W为10mm±0.1mm，厚度T为3mm~6mm（具体根据材料厚度与纤维编织结构确定，对于2D编织材料建议保持试样厚度不小于单层厚度的2倍）。试样中部两侧对称加工V形缺口，缺口角度为90°±2°，缺口根部圆弧半径不超过0.2mm，两侧缺口之间的剩余宽度b为4mm±0.05mm。左右两缺口尖端连线应垂直于试样长度方向，偏差不超过0.1mm。试样的制备须特别注意：表面加工应避免引入微裂纹和分层损伤，推荐采用金刚石磨削或超声加工方式。从平板毛坯上切取试样时应确保其长度方向与主纤维方向平行，偏差不大于1°。缺口的加工精度直接影响应力分布和试验结果的有效性，因此对加工工艺提出了严格的公差要求。试样数量要求为每组有效试样不少于5个。对于材料批次均匀性考察，建议增加至8~10个试样以进行统计分析。3.7试验步骤标准对试验步骤进行了程序化规范：(1)试样测量与检查：使用精度不低于0.01mm的测量工具测量试样宽度、厚度及缺口间剩余宽度等关键尺寸，每个尺寸至少在两个位置进行测量取平均值。对试样进行外观检查，记录表面缺陷和加工损伤情况；如使用数字图像相关（DIC）等技术辅助测量变形，则需在试样表面制备散斑图案。(2)试样安装与对中：将试样安装于高温夹具中，采用适当方式（如销钉或楔形夹头）固定试样两端。手动预加载至预估断裂载荷的2%~5%，检查载荷-位移曲线是否光滑且无异常偏移，确认试样在夹具中就位良好且无偏载。(3)升温与保温：以不超过20℃/min的速率升温至设定试验温度。达到设定温度后保温10~15分钟（对于厚度大于5mm的试样或热导率较低的材料，保温时间应适当延长至20分钟以上），确保试样内部温度均匀。(4)加载与数据采集：以恒定的加载速率（或位移速率）施加拉伸载荷。加载速率的选择应确保试样在1~3分钟内发生断裂，推荐采用位移控制方式，速率范围为0.2~1.0mm/min（或等价的应力速率）。同时以不低于10Hz的采样频率连续记录载荷、位移及温度数据。(5)记录与终止：记录最大载荷值、断裂模式以及试验温度的实际波动范围。在确认载荷已从峰值下降至少30%或试样完全分离后终止试验。对每个试样拍摄断口照片，详细记录断裂面位置和剪切破坏特征。3.8结果计算与数据处理面内剪切强度按下式计算至三位有效数字：$$\tau=\frac{F_{\max}}{b\cdott}$$其中：F_max为峰值载荷，N；b为两缺口间最小剩余宽度，mm；t为试样在剪切面处的实测厚度，mm。标准中效据处理的要点为：每组有效试样的平均剪切强度采用算术平均值；计算标准差与离散系数，对于离散系数超过10%的情况需检查原因并在报告中注明；对异常值可采用Grubbs检验法进行判别处理，剔除的异常值数量不得超过总数的20%。试样的断裂模式检验是有效性判定的关键环节。标准中规定，试样只有满足以下条件方可认定为有效试验结果：断裂面应位于两缺口根部连线附近区域，断裂面上可观察到典型的剪切破坏形貌特征（如纤维拔出和基体碎裂共存），且断裂面的位置偏离两缺口连线不超过1mm。3.9试验报告此外，标准还规定在试验报告中，对于厚度方向尺寸较小或在高应力下呈现非线性变形的试样应予以明确标注，以提示设计人员加以注意。4预期效益分析4.1促进产业技术升级与标准互认在标准实施之后，将改变当前常用常温数据外推高温性能的近似做法，在CMC产品的设计、制造与质量控制环节提供统一、可靠的高温面内剪切强度的试验技术支撑，实现材料在不同研制阶段