室温下连续纤维陶瓷基复合材料拉伸强度试验方法

图10-7 纤维陶瓷基复合材 料应力-应变曲线示意图 料应力 应变曲线示意图
2）断裂韧性 纤维拔出与裂纹偏转 是复合材料韧性提高的主 要机制。纤维含量增加， 要机制。纤维含量增加， 阻止裂纹扩展的势垒增加， 阻止裂纹扩展的势垒增加， 断裂韧性增加。 断裂韧性增加。但当纤维 含量超过一定量时， 含量超过一定量时，纤维 局部分布不均， 局部分布不均，相对密度 降低，气孔率增加， 降低，气孔率增加，其抗 弯强度反而降低（ 10弯强度反而降低（图108）。
图10-8 CF/ LAS的断裂韧性和弯 的断裂韧性和弯 曲强度随纤维含量的变化
2、高温力学性能 强度、 1）强度、韧性
两图分别为不同温度下SiC 两图分别为不同温度下SiCF/ MAS(MgO.AL２O３.SiO２ )复合材料的力学 性能变化。室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10 10倍 性能变化。室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模量 提高约2 复合材料的抗弯强度至700℃保持不变， 700℃保持不变 提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然后强度随温度升高 而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃ 137GPa降到850℃的 而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。 GPa。这一变化与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
图10-6 FCVI法制备纤维 法制备纤维 陶瓷基复合材料示意图
FCVI的传质过程是通过对流来实现。 FCVI的传质过程是通过对流来实现。可用来制备厚壁部 的传质过程是通过对流来实现 件。但不适于制作形状复杂的部件。 但不适于制作形状复杂的部件。 此外,在FCVI过程中，基体沉积是在一个温度范围内， 此外, FCVI过程中，基体沉积是在一个温度范围内， 过程中 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存， 必然会导致基体中不同晶体结构的物质共存，从而产生内应 力并影响材料的热稳定性。 力并影响材料的热稳定性。

4、试验环境 试验发现： 单向玻璃纤维增强复合材料的应力－应变曲线在材料破坏前是线性的； 正交增强的、非编织的玻璃纤维复合材料和玻璃布材料的应力－应变关系曲线是 由两条或多条斜率不同的直线组成。 折点存在原因：
Stress
Strain
1、材料的局部破坏为主要原因；
2、设备的不完善；
Y
X Z
关于泊松比
问题与难点：
－在拉伸条件下，纤维聚合物复合材料的泊松比并非不变值，而是随着载荷的增 加而减小，有时会出现负的泊松比。 －分析其主要原因：泊松比的符号取决于增强纤维的铺设方向和顺序，反映在边 缘效应上。因此，对增强纤维的横向相对应变进行测量时困难；
解决办法：
－取厚与宽相同的承均质叠层的试样上测定泊松比，且由单向材料的试样测量， 并加载水平给予说明。
根据试验的目的不同 选择不同形状、尺寸的 试件。 要测定弹性常数该选 哪一种呢？
强度呢？
板样试件的加载
各向异性杆的变形特征 －对于各向异性材料，受轴向拉伸的杆不仅沿加载方向延伸，沿横向收 缩，而且在所有平行于坐标平面的面上受剪。与各向同性材料相反。
－在约束变形条件下，出 拉伸应力外，还产生弯曲 力和剪切力，从而导致变 形不均匀。 －此时，弯曲和剪切的影 响不仅取决于被测试材料 的弹性常数，而且取决于 试样的长宽比。
lL : 试样在基长lT 上的纵向变形；
i i 式中： lL / lL L和－lT / lT T 可直接用电阻应变片测量；
破坏模式
－纤维聚合物的破坏模式主要是由于增强叠层形式、各组分的材料的力学 性能及组分间的作用，工艺缺陷（空隙、纤维波纹度等）、以及试样尺寸 所决定。
几种破坏模式：
然而，当 时，试件破坏的层间剪应力 可能超过材料 的极限值。由于弯曲的结果，内层受载，而外层载荷不足。

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3、化学气相浸渗法 (Chemical Vapor Infiltration，简称CVI法）
定义：
反应物以气体的形式渗入到纤维预制体的内部并发
生化学反应，形成陶瓷固体沉积在预制体表面，使预
制体逐渐致密形成陶瓷基复合材料的一种工艺。
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CVI的突出优点是：
能在较低温度进行高温材料的制备，SiC陶瓷的烧结温度通常 高达2000℃以上，而采用CVI法则能在900－1100℃的温度下 制备出高纯度的SiC陶瓷：
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CVI法制备的Cf/SiC陶瓷基复合材料的显微结构
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4、反应性熔体浸渗法 (Reactive Melt Infiltration，简称RMI法)
在采用RMI法制备SiC陶瓷基复合材料过程中， 将Si熔化后，在毛细管力的作用下Si熔体渗入到以 多孔C/C材料内部，并同时与基体碳发生化学反应 生成SiC陶瓷基体。
SiC变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体
结构，一种是-SiC，属六方晶系；一种是-SiC，属
立方晶系，具有半导体特性。
SiC具有很高的热传导能力，较好的热稳定性、耐 磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。
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4、玻璃陶瓷（glass-ceramics）
某些玻璃经热处理后可以晶化形成大量的微晶体。这种含
抗弯强度MPa
弹性模量Gpa 断裂韧性K1C，MPam1/2
473±30
247±16 3.7±0.7
454±42
188±18 15.6±1.2
热膨胀系数
(室温-1000℃)10-3/℃
4.62
2.51
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（3）纤维/碳化硅陶瓷基复合材料 SiC基CMC的密度2～2.5g/cm3，仅为高温合金和铌

2 引用文件
2.1 ASTM标准 D 3039/D 3039M
聚合物基复合材料拉伸性能试验方法2 Test Method for Tensile Properties of Polymer Materials
1 本试验方法由ASTM D 30复合材料委员会审定，并由单层和层压试验方法分委员会D30.04直接负责。 当前版本于1996年10月6日批准，1996年12月出版，最初版本为 D3352-77，上一版本为D 3352-96(02)。
2 ASTM标准年鉴, E4 E8 E 83 E 177
E 220
E 251
E 456 E 1012
与复合材料有关的术语2
Terminology for Composite Materials 试验机力标定操作规程3
Practices for Force Verification of Testing Machines 金属材料拉伸试验方法3
5 意义与用途
5.1 制定本试验方法是为了得到用于材料标准，研究与开发，质量保证以及结构设计和分 析的拉伸性能数据。影响拉伸响应并应在报告中给出的因素包括：材料、材料制备和铺贴 方法、试件铺层顺序、试件制备、试件状态调节、试验环境、试件对中和夹持、试验速度、 在某一温度下的时间和增强体体积百分数。从本试验方法可获得试验方向的性能包括： 5.1.1 极限拉伸强度； 5.1.2 极限拉伸应变； 5.1.3 拉伸弹性模量； 5.1.4 泊松比。
Practices for Use of the terms Precision and Bias in ASTM Test Methods 用比较技术标定热电偶的试验方法5
Test Method for calibration of Thermocouples by Comparison Techniques 金属胶接电阻应变计工作特性试验方法3