一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復(fù)合材料力學(xué)性能測試試件，具體涉及一種可用于單向陶瓷基復(fù)合材料拉伸、壓縮和剪切實驗的平板試件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫和低密度等優(yōu)點，在國防、能源和裝備制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。力學(xué)性能的獲取是其應(yīng)用的前提，而拉伸和壓縮實驗是測試材料力學(xué)性能最基本和最主要的手段。
[0003]在陶瓷基復(fù)合材料拉壓和剪切實驗中，試件設(shè)計尤為重要。如果試件設(shè)計不當(dāng)，會導(dǎo)致試件標(biāo)距段受力不均勻或試件在夾持段和過渡段破壞，無法得到有效數(shù)據(jù)。由于陶瓷基復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料，國內(nèi)外還沒有形成相關(guān)的力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)，也未見公開的發(fā)明專利。目前陶瓷基復(fù)合材料拉壓和剪切實驗主要借鑒其他材料的測試標(biāo)準(zhǔn)，試件的形狀主要有圖1所示的長條狀(梅輝等，2維C/SiC復(fù)合材料的拉伸損傷演變過程和微觀結(jié)構(gòu)特征.硅酸鹽學(xué)報，2007.35(2):第137-143頁.)、圖2所示的狗骨狀(李潘等，2D-SiC/SiC復(fù)合材料拉伸加卸載行為研宄.復(fù)合材料學(xué)報，2013:第I頁.)、圖3所示的啞鈴狀(程添樂與夏源明，一種測定單向纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料組分“原位”彈性模量的方法.復(fù)合材料學(xué)報，2007(01):第75-80頁.)、圖4所示的蝴蝶狀(李潘等，二維編織SiC/SiC復(fù)合材料的剪切性能.機(jī)械強(qiáng)度，2014(05):第691-693頁.)和圖5所示的其他形狀(曾增等，單向C/SiC陶瓷基復(fù)合材料基體失效機(jī)制與強(qiáng)度預(yù)測.復(fù)合材料學(xué)報，2014:第I頁.)。這些試件的共同特點是，試件各部分(如標(biāo)距段、夾持段和過渡段)的纖維結(jié)構(gòu)相同，試件各部分都是單向結(jié)構(gòu)或都是二維結(jié)構(gòu)或都是三維結(jié)構(gòu)。
[0004]由于單向陶瓷基復(fù)合材料只在沿試件長度方向鋪設(shè)了增強(qiáng)纖維，材料的剪切強(qiáng)度以及橫向拉壓強(qiáng)度較低，進(jìn)行拉壓實驗時，試件夾持段和過渡段常常先于標(biāo)距段發(fā)生破壞，導(dǎo)致實驗失敗。單向陶瓷基復(fù)合材料試件夾持段常見的破壞形式為試件夾持段被試驗機(jī)夾頭夾緊后發(fā)生壓縮破壞、拉伸試驗過程中試件夾持段發(fā)生的分層破壞、拉伸試驗過程中夾持段發(fā)生的面內(nèi)剪切破壞。當(dāng)前，如何避免單向陶瓷基復(fù)合材料試件的夾持段和過渡段先于標(biāo)距段發(fā)生破壞是本技術(shù)領(lǐng)域重要而難以解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述技術(shù)現(xiàn)狀，而供一種不容易在夾持段和過渡段發(fā)生破壞、工藝簡單、易于實現(xiàn)的單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件及其制備方法。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件，包括試件主體，其中:試件主體為平板狀，試件主體由纖維布沉積基體構(gòu)成，試件主體的中間部分為標(biāo)距段，兩端為夾持段，標(biāo)距段為陶瓷基單向纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，夾持段為陶瓷基編織纖維結(jié)構(gòu)，其中，陶瓷基單向纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)是只具有徑向纖維、不具有瑋向纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，陶瓷基編織纖維結(jié)構(gòu)是同時具有徑向纖維和瑋向纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
[0007]為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括:
上述的標(biāo)距段和夾持段之間通過過渡段過渡，過渡段為陶瓷基編織纖維結(jié)構(gòu)。
[0008]上述的夾持段上粘貼有加強(qiáng)片。
[0009]上述的標(biāo)距段上裝夾引伸計或粘貼應(yīng)變片。
[0010]上述的試件主體由多層疊放的纖維布構(gòu)成。
[0011]一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件的制備方法，包括以下步驟:
步驟一、把編織纖維布鋪開疊層；
步驟二、確定編織纖維布上標(biāo)距段所在位置，然后把每層纖維布標(biāo)距段所在位置的瑋向纖維抽離；
步驟三、采用夾具固定并壓緊纖維布；
步驟四、在壓緊的纖維布上沉積基體獲得致密的陶瓷基平板；
步驟五、按試件所要求的形狀和尺寸對陶瓷基平板進(jìn)行切割，使被抽離瑋向纖維的陶瓷基平板部分置于試件中部的標(biāo)距段，沒有抽離瑋向纖維的陶瓷基平板部分置于試件兩側(cè)的夾持段，切割后，得到單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件。
[0012]步驟四中在纖維布上沉積基體要進(jìn)行多次。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件及其制備方法，有益效果在于:本發(fā)明提供的單向陶瓷基復(fù)合材料拉壓剪切試件，中間標(biāo)距段是單向結(jié)構(gòu)，可用于測試單向陶瓷基復(fù)合材料的拉壓和剪切力學(xué)性能。兩端夾持段和過渡段是編織結(jié)構(gòu)，其拉壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度較高。進(jìn)行拉壓剪切實驗時，試件不易在夾持段和過渡段產(chǎn)生壓壞、分層和剪切破壞，保證標(biāo)距段先于夾持段發(fā)生破壞，大大提高了實驗的成功率。此外，本發(fā)明提供的單向陶瓷基復(fù)合材料拉壓剪切試件制備方法，工藝簡單，易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0014]圖1是文獻(xiàn)中的長條狀試件示意圖；
圖2是文獻(xiàn)中的狗骨狀試件示意圖；
圖3是文獻(xiàn)中的啞鈴狀試件示意圖；
圖4是文獻(xiàn)中的蝴蝶狀試件示意圖；
圖5是文獻(xiàn)中的其他形狀試件示意圖；
圖6是本發(fā)明的纖維布示意圖；
圖7是本發(fā)明的抽離瑋向纖維示意圖；
圖8是本發(fā)明的單向復(fù)合材料板示意圖；
圖9是本發(fā)明的切割拉伸試件示意圖一；
圖10是本發(fā)明的切割剪切試件示意圖二 ；
圖11是本發(fā)明的拉伸試件示意圖一；
圖12是本發(fā)明的剪切試件示意圖二。
[0015]圖中:1-經(jīng)向纖維、2-瑋向纖維、夾持段3、過渡段4、標(biāo)距段5。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0017]制備本發(fā)明的試件時，先將編織纖維布鋪開疊層，纖維布包括瑋向纖維2和經(jīng)向纖維1，如圖6所示。再把圖6所示每層纖維布中間部分(長度等于試件標(biāo)距段長度)的瑋向纖維2抽掉，形成如圖7所示結(jié)構(gòu)。通過夾具把纖維布沿厚度方向壓緊，然后反復(fù)沉積基體，制備出如圖8所示的復(fù)合材料板，這種復(fù)合材料板就是陶瓷基復(fù)合材料板。在復(fù)合材料板上切割按圖9、10所示切割試件，最終得到如圖11所示的拉壓試件和如圖12所示的剪切試件。
[0018]此方法制備出的拉壓試件包括夾持段3、過渡段4和標(biāo)距段5，剪切試件包括標(biāo)距段5和夾持段3。其中標(biāo)距段5是單向陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可用來測試單向陶瓷基復(fù)合材料的拉壓和剪切力學(xué)性能；夾持段3和過渡段4是編織陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，拉壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度較高，不易在夾持段3發(fā)生壓壞、分層和剪切破壞。
[0019]拉壓和剪切實驗時，在夾持段3粘貼加強(qiáng)片，標(biāo)距段5裝夾引伸計或粘貼應(yīng)變片，將試件安裝在試驗機(jī)上，即可進(jìn)行拉壓和剪切實驗，測量應(yīng)力-應(yīng)變曲線。實驗表明，本發(fā)明提供的一種單向陶瓷基復(fù)合材料拉壓剪切試件能較好地避免試件在夾持段發(fā)生壓壞、分層和剪切破壞，實驗成功率較高，結(jié)果更加可靠。
[0020]值得一提的是，在帶基體纖維束試驗中，將試驗件承力方向的纖維束定義為經(jīng)線，與之垂直的線為瑋線。
[0021]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件，包括試件主體，其特征是:所述的試件主體為平板狀，所述的試件主體由纖維布沉積基體構(gòu)成，所述的試件主體的中間部分為標(biāo)距段(5)，兩端為夾持段(3)，所述的標(biāo)距段(5)為陶瓷基單向纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，所述的夾持段(3)為陶瓷基編織纖維結(jié)構(gòu)，其中，陶瓷基單向纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)是只具有徑向纖維(I)、不具有瑋向纖維(2)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，陶瓷基編織纖維結(jié)構(gòu)是同時具有徑向纖維(I)和瑋向纖維(2)的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件，其特征是:所述的標(biāo)距段(5)和夾持段(3)之間通過過渡段⑷過渡，所述的過渡段⑷為陶瓷基編織纖維結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件，其特征是:所述的夾持段(3)上粘貼有加強(qiáng)片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件，其特征是:所述的標(biāo)距段(5)上裝夾引伸計或粘貼應(yīng)變片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件，其特征是:所述的試件主體由多層疊放的纖維布構(gòu)成。
6.一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件的制備方法，其特征是:包括以下步驟: 步驟一、把編織纖維布鋪開疊層； 步驟二、確定編織纖維布上標(biāo)距段(5)所在位置，然后把每層纖維布標(biāo)距段(5)所在位置的瑋向纖維⑵抽離； 步驟三、采用夾具固定并壓緊纖維布； 步驟四、在壓緊的纖維布上沉積基體獲得致密的陶瓷基平板； 步驟五、按試件所要求的形狀和尺寸對陶瓷基平板進(jìn)行切割，使被抽離瑋向纖維(2)的陶瓷基平板部分置于試件中部的標(biāo)距段(5)，沒有抽離瑋向纖維(2)的陶瓷基平板部分置于試件兩側(cè)的夾持段(3)，切割后，得到單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件的制備方法，其特征是:步驟四中在纖維布上沉積基體要進(jìn)行多次。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單向陶瓷基復(fù)合材料平板試件，包括試件主體，其中：試件主體為平板狀，試件主體由纖維布沉積基體構(gòu)成，試件主體的中間部分為標(biāo)距段，兩端為夾持段，標(biāo)距段為陶瓷基單向纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，夾持段為陶瓷基編織纖維結(jié)構(gòu)，其中，陶瓷基單向纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)是只具有徑向纖維、不具有緯向纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，陶瓷基編織纖維結(jié)構(gòu)是同時具有徑向纖維和緯向纖維的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有不容易在夾持段和過渡段發(fā)生破壞、工藝簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。
【IPC分類】G01N1-28
【公開號】CN104880351
【申請?zhí)枴緾N201510277671
【發(fā)明人】張盛, 高希光, 宋迎東, 孫志剛
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月27日