短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究_王得盼.pdf

短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究：.短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究王得盼，梁 森，周越松，刘 龙（青岛理工大学 机械与汽车工程学院，青岛）摘要：本文利用传统的氧化铝陶瓷制作工艺制作了碳纤维 氧化铝复相陶瓷。为防止碳纤维在高温环境下被过度氧化，分别在碳纤维表面制作一层碳粉防护层和碳化硅防护层。探究碳纤维添加含量对 复相陶瓷以及 复相陶瓷的力学性能及抗冲击性能的影响规律。搭建了落锤冲击试验平台，并对 复相陶瓷进行冲击试验。结果表明：复相陶瓷和 复相陶瓷的最大抗弯强度和断裂韧性相差不大，抗弯强度和断裂韧性分别在碳纤维含量为.和.时最大，为.和.，相较于纯氧化铝陶瓷分别提高了 和.。在落锤冲击过程中，复相陶瓷的抗冲击性能提高了.，载荷峰值提高了.。关键词：氧化铝陶瓷；碳纤维；抗冲击性能；复合材料中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，.，.，.，.：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；山东省自然科学基金资助项目（）作者简介：王得盼（），男，硕士研究生，主要从事复合材料动力学方面的研究。通讯作者：梁森（），男，博士，教授，主要从事复合材料动力学等方面的研究，.。陶瓷材料由于具有高硬度、低密度以及高抗弯强度等优点，对于装甲防护系统方面而言十分具有吸引力。近年来，陶瓷材料已被广泛应用于装甲材料，现在防弹材料体系已从最初的纯氧化铝、碳化硅、碳化硼陶瓷向多元化、复合化发展。王明超等向碳化硼陶瓷中加入莫来石纤维，对防弹陶瓷进行增强研究，发现与同批量未加纤维的碳化硼陶瓷相比，加入莫来石纤维的碳化硼陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别提高了.和.。刘第强利用溶胶凝胶法将短切碳纤维均匀分散在氧化铝溶胶中，并利用热压烧结制备了碳纤维 氧化铝陶瓷复合材料，研究表明，当碳纤维含量为 时，复合材料抗弯强度和硬度分别达到 和 。曹晶晶等以聚丙烯腈预氧化纤维为先驱体，采用真空热压烧结制备了原位转化碳纤维 氧化铝复合材料，研究了助溶剂添加量对复合材料性能的影响规律。等采用热压烧结法制备了短切碳纤维 氧化铝陶瓷复合材料，研究了不同含量和不同长 年 月复合材料科学与工程度的碳纤维对复合材料力学性能和介电性能的影响。结果表明，添加.碳纤维（长度为 ）时，陶瓷材料的抗弯强度达到最大值。等利用溶胶凝胶法制备了连续氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷复合材料，研究探讨了烧结温度对复合材料力学性能的影响。结果表明，在 下制造的复合材料具有最高的抗弯强度，接近 。等制备了 复合材料，系统地研究了纤维长度和烧结温度对微观结构、相组成、力学性能以及断裂行为的影响。结果表明，和 混合纤维长度的复合材料机械性能显著增强，复合材料的最高抗弯强度为.。范朝阳采用溶胶浸渍法制备了 复合材料，研究了热处理温度对复合材料力学性能的影响。结果表明，在 下进行热处理时，复合材料的弯曲强度、弹性模量、断裂韧性分别为.、.、.。综上所述，针对纤维增强陶瓷材料的研究大多集中在采用溶胶凝胶法和沉积法制备的纤维增强陶瓷复合材料，由于没有进行加压成型这一工序，最终材料的抗弯强度等力学性能相对较低；另外，利用沉积法制备纤维复合材料的时间成本较大，复合材料的力学性能也不大理想；而且有关纤维增强的复相陶瓷抗冲击性能研究相对较少。本文利用传统工艺制作短切碳纤维 氧化铝陶瓷复合材料，探究氧化铝陶瓷制作的工艺过程中碳纤维含量对复合材料力学性能及抗冲击性能的影响。试验原料试验所用的氧化铝为 粉，来自淄博煜鼎新材料科技有限公司；碳纤维为东丽 系列，需处理成长度为 ，直径约为 左右的短切碳纤维。为了除去碳纤维表面的上浆剂，需对碳纤维进行预处理。将碳纤维置于 的环境中持续 ，处理后的碳纤维扫描电镜如图（）所示。图 碳纤维 图.试验流程考虑到碳纤维在高温下容易被氧化，本文采用以下两种方案。方案一：将一定比例的无水乙醇、炭粉和碳纤维均匀混合，然后对其进行 水浴加热直至无水乙醇完全挥发，使炭粉依附在碳纤维上形成防护层。方案二：将一定比例的硅粉、无水乙醇、炭粉、二氧化硅搅拌至均匀混合，此时碳纤维表面涂有一层以炭粉和硅粉为主的混合物；待无水乙醇挥发干净后，将碳纤维放入刚玉坩埚中，在 下进行煅烧，使碳纤维表面形成一层较薄的碳化硅、炭粉、硅粉防护层。镀层后碳纤维表面的扫描电镜如图（）所示。用炭粉和硅粉包埋制备碳化硅涂层，当温度达到 时开始发生化学反应转化成碳化硅，此时温度还未达到 的熔点，属于固固反应，随着温度逐渐升高至 左右时，粉料中的 在高温下熔融，此时的反应为液固反应。分散剂选用聚丙烯酸胺，烧结助剂采用氧化镁，黏结剂采用自制的 溶液。进风温度为 ，出风温度为 ，蠕动泵速率为 ，雾化器变频为 。将造粒粉过 目和 目筛后，按一定比例与之前处理好的碳纤维进行混合，并装入模具干压成型。试验在氮气气氛下进行真空气氛烧结。抗冲击试验的试验台是由本实验室团队研制而成，主要包括导轨、磁铁、冲头、试件夹紧装置。其余试验设备如表 所示。表 试验仪器设备 名称型号厂家滚轮球磨机湘潭市仪器仪表有限公司喷雾干燥机无锡晨颖机械科技有限公司真空气氛炉洛阳力宇窑炉有限公司电动抗弯折试验机河北双鑫实验仪器制造有限公司显微硬度计莱州市得川仪器试验有限公司金相显微镜杭州精兢检测仪器有限公司 目前应用于陶瓷复合装甲的陶瓷面板大多为正六方体，本试验采用内接圆半径为 的正六方形，用半径为 的圆形夹具对试件进行约束。打开软件，先对仪器进行调试，然后将试件中心对准冲头中心。将冲头提高至一定高度后打开电磁铁开关，使冲头停在空中。设置数据采集卡采样频率，然后在打开数据采样开关的同时关闭电磁铁开关，使 年第 期短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究冲锤做自由落体冲击试件，最后结束，进行采样。利用 程序对采集的数据进行提取，并绘制复相陶瓷的能量吸收曲线。结果与讨论.复相陶瓷力学性能在制备试样的工艺过程中，只改变碳纤维添加含量，研究碳纤维添加含量对材料密度的影响规律，如图 所示。图 碳纤维添加含量对氧化铝陶瓷材料密度的影响.由图 可知：随着短切碳纤维添加含量逐渐增加，复相陶瓷的密度逐渐降低，而且碳纤维添加含量越多，复相陶瓷的密度越低。造成这一现象的原因是，氧化铝中的碳纤维在进行烧结时不可避免会产生氧化，在同等质量的氧化铝中，碳纤维含量越大，可被氧化的物质就越多，产生的气孔也就越多，从而导致材料密度下降。复相陶瓷的密度先逐渐下降，在碳纤维含量为.时稍有增加，之后又逐渐下降。其主要原因是，在烧结过程中，随着温度的升高，一部分碳纤维会被氧化，碳纤维被氧化产生一氧化碳和二氧化碳属于熵增反应，会优先反应。随着含有镀层的碳纤维含量增加，碳纤维表面的炭粉、硅粉及部分碳纤维表面的碳原子进一步反应生成碳化硅镀层，进而保护碳纤维，使复相陶瓷的密度稍有增加。但是碳纤维表层的碳化硅镀层对碳纤维的保护能力是有限的，随着碳纤维含量逐渐增加，复相陶瓷内碳原子含量增大，被氧化速率逐渐增大，造成陶瓷密度下降。图 为碳纤维添加含量对材料硬度的影响规律。由图 可知：随着短切碳纤维添加含量的增加，两种复相陶瓷的硬度都是先增大后减小，均在碳纤维含量为.时达到最大。图 两种复合材料的硬度对比.图 为碳纤维在氧化铝陶瓷中的存在形式。由图 可知：有一处碳纤维完全被氧化，从而留下一处凹槽，正是这种孔隙造成复相陶瓷的密度随着碳纤维添加含量的增加而降低。在添加同等含量的碳纤维时，与 复相陶瓷相比，复相陶瓷的整体密度偏大，说明在碳纤维表面涂覆的由炭粉和硅粉形成的碳化硅涂层对于防止碳纤维氧化有一定的作用。图 所示复相陶瓷的密度随碳纤维含量的变化关系也可以验证这一规律。图 碳纤维在复相陶瓷中的存在形式.图、图 分别为 复相陶瓷和 复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性随不同碳纤维含量的变化规律。图 两种复合材料的抗弯强度对比.年 月复合材料科学与工程图 两种复合材料的断裂韧性对比.由图 和图 可知：随着碳纤维含量的增加，复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性均呈现先增大后减小的趋势，复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性在碳纤维含量为.时达到最大值，而 复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性则是在碳纤维含量为.时达到最大值。两种材料的抗弯强度和断裂韧性随着碳纤维含量增加的整体变化规律基本保持一致，这说明在碳纤维表面的碳化硅防护层可以有效降低碳纤维在氧化铝陶瓷中被氧化的情况。纤维增强相与陶瓷基体的界面结合特性是影响复相陶瓷性能的主要因素，利用纤维增强陶瓷材料的增强机理为陶瓷基体中纤维的脱黏、拔出和桥联。当纤维与基体的结合力较弱时，晶粒的断裂强度超过裂纹的扩展应力，裂纹与纤维和基体结合面方向不一致，从而引发纤维基体界面脱黏。由图 可以看出，本节试验试件以脱黏为主，以拔出和桥联为辅。.复相陶瓷的抗冲击性能不同碳纤维含量的碳纤维 氧化铝复相陶瓷的能量吸收对比如图 所示。图 不同碳纤维含量的碳纤维 氧化铝复相陶瓷的能量吸收对比.由图 可知：与未添加碳纤维的纯氧化铝陶瓷相比，添加碳纤维后的复相陶瓷能量吸收均有一定程度提高，当碳纤维添加含量为.时吸收的能量最多。相较于纯氧化铝陶瓷，碳纤维含量为.时的 复相陶瓷能量吸收提高了.。然而，当添加的碳纤维含量达到.时，材料的能量吸收反而有所降低。其原因是添加一定量的碳纤维可以在一定程度上加大裂纹在材料中扩展的难度，但即使是被碳化硅防护层包裹的碳纤维也不可避免会被氧化，随着碳纤维添加含量逐渐增大，复相陶瓷烧结过程中可被氧化的物质越来越多；与此同时，材料中因碳纤维被氧化而产生的凹槽越来越多，进而会影响材料的强度，当添加的碳纤维含量超过一定值时反而导致材料的强度和韧性降低。由于纤维增强相和基体相不一致，两者之间的热膨胀系数不一致，导致基体和增强相之间的界面结合强度较差，所以 复相陶瓷的增韧机理以脱黏为主，复相陶瓷材料的抗冲击性能提高不明显。图 为从不同碳纤维含量的复相陶瓷冲击过程中提取的最大载荷峰值对比。图 不同碳纤维含量的碳纤维 氧化铝复相陶瓷的载荷峰值对比.由图 可以看出：碳纤维含量为.时复相陶瓷的载荷峰值最大；碳纤维含量为.和.时两者的最大载荷峰值变化差距不大，与复相陶瓷材料硬度的变化规律基本保持一致。陶瓷材料硬度表征的是抵抗外力进入陶瓷材料的能力，当遭到外力冲击时，陶瓷材料表面会产生较大的压缩应力波，当这一应力波的大小超过材料的极限应力时，陶瓷材 年第 期短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究料会发生破碎，与此同时会消耗更多的能量。材料的硬度越高，冲击过程中产生的压缩应力波就越大，最大载荷峰值也就越大。结 论（）随着短切碳纤维添加含量逐渐增加，和 复相陶瓷的最大抗弯强度和断裂韧性分别增加了和.。两种复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性最大值为.、.，分别在碳纤维含量为.和.时达到最大。（）搭建了落锤冲击试验平台，对不同碳纤维含量的复相陶瓷进行冲击试验。相较于纯氧化铝陶瓷，复相陶瓷能量吸收增加了.，载荷峰值提高了.。参考文献 张文毓 装甲防护陶瓷材料的研究与应用 陶瓷，（）：文章苹 碳纤维表面改性增强 陶瓷基复合材料的制备及其性能研究 上海：上海应用技术大学，王明超，张佐光，孙志杰，等 莫来石增强 防弹陶瓷研究 中国力学学会 第十五届全国复合材料学术会议论文集（上册）北京：国防工业出版社，：刘第强 短切碳纤维均匀分散增强 基复合材料的制备与性能研究 太原：中北大学，曹晶晶，陈华辉，杜飞 助熔剂对原位转化碳纤维增韧陶瓷基复合材料性能的影响 硅酸盐通报，（）：，（）：，（）：，（）：范朝阳 连续碳纤维增强氧化铝基复合材料的制备与性能研究 长沙：国防科学技术大学，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：年 月