一种新颖的三点弯曲方法，用于评估陶瓷基复合材料的层间拉伸强度

《Composite Structures》：A novel three-point bending approach for evaluating the interlaminar tensile strength of ceramic matrix composites

陶瓷基复合材料层间抗拉强度测量新方法研究，提出三点弯曲测试结合有限元模拟的评估方法，通过环氧胶粘多层板解决厚板制造难题，实验验证该方法准确可靠，并发现分层失效主因是纤维与基体脱粘，裂纹集中于陶瓷基体而碳纤维基本完好。

　　

李文博|朱金涛|陈明阳|王飞鹏|袁泽帅|李俊平|柯辽亮

天津大学机械工程学院，中国天津

摘要

层间拉伸强度（ILTS）是调节陶瓷基复合材料（CMC）性能的最关键机械性能之一。在这项研究中，我们提出了一种基于三点弯曲试验的ILTS测量新方法，并通过有限元（FE）仿真进行了验证。该方法通过将层压板粘合在一起形成复合梁，有效避免了制造厚层压板时遇到的困难。利用这种创新方法，成功测量了碳纤维增强CMC的ILTS。此外，还使用扫描电子显微镜（SEM）和声发射（AE）系统来研究失效模式和过程。结果表明，通过所开发方法获得的ILTS值既准确又可靠，为ILTS测量提供了一种实用的方法。此外，研究还发现CMC层压板的失效主要是由分层引起的，这归因于纤维与基体之间的脱粘。损伤主要表现为陶瓷基体的开裂，而碳纤维基本未受损。

引言

陶瓷基复合材料（CMC）由于其优异的性能，如耐高温性、低密度和高比强度[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]，已成为先进飞机高性能结构应用中具有前景的材料。与传统金属或聚合物基材料不同，CMC能够在极端热载荷下保持出色的承载能力，从而在关键部件中实现更好的性能和更长的使用寿命[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。尽管具有这些有利特性，但由于其复杂的失效机制[19]、[20]、[21]，CMC的结构可靠性仍然是一个问题。最常见的失效模式之一是分层，如果在设计中未加以充分考虑，会显著影响结构完整性[22]、[23]。评估抗分层能力的基本量是层间剪切强度（ILSS）和层间拉伸强度（ILTS），它们分别量化了材料在层压界面处抵抗剪切应力和正常应力的能力[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。特别是，由于复合层压板的厚度有限，ILTS的测量比ILSS更具挑战性。然而，现有的ILTS测试方法主要是为聚合物基复合材料开发的，而针对CMC的专用方法仍然缺乏[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。

目前，用于聚合物基复合材料的ILTS测量方法经常被应用于CMC的研究中[36]、[37]。目前，美国材料与试验协会（ASTM）的标准D6415和D7291被复合材料领域广泛接受为测量ILTS的标准方法[33]、[34]、[35]、[38]、[39]、[40]。如图1(a)所示，ASTM D6415[30]使用L形弯曲梁试样来测量ILTS。通过施加四点弯曲试验，在试样的弯曲区域产生拉伸应力，其峰值定义为ILTS。然而，由于CMC的脆性，制造L形弯曲梁试样具有挑战性，并且容易在弯曲区域引入额外的缺陷。因此，使用弯曲梁测得的ILTS预计会低于复合板的ILTS。在ASTM D7291标准[31]中，通过向圆柱形层压试样施加横向拉伸载荷来确定ILTS。值得注意的是，由于试样的厚度较小，需要在其两端粘接两个刚性加载块，如图1(b)所示。对于较厚的试样，应使用减小截面的圆柱形“线轴”而不是直边圆柱盘，以便将层间拉伸应力定位在试样的中平面。与ASTM D6415标准相比，ASTM D7291标准更为简单。然而，它需要高强度的粘合剂，否则粘合剂可能在CMC分层之前就失效。此外，ASTM D7291对对准问题敏感，由于CMC的固有脆性，它无法通过塑性变形来释放不对称应力。

为了克服上述两种标准的局限性，Seon等人提出了开孔压缩（OHC）测试[41]，该方法结合了数字图像相关（DIC）和有限元（FE）仿真。如图1(c)所示，该方法使用中心钻有通孔的厚矩形层压试样。通过施加压缩载荷，在孔的顶部和底部区域引发层间拉伸失效。基于测得的失效载荷，利用FE分析来确定复合试样孔处的ILTS。OHC方法的优点在于能够同时测量多个参数，如强度、模量和泊松比。然而，这种测试的一个固有限制是它需要相对较厚的层压板。此外，它严重依赖于FE分析和钻孔的质量，这可能限制其实用性和准确性。

另一种测量ILTS的方法是使用三点弯曲配置进行测试[42]、[43]、[44]，如图1(d)所示。与其他方法相比，三点弯曲方法在层间失效开始时提供了最直接和明确的ILTS测量结果。在三点弯曲试验中，复合层压试样的厚度需要与跨度长度相匹配，这需要使用异常厚的层压板。实际上，由于堆叠和固化过程中的挑战，制造这种异常厚的层压板非常困难，且生产成本也较高。一种改进三点弯曲方法的方法是将标准厚度的层压板粘合在一起进行三点弯曲测试。这样可以保留三点弯曲测试在ILTS测量方面的直接和明确优势，同时避免制造困难。

在这项工作中，我们研究了基于对堆叠层压板进行三点弯曲试验来确定CMC ILTS的可行性。通过有限元（FE）仿真的帮助，证实了这种方法的有效性。使用所开发的方法，准确评估了CMC的ILTS。此外，还利用声发射（AE）系统监测了失效过程。通过分析三点弯曲试验后断裂表面的扫描电子显微镜（SEM）图像，进一步研究了CMC的失效模式。

理论模型

在这项工作中，使用三点弯曲配置来表征复合层压板的层间拉伸强度（ILTS），如图2所示。如图2(a)所示，用于弯曲试验的复合层压板由多个编织层组成，每层由正交交织的经纱和纬纱纤维束构成。因此，1方向和2方向的机械性能被认为是等效的，而3方向（垂直于厚度方向）的机械性能则相对

理论方法的验证

由于采用的方法基于纯弯曲下的经典梁理论，该理论忽略了剪切变形，也没有考虑粘合层对ILTS测量值的可能影响。具体来说，目前尚不清楚粘合层的存在是否显著改变了梁的应力分布。因此，有必要验证这一理论在三点弯曲试验中对于粘合复合梁的适用性。

结论

本研究提出了一种基于三点弯曲试验和经典梁理论测量陶瓷基复合材料层间拉伸强度的新方法。 several层压试样沿厚度方向使用环氧粘合剂粘合在一起以满足测试要求。借助FE仿真，确认了用于测量ILTS的这种开发方法的准确性和可行性。通过声发射（AE）信号监测了失效过程

作者贡献声明

李文博：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。朱金涛：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、概念化。陈明阳：撰写——审阅与编辑、监督、软件、资源、方法论、调查、概念化。王飞鹏：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。袁泽帅：撰写——审阅与编辑、方法论，

未引用参考文献

表A.1

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：12202306、12332006、12021002和12192212）的支持。同时感谢天津大学自主创新基金（编号：2024XPD-0013）的支持。