Al?O?/Al?O? 销钉的双剪切行为与失效机制

《Journal of the European Ceramic Society》：Double-shear behavior and failure mechanisms of Al 2O 3/Al 2O 3 pins

　　**摘要**氧化铝纤维增强的氧化铝基体（Al?O?/Al?O?）复合材料因其固有的抗氧化性和化学稳定性，在热结构部件中展现出巨大的应用潜力。与非氧化物陶瓷基复合材料通常依靠单独沉积的界面相来促进裂纹偏转不同，Al?O?/Al?O?复合材料通过其多孔基体实现损伤容限。然而，由于缺乏对Al?O?/Al?O?复合材料销钉双剪行为的研究报告，极大地阻碍了其在热结构部件中的应用。因此，本研究探讨了铺层方向、加载方向和剪切跨距对Al?O?/Al?O?销钉双剪响应的影响。结果表明，铺层方向和加载方向对剪切响应有显著影响。具体而言，±45°销钉的表观双剪强度达到133.74 MPa，比0/90°销钉高出57.6%。将加载方向从0°变为90°使表观双剪强度降低了27.1%。此外，所研究的剪切跨距对表观双剪强度影响有限，但影响了峰后损伤演化。本研究为航空发动机应用中氧化物陶瓷基复合材料紧固件提供了实验证据和设计见解。**引言**陶瓷基复合材料（CMCs）已发展成为下一代航空发动机的关键结构材料，特别适用于燃烧室衬套、涡轮叶片和喷管等热结构部件[1]、[2]、[3]。然而，热结构部件的一体化制造受到CMCs加工技术的限制[4]、[5]。因此，模块化制造后配合可靠的连接已成为工程应用的前提条件[6]、[7]、[8]。常用的连接技术包括胶接、钎焊和机械紧固[9]、[10]、[11]。在这些方法中，机械紧固提供了一种高度可靠的替代方案，具有高接头强度和结构可拆卸性[12]、[13]。与易受高缺口敏感性影响的螺纹连接（螺钉/螺栓）不同[14]，销钉连接提供了一种结构更简单且更易于加工的替代方案[15]。在评估销钉性能方面，双剪试验能够表征机械紧固接头中销钉所经历的加载条件，适合评估纤维构型和加载方向对CMC销钉力学响应的影响。因此，该方法已被广泛应用于复合材料销钉的研究中。目前关于CMC销钉的研究主要集中在非氧化物体系，如C/SiC和SiC/SiC[12]、[14]、[15]。Liu等人[16]研究了C/SiC销钉的双剪行为，揭示了断裂模式和承载能力受纤维编织方向和加载方向的影响。类似地，Zhang等人[17]评估了z-pinned接头的剪切性能，证明z-pin增强有效抑制了层间分层，从而提高了接头的结构完整性。然而，非氧化物CMCs（如C/SiC）在高温燃烧环境中易受氧化影响，通常需要复杂的环境障涂层，从而增加了加工复杂度和系统成本[1]、[4]。在CMCs体系中，Al?O?/Al?O?复合材料构成了一类独特的全氧化物CMCs。与需要环境障涂层来减轻氧化的非氧化物体系不同，Al?O?/Al?O?复合材料在富含水分的燃烧环境中表现出固有的抗氧化性和化学稳定性，同时还具有成本效益和缩短加工周期的优势[18]、[19]、[20]。这些优势使Al?O?/Al?O?复合材料成为受热紧固件部件的理想选择。在Al?O?/Al?O?复合材料中，基体在微观尺度上呈现多孔结构。这种弱基体结构促进了基体分散开裂、裂纹偏转、纤维-基体脱粘、纤维桥接和纤维拔出，从而提高了复合材料的损伤容限[18]、[21]。与C/SiC复合材料不同，这种损伤容限机制不需要单独沉积的PyC或BN界面相，因此保留了复合材料的全氧化物特性。然而，其作为销钉型紧固件的应用受到缺乏氧化物专用双剪数据和对相关失效机制系统性理解的限制。双剪载荷与销钉连接直接相关，因为它决定了接头约束下的载荷传递、断裂路径选择和残余承载能力。由于氧化物和非氧化物CMCs通过不同的微观结构途径实现损伤容限，从C/C、C/SiC或SiC/SiC销钉中获得的结论不能直接转移到Al?O?/Al?O?销钉上[22]、[23]。因此，建立氧化物/氧化物CMCs销钉的双剪响应和失效机制对于其设计和安全评估是必要的。在本工作中，制备了具有0/90°和±45°铺层方向的Al?O?/Al?O?复合材料销钉，并系统地评估了其在不同铺层方向、加载方向和剪切跨距下的双剪响应。据我们所知，本研究提供了氧化物/氧化物CMC销钉的第一个实验双剪数据集。通过关联表观双剪强度、峰后能量吸收和断裂形貌，本工作阐明了铺层方向、加载方向和剪切跨距如何影响氧化物CMC销钉的剪切失效机制。这些结果为开发氧化物CMC销钉紧固件的方向依赖设计原则提供了机理基础。**样本制备**Al?O?/Al?O?复合材料销钉的制备涉及两个主要阶段：复合面板的制备和随后的精密加工。如图1(a)所示，平板采用氧化铝纤维织物和45 wt%固含量水性陶瓷浆料合成。该浆料通过将高纯度α-Al?O?粉末（纯度99.99%，平均粒径约0.2 μm）与去离子水球磨制备而成。具有0/90°和±45°铺层方向的复合预制体（图）。**铺层方向对剪切响应的影响**第3.1节研究了0/90°和±45°铺层方向对销钉剪切响应的影响。多个参数保持不变：加载方向固定为0°，夹具的剪切跨距（*a*）为0.4 mm。**结论**本研究通过浆料浸渗烧结工艺结合二维铺层工艺，成功制备了Al?O?/Al?O?复合材料销钉。进行了双剪试验以研究其剪切响应。本研究评估了铺层方向、加载方向和剪切跨距的影响。主要结论总结如下：铺层方向影响表观双剪强度和峰后承载行为。表观双剪**CRediT作者贡献声明****Haitao Liu：** 监督，概念化。**Zhenghao Tian：** 撰写——初稿，形式化分析。**Qiujin Gu：** 撰写——审阅与编辑，方法论。**Xin Ma：** 方法论，数据整理。**Xun Sun：** 资源，资金获取。**Xinyuan Lv：** 项目管理，调查研究。**利益冲突声明**作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。**致谢**作者衷心感谢先进陶瓷纤维与复合材料国家重点实验室基金提供的资金支持（WDZC20255290510，WDZC20265290509）。Zhenghao Tian | Xin Ma | Qiujin Gu | Xinyuan Lv | Xun Sun | Haitao Liu国防科技大学航空航天学院，先进陶瓷纤维与复合材料重点实验室，中国长沙