CN104880351A - 一种单向陶瓷基复合材料平板试件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单向陶瓷基复合材料平板试件，包括试件主体，其中：试件主体为平板状，试件主体由纤维布沉积基体构成，试件主体的中间部分为标距段，两端为夹持段，标距段为陶瓷基单向纤维增强结构，夹持段为陶瓷基编织纤维结构，其中，陶瓷基单向纤维增强结构是只具有径向纤维、不具有纬向纤维的纤维增强结构，陶瓷基编织纤维结构是同时具有径向纤维和纬向纤维的纤维增强结构。本发明具有不容易在夹持段和过渡段发生破坏、工艺简单、易于实现的优点。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料力学性能测试试件，具体涉及一种可用于单向陶瓷基复合材料拉伸、压缩和剪切实验的平板试件及其制备方法。
背景技术
陶瓷基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐高温和低密度等优点，在国防、能源和装备制造等领域具有广泛的应用前景。力学性能的获取是其应用的前提，而拉伸和压缩实验是测试材料力学性能最基本和最主要的手段。
在陶瓷基复合材料拉压和剪切实验中，试件设计尤为重要。如果试件设计不当，会导致试件标距段受力不均匀或试件在夹持段和过渡段破坏，无法得到有效数据。由于陶瓷基复合材料是一种新型结构材料，国内外还没有形成相关的力学性能测试标准，也未见公开的发明专利。目前陶瓷基复合材料拉压和剪切实验主要借鉴其他材料的测试标准，试件的形状主要有图1所示的长条状（梅辉等, 2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征. 硅酸盐学报, 2007. 35(2): 第137-143页.）、图2所示的狗骨状（李潘等, 2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为研究. 复合材料学报, 2013: 第1页.）、图3所示的哑铃状（程添乐与夏源明, 一种测定单向纤维增强陶瓷基复合材料组分“原位”弹性模量的方法. 复合材料学报, 2007(01): 第75-80页.）、图4所示的蝴蝶状（李潘等, 二维编织SiC/SiC复合材料的剪切性能. 机械强度, 2014(05): 第691-693页.）和图5所示的其他形状（曾增等, 单向C/SiC陶瓷基复合材料基体失效机制与强度预测. 复合材料学报, 2014: 第1页.）。这些试件的共同特点是，试件各部分（如标距段、夹持段和过渡段）的纤维结构相同，试件各部分都是单向结构或都是二维结构或都是三维结构。
由于单向陶瓷基复合材料只在沿试件长度方向铺设了增强纤维，材料的剪切强度以及横向拉压强度较低，进行拉压实验时，试件夹持段和过渡段常常先于标距段发生破坏，导致实验失败。单向陶瓷基复合材料试件夹持段常见的破坏形式为试件夹持段被试验机夹头夹紧后发生压缩破坏、拉伸试验过程中试件夹持段发生的分层破坏、拉伸试验过程中夹持段发生的面内剪切破坏。当前，如何避免单向陶瓷基复合材料试件的夹持段和过渡段先于标距段发生破坏是本技术领域重要而难以解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，而供一种不容易在夹持段和过渡段发生破坏、工艺简单、易于实现的单向陶瓷基复合材料平板试件及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种单向陶瓷基复合材料平板试件，包括试件主体，其中：试件主体为平板状，试件主体由纤维布沉积基体构成，试件主体的中间部分为标距段，两端为夹持段，标距段为陶瓷基单向纤维增强结构，夹持段为陶瓷基编织纤维结构，其中，陶瓷基单向纤维增强结构是只具有径向纤维、不具有纬向纤维的纤维增强结构，陶瓷基编织纤维结构是同时具有径向纤维和纬向纤维的纤维增强结构。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的标距段和夹持段之间通过过渡段过渡，过渡段为陶瓷基编织纤维结构。
上述的夹持段上粘贴有加强片。
上述的标距段上装夹引伸计或粘贴应变片。
上述的试件主体由多层叠放的纤维布构成。
一种单向陶瓷基复合材料平板试件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、把编织纤维布铺开叠层；
步骤二、确定编织纤维布上标距段所在位置，然后把每层纤维布标距段所在位置的纬向纤维抽离；
步骤三、采用夹具固定并压紧纤维布；
步骤四、在压紧的纤维布上沉积基体获得致密的陶瓷基平板；
步骤五、按试件所要求的形状和尺寸对陶瓷基平板进行切割，使被抽离纬向纤维的陶瓷基平板部分置于试件中部的标距段，没有抽离纬向纤维的陶瓷基平板部分置于试件两侧的夹持段，切割后，得到单向陶瓷基复合材料平板试件。
步骤四中在纤维布上沉积基体要进行多次。
与现有技术相比，本发明的一种单向陶瓷基复合材料平板试件及其制备方法，有益效果在于：本发明提供的单向陶瓷基复合材料拉压剪切试件，中间标距段是单向结构，可用于测试单向陶瓷基复合材料的拉压和剪切力学性能。两端夹持段和过渡段是编织结构，其拉压强度和剪切强度较高。进行拉压剪切实验时，试件不易在夹持段和过渡段产生压坏、分层和剪切破坏，保证标距段先于夹持段发生破坏，大大提高了实验的成功率。此外，本发明提供的单向陶瓷基复合材料拉压剪切试件制备方法，工艺简单，易于实现。
附图说明
图1是文献中的长条状试件示意图；
图2是文献中的狗骨状试件示意图；
图3是文献中的哑铃状试件示意图；
图4是文献中的蝴蝶状试件示意图；
图5是文献中的其他形状试件示意图；
图6是本发明的纤维布示意图；
图7是本发明的抽离纬向纤维示意图；
图8是本发明的单向复合材料板示意图；
图9是本发明的切割拉伸试件示意图一；
图10是本发明的切割剪切试件示意图二；
图11是本发明的拉伸试件示意图一；
图12是本发明的剪切试件示意图二。
图中：1-经向纤维、2-纬向纤维、夹持段3、过渡段4、标距段5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
制备本发明的试件时，先将编织纤维布铺开叠层，纤维布包括纬向纤维2和经向纤维1，如图6所示。再把图6所示每层纤维布中间部分（长度等于试件标距段长度）的纬向纤维2抽掉，形成如图7所示结构。通过夹具把纤维布沿厚度方向压紧，然后反复沉积基体，制备出如图8所示的复合材料板，这种复合材料板就是陶瓷基复合材料板。在复合材料板上切割按图9、10所示切割试件，最终得到如图11所示的拉压试件和如图12所示的剪切试件。
此方法制备出的拉压试件包括夹持段3、过渡段4和标距段5，剪切试件包括标距段5和夹持段3。其中标距段5是单向陶瓷基复合材料结构，可用来测试单向陶瓷基复合材料的拉压和剪切力学性能；夹持段3和过渡段4是编织陶瓷基复合材料结构，拉压强度和剪切强度较高，不易在夹持段3发生压坏、分层和剪切破坏。
拉压和剪切实验时，在夹持段3粘贴加强片，标距段5装夹引伸计或粘贴应变片，将试件安装在试验机上，即可进行拉压和剪切实验，测量应力-应变曲线。实验表明，本发明提供的一种单向陶瓷基复合材料拉压剪切试件能较好地避免试件在夹持段发生压坏、分层和剪切破坏，实验成功率较高，结果更加可靠。
值得一提的是，在带基体纤维束试验中，将试验件承力方向的纤维束定义为经线，与之垂直的线为纬线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种单向陶瓷基复合材料平板试件，包括试件主体，其特征是：所述的试件主体为平板状，所述的试件主体由纤维布沉积基体构成，所述的试件主体的中间部分为标距段(5)，两端为夹持段(3)，所述的标距段(5)为陶瓷基单向纤维增强结构，所述的夹持段(3)为陶瓷基编织纤维结构，其中，陶瓷基单向纤维增强结构是只具有径向纤维(1)、不具有纬向纤维(2)的纤维增强结构，陶瓷基编织纤维结构是同时具有径向纤维(1)和纬向纤维(2)的纤维增强结构。
2.根据权利要求1所述的一种单向陶瓷基复合材料平板试件，其特征是：所述的标距段(5)和夹持段(3)之间通过过渡段(4)过渡，所述的过渡段(4)为陶瓷基编织纤维结构。
3.根据权利要求2所述的一种单向陶瓷基复合材料平板试件，其特征是：所述的夹持段(3)上粘贴有加强片。
4.根据权利要求2所述的一种单向陶瓷基复合材料平板试件，其特征是：所述的标距段(5)上装夹引伸计或粘贴应变片。
5.根据权利要求2所述的一种单向陶瓷基复合材料平板试件，其特征是：所述的试件主体由多层叠放的纤维布构成。
6.一种单向陶瓷基复合材料平板试件的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一、把编织纤维布铺开叠层；
步骤二、确定编织纤维布上标距段(5)所在位置，然后把每层纤维布标距段(5)所在位置的纬向纤维(2)抽离；
步骤三、采用夹具固定并压紧纤维布；
步骤四、在压紧的纤维布上沉积基体获得致密的陶瓷基平板；
步骤五、按试件所要求的形状和尺寸对陶瓷基平板进行切割，使被抽离纬向纤维(2)的陶瓷基平板部分置于试件中部的标距段(5)，没有抽离纬向纤维(2)的陶瓷基平板部分置于试件两侧的夹持段(3)，切割后，得到单向陶瓷基复合材料平板试件。
7.根据权利要求6所述的一种单向陶瓷基复合材料平板试件的制备方法，其特征是：步骤四中在纤维布上沉积基体要进行多次。
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