CN111767514B - 薄片形陶瓷基纤维束复合材料制备方法及其纵向净面积确定方法 - Google Patents

薄片形陶瓷基纤维束复合材料制备方法及其纵向净面积确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种薄片形陶瓷基纤维束复合材料制备方法及其纵向净面积确定方法，其中提供的陶瓷基纤维复合材料试样方案实现了薄片形陶瓷基纤维束复合材料试样的制备，解决了传统圆柱形试样难以用于开展非轴向力学实验的难题。提供了可以明确确定薄片形陶瓷基纤维束复合材料纵向净面积的方法，使得非轴向力学数据具有了统一的衡量标准，增加了试验数据的可对比性。提供的纵向净面积确定方法无须借助复杂昂贵的实验设备，主要依据陶瓷基纤维束复合材料本身的组分和几何特性，整个确定过程效率高，成本低。

Description

薄片形陶瓷基纤维束复合材料制备方法及其纵向净面积确定 方法
技术领域
本发明属于复合材料试验测试领域，具体涉及一种薄片形陶瓷基纤维束复合材料制备方法及其纵向净面积确定方法。
背景技术
陶瓷基纤维束复合材料是由一束纤维制备而成的陶瓷基复合材料，这种材料是编织陶瓷基复合材料中的主要承力单元，决定了编织陶瓷基复合材料的整体力学性能。陶瓷基纤维束复合材料力学试验，是实现编织陶瓷基复合材料力学性能模拟的基础。
陶瓷基复合材料具有显著的各向异性，材料在不同受力状态下表现出的力学性能差异很大。要实现编织陶瓷基复合材料力学性能的准确模拟，必须有陶瓷基纤维束复合材料各向异性力学性能数据的支持。但是，传统陶瓷基纤维束复合材料的几何外形为不规则的细长圆柱。对于这种试样难以进行非轴向的载荷施加并且变形测量也不易解决。此外，试样尺寸沿径向不断发生变化，因此难以选择恰当的纵向截面积作为应力衡量标准，给试验测试中应力的表示带来了诸多不便。
因此，有必要提供一种新型的可进行非轴向加载的陶瓷基纤维束复合材料试样方案为陶瓷基纤维束复合材料的各向异性力学行为的试验测试提供条件。同时提供一种适用于陶瓷基纤维束复合材料的纵向净截面的确定方法，以便对试验测试中的应力进行计算。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种薄片形陶瓷基纤维束复合材料制备方法及其纵向净面积确定方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
薄片形陶瓷基纤维束复合材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将纤维原丝通过轧辊展平，得到扁平纤维束；
步骤2：将扁平纤维束缠绕到石墨框上进行固定；
步骤3：采用化学气相渗透工艺在扁平纤维束上依次沉积界面和基体，得到薄片形陶瓷基纤维束复合材料；
步骤4：将陶瓷基纤维束复合材料从石墨框上取下，得到陶瓷基纤维束复合材料试样，然后分别测量试件的长度和宽度。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述石墨框的纵截面为三角形，石墨框的下部宽度大于上部宽度，所述下部的底面和上部的顶面相对地设有多排凹槽，所述扁平纤维束缠绕在石墨框的上下凹槽中，所述凹槽的宽度大于扁平纤维束的宽度。
此外，本发明还提供了采用如上所述的制备方法所得试件的纵向净面积确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤5：根据试样横截面各部分面积以及试样的长度、宽度，得到计入孔隙时试样的纵向截面积和厚度的表达式；
步骤6：根据步骤5得到的表达式，得到孔隙含量变化后试样的纵向截面积的表达式；
步骤7：根据步骤6得到的表达式，进一步建立试样横截面积变化与其宽度和厚度变化之间的数学关系；
步骤8：将步骤5中试样厚度的表达式与步骤7所得数学关系相结合，得到孔隙变化时试样厚度变化量的表达式；
步骤9：将步骤5、步骤6和步骤8所得表达式相结合，求得试样的纵向净面积。
进一步地，所述步骤5中，试样横截面各部分面积包括基体部分面积Am、界面部分面积Apyc、纤维部分面积Af和孔隙部分面积Ap，试样的纵向截面积Amc-p和厚度Tmc-p具体表示如下：
Figure BDA0002559341310000021
Figure BDA0002559341310000022
式中，Lmc表示试样的长度，Wmc-p表示试样的宽度。
进一步地，所述步骤6中，将试样的横截面简化为矩形，并视孔隙变化引起试样厚度和宽度的变化量相同，由此将孔隙含量变化后试样的纵向截面积表示为：
Figure BDA0002559341310000023
式中，ΔWmc表示孔隙含量变化引起试样宽度的变化量，ΔAp表示孔隙变化的面积，ΔTmc表示孔隙含量变化引起试样厚度的变化量。
进一步地，所述步骤7中，试样横截面积变化与其宽度和厚度变化之间的数学关系如下：
Am+Apyc+Af+Ap+ΔAp＝(Tmc-p+ΔTmc)(Wmc-p+ΔWmc)。
进一步地，所述步骤8中，孔隙变化时试样厚度变化量的表达式如下：
Figure BDA0002559341310000031
进一步地，所述步骤9中，将步骤5、步骤6和步骤8所得表达式相结合，然后令ΔAp＝-Ap，求得无孔隙时试样的纵向截面积，即试样的纵向净面积，表达式如下：
Figure BDA0002559341310000032
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的陶瓷基纤维复合材料试样方案实现了薄片形陶瓷基纤维束复合材料试样的制备，解决了传统圆柱形试样难以非轴向力学实验的难题；
2、本发明提供了可以明确确定薄片形陶瓷基纤维束复合材料纵向净面积的方法，使得非轴向力学数据具有了统一的衡量标准，增加了试验数据的可对比性；
3、本发明提供的纵向净面积确定方法无须借助复杂昂贵的实验设备，主要依据陶瓷基纤维束复合材料本身的组分和几何特性，整个确定过程效率高，成本低。
附图说明
图1是本发明纤维原丝展平为扁平纤维束的过程。
图2是本发明石墨框的示意图。
图3是本发明纤维束缠绕到石墨框架上的示意图。
附图标记如下：1-纤维纱锭、2-纤维原丝、3-轧辊、4-扁平纤维束、5-石墨框、501-下部、502-上部、503-凹槽、6-陶瓷基纤维束复合材料。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
薄片形陶瓷基纤维束复合材料制备方法及其纵向净面积确定方法，具体包括如下步骤：
步骤1：将T700-12K碳纤维原丝2通过轧辊3展平，得到扁平纤维束4。
步骤2：将扁平纤维束4缠绕到石墨框5上进行固定。扁平纤维束4缠绕到石墨框5的凹槽503中，凹槽503用于控制陶瓷基纤维束复合材料6的宽度、固定试样的位置并防止试样相互接触。凹槽503的宽度略大于陶瓷基纤维束复合材料6的宽度。石墨框5的截面为三角形，石墨框的下部501宽度大于石墨框的上部502，防止倾倒。
步骤3：采用化学气相渗透工艺在纤维束4上依次沉积界面和基体，得到薄片形陶瓷基纤维束复合材料6。
步骤4：用剪线钳将陶瓷基纤维束复合材料6从石墨框5上取下，得到陶瓷基纤维束复合材料试样，然后用游标卡尺分别测量试样的长度Lmc＝28.00mm和宽度Wmc-p＝6.24mm。
步骤5：使用试样横截面基体部分面积Am、界面部分面积Apyc、纤维部分面积Af、孔隙部分面积Ap以及试样的长度Lmc和宽度Wmc-p表示计入孔隙时试样的纵向截面积Amc-p和厚度Tmc-p。具体表示方法如下：
Figure BDA0002559341310000041
Figure BDA0002559341310000042
步骤6：将试样横截面简化为矩形，并视孔隙变化引起试样厚度和宽度的变化量相同。由此可以将孔隙含量变化后试样的纵向截面积表示为：
Figure BDA0002559341310000043
其中，ΔWmc表示孔隙含量变化引起试样宽度的变化量，ΔAp表示孔隙变化的面积，ΔTmc表示孔隙含量变化引起试样厚度的变化量。
步骤7：由步骤6中得到的关系式可进一步建立试样横截面积变化与其宽度和厚度变化之间的数学关系：
Am+Apyc+Af+Ap+ΔAp＝(Tmc-p+ΔTmc)(Wmc-p+ΔWmc)
步骤8：将步骤5中试样厚度Tmc-p的表达式与步骤7所得数学关系相结合，得到孔隙变化时试样厚度变化量的表达式：
Figure BDA0002559341310000044
步骤9：将步骤5、步骤6和步骤8所得表达式相结合，然后令ΔAp＝-Ap，即可求得无孔隙时试样的纵向截面积，即试样的纵向净面积。表达式如下：
Figure BDA0002559341310000045
在本实施例中制备的陶瓷基纤维束复合材料6所用纤维为T700-12K碳纤维，界面为热解碳界面，其厚度为0.551μm，基体为碳化硅。材料横截面基体部分面积Am＝0.4205mm2，界面部分面积Apyc＝0.1568mm2，纤维部分面积4f＝0.4616mm2，孔隙部分面积Ap＝0.1237mm2。因此可以求得陶瓷基纤维束复合材料6纵向净面积Amc-net＝4.6761mm2。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.薄片形陶瓷基纤维束复合材料的纵向净面积确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将纤维原丝(2)通过轧辊(3)展平，得到扁平纤维束(4)；
步骤2：将扁平纤维束(4)缠绕到石墨框(5)上进行固定；
步骤3：采用化学气相渗透工艺在扁平纤维束(4)上依次沉积界面和基体，得到薄片形陶瓷基纤维束复合材料(6)；
步骤4：将陶瓷基纤维束复合材料(6)从石墨框(5)上取下，得到陶瓷基纤维束复合材料试样，然后分别测量试样的长度和宽度；
步骤5：根据试样横截面各部分面积以及试样的长度、宽度，得到计入孔隙时试样的纵向截面积和厚度的表达式；
步骤6：根据步骤5得到的表达式，得到孔隙含量变化后试样的纵向截面积的表达式；
步骤7：根据步骤6得到的表达式，进一步建立试样横截面积变化与其宽度和厚度变化之间的数学关系；
步骤8：将步骤5中试样厚度的表达式与步骤7所得数学关系相结合，得到孔隙变化时试样厚度变化量的表达式；
步骤9：将步骤5、步骤6和步骤8所得表达式相结合，求得试样的纵向净面积；
所述步骤5中，试样横截面各部分面积包括基体部分面积Am、界面部分面积Apyc、纤维部分面积Af和孔隙部分面积Ap，试样的纵向截面积Amc-p和厚度Tmc-p具体表示如下：
Figure FDA0004212876860000011
Figure FDA0004212876860000012
式中，Lmc表示试样的长度，Wmc-p表示试样的宽度；
所述步骤6中，将试样的横截面简化为矩形，并视孔隙变化引起试样厚度和宽度的变化量相同，由此将孔隙含量变化后试样的纵向截面积表示为：
Figure FDA0004212876860000021
式中，ΔWmc表示孔隙含量变化引起试样宽度的变化量，ΔAp表示孔隙变化的面积，ΔTmc表示孔隙含量变化引起试样厚度的变化量；
所述步骤7中，试样横截面积变化与其宽度和厚度变化之间的数学关系如下：
Am+Apyc+Af+Ap+ΔAp＝(Tmc-p+ΔTmc)(Wmc-p+ΔWmc)；
所述步骤8中，孔隙变化时试样厚度变化量的表达式如下：
Figure FDA0004212876860000022
所述步骤9中，将步骤5、步骤6和步骤8所得表达式相结合，然后令ΔAp＝-Ap，求得无孔隙时试样的纵向截面积，即试样的纵向净面积，表达式如下：
Figure FDA0004212876860000023
2.如权利要求1所述的纵向净面积确定方法，其特征在于：所述石墨框(5)的纵截面为三角形，石墨框(5)的下部(501)宽度大于上部(502)宽度，所述下部(501)的底面和上部(502)的顶面相对地设有多排凹槽(503)，所述扁平纤维束(4)缠绕在石墨框(5)的上下凹槽(503)中，所述凹槽(503)的宽度大于扁平纤维束(4)的宽度。
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