随着航空航天事业的不断发展，常规材料已经难以满足飞行器高速、高温、高推重比、高机动性等使用性能的要求。叠层穿刺Cf/Al复合材料作为一种金属基连续纤维增强复合材料，以其低密度、高比强度、高比模量、抗蠕变、可制备复杂薄壁件等优点得到了越来越多的材料研究者的关注。冯景鹏等、陈卫军等、兰泽宇等对叠层穿刺Cf/Al复合材料的室温和高温力学性能进行了初步探索，结果表明叠层穿刺Cf/Al复合材料具有优异的高温力学性能。随着叠层穿刺Cf/Al复合材料越来越多的应用，不可避免的产生各种缺口损伤，从而使其与无缺口的复合材料拉伸性能产生差异，但目前国内外有关叠层穿刺Cf/Al复合材料的缺口力学性能特别是缺口拉伸性能的研究较少。

【研究亮点】

由于当前有关纤维增强复合材料的缺口拉伸研究主要集中于二维编织、单向连续纤维增强、三维编织树脂基、陶瓷基复合材料，关于三维编织Cf/Al复合材料特别是叠层穿刺Cf/Al复合材料缺口拉伸性能的研究目前还比较少见，因此，本课题采用真空压力浸渗法，选取V形和矩形两种典型缺口对以ZL301合金为基体，叠层穿刺编织碳纤维为增强体的复合材料进行缺口拉伸性能研究，对比叠层穿刺Cf/Al复合材料不同缺口的拉伸性能以及复合材料与基体合金的缺口拉伸性能，观察叠层穿刺Cf/Al复合材料断口形貌从而得出叠层穿刺Cf/Al复合材料损伤机理以及叠层穿刺编织结构在基体合金中的作用机制，为叠层穿刺Cf/Al复合材料的缺口拉伸性能研究提供参考和借鉴。

【研究方法】

制备使用的叠层穿刺Cf/Al增强体为M40J型碳纤维，其性能参数见表1。碳纤维按表2工艺参数编织成叠层穿刺预制体，图1为叠层穿刺预制体的编织结构示意图和实物图。

(a) 叠层穿刺编织预制体结构示意图

(b) 叠层穿刺编织预制体实物图

图1 叠层穿刺编织预制体结构示意图与实物图

Mg可以通过减小铝液与编织碳纤维间的润湿角来改善基体合金与预制体之间的浸润性能，并且Mg还能降低界面能防止铝液与碳纤维的界面产物Al4C3过量生成。故选用ZL301作为基体合金，其化学成分见表3。

将编织好的叠层穿刺预制体放入加工好的石墨模具中夹紧，然后用钢板将石墨模具封装并焊上导液管。由于模具尺寸较大，为防止在浸渗充型过程中模具内气体挤压膨胀造成试件尺寸不均匀还需在封装模具四周焊装两圈不锈钢肋条，图2为封装模具示意图和实物图。图3为真空压力浸渗设备对封装好的模具进行浸渗充型，充型过程需在以氩气为保护气的氛围中进行，同时为保证试件良好的致密度还需以氮气为加压气体对铝液进行加压充型与凝固，待封装模具随炉冷却至室温后取出并脱模，即可得到230mm×230mm×4mm的叠层穿刺Cf/Al复合材料。另外，取一部分精炼后的液态ZL301铝合金倒入铝锭模中待其冷却至室温，得到ZL301铝合金铸锭，用线切割对未经热处理的铝锭加工得到拉伸试样。

(a) 封装示意图

(b) 封装实物图

图2 封装示意图与实物图

图3真空压力浸渗设备示意图

图4为无缺口拉伸试样和缺口拉伸试样。采用Instron 5582型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验、弹性模量测试，对不同缺口试样的应力集中系数求解，对得出的抗拉强度进行缺口强度比计算，采用FEI Nova Nano SEM450型场发射扫描电镜对微观组织和断口形貌进行观察。

(a) 无缺口试样和缺口试样尺寸图

(b)无缺口试样和缺口试样实物图

图4 无缺口试样和缺口试样尺寸图和实物图

【研究结果】

基体合金与叠层穿刺Cf/Al复合材料根部圆角为R0.6的V形缺口拉伸试验表明，在V形缺口根部圆角为R0.6时，基体合金ZL301缺口试样与无缺口试样相比抗拉强度由96.0MPa上升至112.7MPa，弹性模量由33.5GPa降至27.3GPa，基体合金表现出缺口强化特征。不同的是，在V形缺口根部圆角为R0.6时，叠层穿刺Cf/Al复合材料缺口试样与无缺口试样相比抗拉强度由669.7MPa下降至663MPa，而弹性模量由94.2GPa上升至106.5GPa，叠层穿刺结构Cf/Al复合材料对根部圆角为R0.6的V形缺口不敏感。

在叠层穿刺Cf/Al复合材料V形缺口拉伸试验中，随着V形缺口根部圆角由R0.3增至R0.6，叠层穿刺Cf/Al复合材料抗拉强度由545.0MPa上升至663.0MPa，弹性模量由110.2GPa下降至106.5GPa，应力集中系数下降，缺口强度比由0.81升至0.99，叠层穿刺Cf/Al复合材料由缺口弱化转为对缺口不敏感。V形缺口根部圆角的增大，减小了缺口处的应力集中程度，基体与纤维界面的脱粘减缓，从而导致了上述叠层穿刺Cf/Al复合材料V形缺口拉伸性能的变化。

叠层穿刺Cf/Al复合材料矩形缺口与根部圆角为R0.3的V形缺口抗拉强度接近为553.5MPa，呈缺口弱化特征，其弹性模量为91.5GPa，较无缺口试样的弹性模量94.2GPa变化不大，结合上述缺口试样的模量可以看出，缺口对试样模量的影响较小，模量的波动主要是受到材料本身内部缺陷的影响。

叠层穿刺Cf/Al复合材料缺口试样呈脆性断裂特征，其主要失效方式为基体开裂、纤维断裂拔出以及基体与纤维界面脱粘，失效的主导因素为缺口处应力集中导致缺口根部先产生裂纹，然后扩展至试样整个横截面使基体与纤维脱粘，最终导致断裂。

(a) 经向截面

(c) Z向截面

(b) 纬向截面

(d) ZL301横向

图5叠层穿刺结构Cf/Al复合材料与基体合金ZL301微观组织

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(a) V形缺口尺寸示意图

(b) 应力线分布示意图

(c) V形缺口处拉伸应力分布示意图

图6 V形缺口尺寸、应力线分布、拉伸应力分布示意图

图7基体合金与叠层穿刺Cf/Al复合材料V形缺口试样的缺口强度比与应力集中系数

(a) 基体合金无缺口与缺口试样

(b)叠层穿刺Cf/Al复合材料无缺口与缺口试样

图8基体合金与叠层穿刺Cf/Al复合材料无缺口与缺口试样载荷-位移曲线

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(a) 150μm

(b) 25μm

(c) 5μm

图9叠层穿刺Cf/Al复合材料无缺口拉伸试样断口形貌

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(a) 3mm

(b) 300μm

(c) 50μm

图10Cf/Al复合材料圆角为0.3 mm的V形缺口拉伸试样断口形貌

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(a) 1.5mm

(b) 300μm

(c) 50μm

图11Cf/Al复合材料圆角为0.6 mm的V形缺口试样拉伸断口形貌

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(a) 3mm

(b) 300μm

(c) 150μm

图12Cf/Al复合材料矩形缺口拉伸试样的断口形貌

(a) V形缺口叠层穿刺结构单胞示意图

(b) 矩形缺口叠层穿刺结构单胞示意图

图13两种缺口叠层穿刺结构单胞示意图

【文献引用】

李荣幸，蔡长春，余欢，等.缺口类型对叠层穿刺结构Cf/Al复合材料力学性能影响[J].特种铸造及有色合金，2022，42(4)：505-512.

LI R X，CAI C C，YU H，et al.Effect of notch types on mechanical properties of Cf/Al composites with laminated needling structures[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2022，42(4):505-512.