1 導讀
聚合物基複合材料具有比強度高、絕熱效能好、成本低等優點，被廣泛應用於航空航天領域。但聚合物基複合材料存在抗氧化效能差、燒蝕量大等缺點，在一定程度上限制了其在高溫條件下的使用。西北工業大學張超（通訊作者）課題組，王煥芳（第一作者），與武漢理工大學石敏先課題組合作在《Composites Science and Technology》上發表了題為“Time-dependent high-temperature compressive failure behavior of high-silica/boron-phenolic composites modified with boron carbide and talc”的文章，報道了一種新型的熱防護材料：碳化硼（B4C）及滑石粉改性高矽氧/硼酚醛機織複合材料，該材料在高溫有氧環境下會發生一系列的物理化學反應，進而提高材料的熱穩定性。該文主要進行了高溫壓縮失效行為的研究，發現壓縮強度及失效模式與溫度緊密相關，且隨保溫時間的增加，不同溫度下的壓縮強度有不同的變化趨勢。
2 內容簡介
該文首先對B4C-滑石粉改性高矽氧/硼酚醛機織複合材料進行了熱分析，透過熱重試驗可知，在空氣氣氛條件下，新增碳化硼（B4C）及滑石粉的高矽氧/硼酚醛機織複合材料的在1000 ℃時的剩餘質量明顯較未新增B4C及滑石粉的複合材料高。其中當溫度高於600 ℃時，B4C-滑石粉改性高矽氧/硼酚醛機織複合材料在空氣氣氛下的質量不降反增。同時結合特徵溫度點的氣體紅外光譜，揭示了質量增加的原因：即B4C與含氧分子發生氧化反應，生成了B2O3，當溫度高於800 ℃時，B2O3會揮發，但滑石粉分解物能夠一定程度上抑制B2O3的揮發，因而材料的增重速率降低。此外，由於N2氣氛環境中含氧分子較空氣的少，因而未出現增重現象。
圖1 （a）B4C-滑石粉改性高矽氧/硼酚醛機織複合材料在空氣和N2氣氛中的熱重分析；氣體產物在（b）空氣和（c）N2氣氛中不同溫度下的紅外光譜。
接著，文中對B4C-滑石粉改性高矽氧/硼酚醛機織複合材料的高溫壓縮失效行為的研究。圖2為保溫0.5 h時，應力-應變曲線及壓縮強度隨溫度的變化情況。可以明顯地看到，相較於低於340 ℃的應力-應變曲線，當溫度高於560 ℃時，應力-應變曲線的上升段明顯變緩（如圖2（a）及（b）所示）。且在560 ℃時，材料的壓縮強度發生了突降（如圖2（c）所示）。560 ℃時應力-應變曲線及強度的突變，主要是由於基體變軟，併發生嚴重熱解引起的。由於經紗的纖維波動角較小，因而同等溫度下，沿經紗載入的試樣具有較高的強度。
圖2 B4C-滑石粉改性高矽氧/硼酚醛機織複合材料在不同溫度下沿（a）經紗及（b）緯紗方向載入時的應力-應變曲線；（c）為壓縮強度隨溫度的變化情況。
圖3為不同溫度（25-1000℃）下保溫0.5h，沿經紗及緯紗方向壓縮載入試樣的失效形貌。可以看到，當溫度低於340 ℃時，試樣主要呈剪下失效，560 ℃時主要呈現分層失效，且試樣表面有脫粘的纖維絲。而當溫度高於780 ℃時，試樣表面覆蓋有一層白色物質，最終呈呈纖維屈曲失效。對比圖3（a）及（b），可以看到載入方向對失效形貌幾乎無影響。
另外，為了進一步分析試樣的壓縮失效機理，採用掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜儀（EDS）對錶面微觀形貌及元素進行了分析。發現340 ℃以下纖維能較好地固定於基體中，因而具有較高的基體/纖維介面強度，故而材料的壓縮強度較高。而560 ℃時纖維上僅有一些基體片段，主要是因為基體發生的嚴重熱解所致（基體中碳（C）元素較340 ℃時明顯減少），導致基體/纖維介面粘結強度降低，故而強度發生突降。而當溫度升至780 ℃及1000 ℃，基體熔融幷包裹住纖維，從而增強基體/纖維介面效能，因而試樣最終成纖維屈曲破壞，而不是分層破壞。此外，1000 ℃時高矽氧纖維發生結晶導致韌性降低，因而在壓縮載荷下屈曲的纖維出現裂紋。
·
圖3 不同溫度（25-1000℃）保溫0.5 h時，沿（a）經紗及（b）緯紗載入的試樣的失效形貌。（其中圖示比例尺為放大區域的標識）
圖4 保溫0.5 h時，沿經紗載入的試樣在不同溫度下的SEM圖：（a）25 ℃,（b）130 ℃, (c) 340 °C, (d) 560 °C, (e) 780 °C, (f) 1000 °C；(g)及(h)分別為纖維及基體表面在不同溫度下的元素原子分數。
由於該材料在高溫下會發生一系列的物理化學反應，因而該研究還分析了保溫時間對壓縮強度的影響（如圖5所示）。可以看到隨著保溫時間的增加，130 ℃時的強度逐漸增大，這主要是由於後固化引起的；而340℃及560℃的強度隨保溫時間的增加而降低，這主要是由於熱解程度隨時間的增加而增大，介面粘結效能降低引起的；然而，780℃及1000℃的強度隨保溫時間的增加略有增加，這主要是因為B4C氧化程度增大，B2O3生成量增多從而提高了整個試樣的壓縮強度（如圖6所示）。並且當保溫時間增加至2 h，1000 ℃時高矽氧纖維的結晶度增加，纖維韌性變差，因而在壓縮載荷作用下纖維凸側有更多的裂紋。
圖5 （a）保溫時間對沿經紗方向載入的試樣壓縮強度的影響；（b）強度比隨溫度和保溫時間變化的3D圖。
圖6 沿經紗方向載入的試樣在不同溫度下的失效形貌，保溫時間為（a）1 h；（b）2 h。
3 小結
B4C-滑石粉改性高矽氧/硼酚醛機織複合材料具有良好的熱穩定性，該研究發現試樣的失效模式隨溫度的變化而變化，25-340 ℃為剪下失效，560 ℃為分層失效，780-1000 ℃為纖維屈曲失效；並且隨著保溫時間的增加，試樣的強度在不同溫度下的變化趨勢不同。該研究能夠為B4C-滑石粉改性高矽氧/硼酚醛機織複合材料提供基本的熱-力學資料，有助於設計具有更高完整性及可靠性的熱防護結構。
原始文獻：
Wang H, Dong C, Hu W, et al. Time-dependent high-temperature compressive failure behavior of high-silica/boron-phenolic composites modified with boron carbide and talc [J]. Composites Science and Technology, 2021, in press.
整理人：王煥芳
編校：張鑫
專注於複合材料領域的知識創作與分享，國內複合材料領域頗具影響力的技術交流平臺之一，深受廣大學生群體喜愛，所釋出的前沿資訊、模擬案例、技術方法、程式碼外掛助力了無數學子學業的完成和能力的提升。“聚焦前沿，引領未來”，複合材料力學公眾平臺期待您的關注。
複合材料失效理論知多少（九）：Puck及LaRC05失效判據中斷裂角的高效求解方法彙總
複合材料失效理論知多少？（一）
複合材料失效理論知多少（三）：一戰封神Pinho理論
【奇文共欣賞，疑義相與析】複合材料破壞準則 ⎯ ⎯ 迴歸理性
拓撲最佳化在工程設計中的應用
【擴充套件】複合材料力學平臺開通複合材料製品加工、試驗測試、原料裝置採購需求對接業務
複合材料力學相關期刊最新分割槽（2021.12更新）
複合材料傳動軸設計、分析、纏繞模擬及製造整體解決方案
【4.5折】10學時Abaqus複合材料基礎建模分析影片課
北航《Composites Science and Technology》：分級複合材料的力學研究進展
複合材料層壓板標準試樣有限元建模外掛
【前沿追蹤徵稿】助力論文閱讀量和引用量的提升
人工智慧在複合材料研究中的應用
一張圖掌握Abaqus複合材料層板結構基礎建模、快捷建模及顯式分析建模
【精品課程】2021年首期複合材料固化模擬培訓
複合材料模擬分析之路還要走多遠？
複合材料相關SCI期刊最新影響因子
Kwind-國內首款自主研發的商業複合材料纏繞模擬軟體
複合材料損傷、破壞領域理性安在？
聊一聊世界複合材料失效運動會（WWFE）——搞復材失效而不知WWFE你就out了
回顧經典層合板理論（修正一點錯誤）
有限元計算剛度偏高的幾點原因及應對措施
XFEM+UDMGINI實現複合材料擴充套件有限元分析
複合材料力學公眾號歷史文章彙總【請收藏】
