SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料增韧机理及界面相微区性能测试方法研究进展

作为一种典型的陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC),SiC_(f)/SiC复合材料具有高比强度、耐高温、抗氧化和抗热震等优点,在航空航天领域应用前景广阔。纤维和基体中间的界面相具有保护纤维、传递载荷、偏转裂纹等作用,赋予SiC_(f)/SiC复合材料伪塑性断裂特征。界面相的设计方案会显著影响其微区性能,进而影响SiC_(f)/SiC复合材料宏观力学性能和损伤失效模式。近年来发展的基于聚焦离子束(focused ion beam,FIB)的微纳加工技术和基于纳米压痕的微观力学测试技术是表征SiC_(f)/SiC复合材料界面相微区性能的有效手段。本文综述了SiC_(f)/SiC界面相现有设计方案及界面相微区性能对增韧效果的影响机制,重点总结了单纤维顶出/顶入、微柱压缩等小尺寸力学测试(small-scale mechanical testing,SSMT)技术的应用现状及各方法的适用条件和优缺点。最后,对CMC界面相微区性能研究的发展趋势做了初步展望,并指出测试方法的标准化、测试环境的高温化及测试数据的模型化是未来的主要发展方向。

碳纤维布表面PyC界面相微观结构及均匀性的工艺调控

陶瓷基复合材料力学性能与界面相的微观结构和均匀性有密切关系。本研究在碳纤维布表面沉积PyC界面相,探究沉积温度、丙烯分压、滞留时间和氢气分压等工艺参数对PyC界面相微观结构及均匀性的影响规律。使用多种手段对PyC界面相微观形貌、织构进行表征,并分析了微观结构、均匀性与工艺参数之间的内在关联。结果表明:界面相织构的规整度随沉积温度和丙烯分压的提高而提高,随氢气分压的提高而降低,而受滞留时间影响较小;沉积温度和丙烯分压升高均导致界面相厚度分布更加不均匀,且丙烯分压过高会直接产生炭黑,延长滞留时间有利于提高界面相的均匀性;对于中织构和高织构,随着氢气分压提高,界面相均匀性先降低后增加,而低织构的界面相均匀性受其影响较小。最后,阐明了PyC界面相生长模式,揭示了工艺参数对PyC界面相织构形态及均匀性的影响规律,为PyC界面相的精细调控提供了基础。

考虑过渡界面相的单向C_(f)/C复合材料界面脱黏有限元模拟研究

建立合理的复合材料界面模型并系统分析纤维脱黏过程是解析C_(f)/C防热复合材料损伤失效微观机制的关键。本研究基于实验文献报道,考虑纤维与基体间亚微米尺度的界面过渡区,提出了一种包含纤维、界面相、基体三相的界面模型。采用指数梯度模型对界面相的平均力学性能进行校准,并对比分析了传统两相和改进三相界面处理方式在预测材料有效弹性性能上的差异性。模拟结果显示三相模型相比两相模型能够更为精确地模拟出材料的整体力学响应行为。进一步地,使用该三相模型对单纤维顶出实验进行模拟,分析界面参数对纤维渐进脱黏过程的影响。研究结果表明:当界面临界断裂能释放率与内聚力强度的取值分别为0.001~0.006 N/mm和13~33 MPa时,纤维的最大顶出力与这两个参数均呈正相关,超出该范围提升效果不再显著;增大界面临界断裂能释放率或减小内聚力强度可以延缓界面完全损伤的过早发生,提升界面的断裂韧性。此外,通过试验-仿真结合的细观力学方法对界面内聚参数进行校准。分析结果将为后续多尺度研究C_(f)/C复合材料界面损伤机制提供理论支撑。

界面相对碳纤维增韧碳化硅复合材料性能的影响

利用减压CVI技术制备了三维碳纤维增韧碳化硅复合材料 ,研究了热解碳界面相对复合材料性能的影响 .结果表明 :适当选择界面相厚度 ,可获得弯曲强度和断裂韧性都较高的碳纤维增韧碳化硅复合材料 .从界面相厚度对界面结合强度和脱粘面上的滑移阻力的影响出发 ,解释了热解碳界面相厚度对复合材料的应力 -位移曲线形状及断裂形式的影响 .

单丝拔出实验研究芳纶－环氧树脂界面相

用单丝拔出实验研究了以有机硅表面处理剂处理的Ｋｅｖｌａｒ－４９－环氧树脂体系界面相。从力一位移曲线可得到界面破坏强度、界面破坏能、界面摩擦功等界面参数。硅表面处理剂对三者的贡献不同，以２￣＃处理剂处理的综合效果最好。

SiCf/SiC复合材料界面相研究进展

分析了连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)中界面相类型以及各界面相在CFRCMCs中的作用,综述了热解碳(PyC)、氮化硼(BN)、难熔氧化物以及复合界面相在SiCf/SiC复合材料中的应用现状,最后展望了SiCf/SiC复合材料界面相的发展方向。

界面相对3D-C/SiC复合材料热膨胀性能的影响

利用减压化学气相浸渗(LPCVI)技术制备了3D C/SiC复合材料,从热解碳(PyC)界面相厚度对界面结合强度和热应力的影响出发,研究了界面相对复合材料热膨胀性能的影响。结果表明:①界面相厚度对3D C/SiC复合材料热膨胀性能的影响主要归因于其对界面结合强度和脱黏面上的滑移阻力的影响。在一定厚度范围(约70～220nm)内,材料的热膨胀系数随热解碳厚度的增加而逐渐降低;②热处理可提高材料的热稳定性,并通过改变材料内部结构,使热应力重新分布,对复合材料的高温热膨胀产生显著影响,但是,并没有改变基体裂纹的愈合温度(900℃)。

PyC/SiC界面相对PIP法制备3D HTA C/SiC复合材料性能的影响(英文)

利用三维编织炭纤维预制件通过先驱体浸渍裂解法制备C/SiC复合材料。研究了热解碳(PyC) /SiC界面相对复合材料的微观结构和力学性能的影响。弯曲性能通过三点弯曲法测试,复合材料的断口和抛光面通过扫描电镜观察。结果表明:通过等温化学气相沉积法在纤维表面沉积PyC/SiC界面相以后,复合材料的三点抗弯强度从46MPa提高到247MPa。沉积界面的复合材料断口有明显的纤维拔出现象,纤维与基体之间的结合强度适当,起到了增韧作用;而未沉积界面相复合材料的断口光滑、平整,几乎没有纤维拔出,纤维在热解过程中受到严重的化学损伤,性能下降严重,材料表现为典型的脆性断裂。

颗粒增强复合材料的界面模型与界面相模型的关系

对颗粒增强复合材料界面模型与界面相模型的关系进行了研究。通过界面位移和应力的间断量建立了与球形粒子薄界面相等效的不完善界面条件和线弹簧界面条件。根据线弹簧界面和具有任意弹性模量的薄界面相之间的等效关系,得到了弹簧常数的表达式。数值结果表明:当界面相和基体的模量比值较小时,与薄界面相模型的精确解相比较,不完善界面和线弹簧界面的解有很高的精确性。另外针对线弹簧模型的性质,讨论了界面可能的法向嵌入,并建立了保证无嵌入的条件。

含界面相复合材料热残余应力分析

该文分析了含有界面相纤维增强复合材料热残余应力的空间分布.针对材料实际微结构几何特点,建立含有界面相的三维三相单丝模型,采用均匀和梯度函数描述界面相模量随空间变化规律,由轴对称体弹性力学理论得到单丝热残余应力分布,再用场叠加方法得到密排六方结构代表性体积元(RVE)中纤维间相互影响的应力场,同时应用有限元法分析RVE中纤维间的残余应力分布,两者结果基本一致.最后通过碳纤维单丝电阻法测出T300/环氧树脂体系固化后的纤维轴向残余应力,实验数据与解析和有限元分析结果基本吻合.

晶体生长界面相研究

在分析前人的晶体生长理论时 ,作者认为晶体生长过程中可能存在界面相 ;在分析各种晶体生长现象后认为 ,晶体生长过程中界面相是存在的 ,并起着十分重要的作用 ;通过分析研究 ,将晶体生长过程中的界面相划分为 3个有机的组成部分 :界面层、吸附层和过渡层 ;并进一步论述了界面层、吸附层和过渡层在晶体生长过程中的地位与作用 ;在此基础上提出了界面相模型。

陶瓷基复合材料中氮化硼界面相研究进展

界面相对陶瓷基复合材料的力学性能有极其重要的作用,其主要作用包括载荷传递、力学熔断、缓解残余应力和保护增强纤维,在此基础上提出了界面相的设计原则。氮化硼具有类似热解炭的层状晶体结构和优于热解炭的抗氧化性能,此外还具有优异的耐高温和化学惰性,氧化产物(B2O3)具有裂纹弥合作用,因此发展成为重要的耐高温陶瓷基复合材料的界面相材料。阐述了氮化硼界面相的结构和功能特点,介绍了氮化硼界面相在SiCf/SiC、Cf/SiC、金属基复合材料、玻璃陶瓷基复合材料中的研究现状,总结了界面相的组成、结构和厚度等因素与材料性能的关系规律。综述了氮化硼界面相制备方法,并分析了各种方法的优缺点。最后指出,构建完善的氮化硼界面相对材料性能影响的物理模型,将是氮化硼界面相在今后的发展方向,获得特定结构的氮化硼界面相涂层是今后研究的难点和重点。

界面相及其特性、表征与应用

提出了界面相的概念及利用界面相与主体相分离以实现溶质分离的设想;建立了测定界面相体积及组分在界面相与主体相之间分配比的实验方法,以葡萄糖为示踪剂,测定了Cu（Ⅱ）的分配比,考察了操作条件对界面相特性的影响。研究结果显示出气-液界面相分离方法在化工、环保及生物化工等领域具有广泛的应用前景。

纤维增韧陶瓷基复合材料界面相的作用及其设计

本文综述了陶瓷基复合材料界面相的作用及其设计。指出：陶瓷基复合材料的界面性能决定其力学响应。界面相的保护作用要求其具有化学相容性和高温稳定性。通过对界面相材质的选择、组织结构及其厚度的控制进而可调节脱粘面上的滑移阻力。

电阻法在单丝碳纤维复合材料体系界面相传载能力评价中的应用

为研究纤维增强树脂基复合材料中界面相应力传递性能差异,对T300碳纤维单丝进行拉伸实验,同步测量碳纤维单丝的电阻和应变对应关系,采集的数据表明二者存在线性关系,通过计算得到其灵敏系数K.然后搭建二维加载平台对斜十字模型进行拉伸,并通过数码偏光显微镜实时观察加载状态下的应力分布,结果表明中心区域应力均匀.在此基础上,将单丝碳纤维电阻测量法和斜十字模型相结合,利用灵敏系数确定斜十字模型中碳纤维与基体的界面相剪切应力,结合电阻法中灵敏系数来确定单丝复合材料体系界面相应力传递效率,结论实现了混合载荷下界面相力学性能的测量.

基于界面相模型的耐火材料损伤演化的表征方法

微损伤是造成耐火材料宏观非线性力学行为的主要原因,研究耐火材料损伤演化的表征方法对其服役过程的仿真具有重要意义。为此,利用细观力学方法,采用界面相模型,通过改变界面相的物理参数来等效模拟微观损伤对耐火材料宏观性能的影响。利用该方法,从MgO-C质耐火材料力学试验出发,采用数值拟合的方法得出应变与界面参数的关系;结合耐火材料的损伤机理,建立材料宏观损伤与界面参数之间的数学关系。在此基础上,对MgO-C质耐火材料的拉压非线性行为进行了模拟,研究结果表明该方法可以很好地模拟耐火材料的非线性行为。

含粘弹性界面相短纤维/弹性体复合材料的纤维临界长径比数学模型

建立了含粘弹性界面相短纤维/弹性体复合材料的纤维临界长径比理论模型,得到了不同界面相破坏形式下初始和长时的纤维临界长径比,并讨论了界面相剪切强度、界面相剪切松弛变量、界面相厚度等诸多参数对纤维临界长径比的影响。结果表明:纤维临界长径比和时间有关,初始时最小,长时最大;三种不同的界面相破坏形式下,纤维临界长径比计算方法也不同;纤维临界长径比和诸多力学性能和结构参数有关,它随着界面相剪切强度和厚度的增大而减小,随着纤维体积含量、弹性模量、断裂强度以及界面相剪切松弛变量的增大而增大;界面相厚度不同,纤维临界长径比差别甚大。所建模型既适合于具有一定厚度界面相的短纤维/弹性体复合材料,也适合于薄界面相或纤维没有经过表面处理的复合材料。

含界面相效应的纤维增强复合材料桥联增韧力学分析

本文对纤维增强复合材料桥联增韧进行了详细的断裂力学分析．基于Ｃａｓｔｉｇｌｉａｎｏ＇ｓ定理和界面剪滞（Ｓｈｅａｒ－ｌａｇ）模型，得到了含界面相效应的复合材料桥联增韧和裂纹张开位移的控制方程；并按照第二类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程的迭代解法，给出其数值结果．为便于分析界面相参数对增韧效果的影响，寻求了该控制方程的近似解解析表达式，对近似解进行了误差估计，证明了解的可行性．在此基础上得到了界面剪切模量、裂纹长度、界面厚度、纤维半径、体积分数以及材料性质等参数对含界面相复合材料桥联增韧效果的影响。

界面相性态对纤维增强复合材料内应力传递的影响

本文用有限元法研究了具有基体裂纹的纤维增强复合材料内的应力传递问题。假设纤维与基体的界面为非理想的，文中运用“弹簧层”模型首先分析了在不同的组分弹性模量比、纤维体积含量与边界约束条件下，界面相性态对复合材料内的应力传递的影响，然后进一步考察了在几种典型的损伤模式下界面附近的应力分布情况。

关于Ti合金界面相的研究进展

回顾了有关钛合金界面相研究的情况 ,包括界面相的微观形态及与基体的位相关系、界面相的形成及对力学性能的影响 ,并对各种观点进行了初步的评述。