国产三代2.5D SiC_(f)/SiC复合材料的界面力学性能

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_(f)/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_(f)/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS),根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(σ_(fu))的统计分布,通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_(i))。结果表明:利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_(f)/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能,2.5D SiC_(f)/SiC的IFSS、ISS和Gi分别为56 MPa、(28±5)MPa和(2.7±0.6)J/m2。ISS和Gi较低,表明界面结合较弱,在剪应力作用下易产生裂纹,而IFSS较大,表明界面脱黏后纤维与基体间相对滑动较为困难,阻碍了纤维拔出,不利于发挥纤维的增强作用。根据获得的界面性能和经典ACK模型,较好地预测出比例极限应力,并结合σ_(fu)预测了2.5D SiC_(f)/SiC的拉伸强度。拉伸强度预测值高于实验值,这与界面处径向残余压应力以及纤维承受的残余拉应力有关。

Cansas-ⅡSiC_(f)/SiC复合材料的高温拉伸蠕变行为

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是发展先进航空发动机的关键材料,航空发动机长时服役要求材料具有优异的高温蠕变性能。本工作研究了平纹编织Cansas-Ⅱ碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在空气中的高温蠕变行为,蠕变温度为1200~1400℃,应力水平为80~140 MPa。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了2D-SiC_(f)/SiC复合材料的微观组织和断口形貌,使用能谱分析仪(EDS)进行了成分分析。结果表明:当蠕变应力低于比例极限应力(σPLS)时,2D-SiC_(f)/SiC的蠕变断裂时间超过500 h,稳态蠕变速率为1×10^(–10)~5×10^(–10)/s,蠕变行为由基体和纤维共同控制。当蠕变应力高于σPLS时,复合材料的基体、纤维和界面均发生氧化,蠕变断裂时间显著降低,稳态蠕变速率提高一个数量级,蠕变行为主要由纤维控制。

平纹编织SiC_(f)/SiC复合材料的中温蠕变断裂时间及损伤机制

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是制造下一代航空发动机热结构件的关键材料,中等温度(~800℃)下,SiC_(f)/SiC的蠕变断裂时间t_(u)显著下降。为此,研究了平纹编织SiC_(f)/SiC(2D-SiC_(f)/SiC)在空气中500~1000℃的蠕变性能及损伤机制,应力水平为100~160 MPa。利用SEM、TEM和EDS分析了断口形貌、微观组织和化学成分。结果表明:2D-SiC_(f)/SiC的t_(u)与温度和应力水平有关。相同温度下,2D-SiC_(f)/SiC的t_(u)随着应力增加而变短。当温度为800℃、蠕变应力大于基体开裂应力(PLS)时,2D-SiC_(f)/SiC发生中温脆化现象,其t_(u)下降。2D-SiC_(f)/SiC的中温脆化机制为基体开裂、BN界面氧化和SiO_(2)替代BN界面导致的强界面/基体结合。2D-SiC_(f)/SiC的t_(u)与应力在对数坐标下呈线性关系,且在过渡应力时发生线性转变,过渡应力与PLS一致。提高PLS能够有效提高SiC_(f)/SiC的t_(u)。