2D C/SiC复合材料在1300℃水氧环境下的疲劳行为研究

采用应力比为0．1，频率为3Hz的正弦波分别在室温和1300℃水氧环境对2DC／SiC复合材料进行了拉一拉疲劳试验．结果表明，若取循环基数为10^5，室温和高温水氧环境下的疲劳极限分别为244．8MPa和93．3MPa，高温下的水氧腐蚀是材料失效的主要原因．根据疲劳断口特征分析得出以下结论：在高温水氧环境下，足够大的外载荷将会显著削弱SiO2层的封填裂纹效果，导致氧化性气氛通过外力拉开的微裂纹扩散进入材料内部．外载荷越大，气体在材料内部的扩散越快，复合材料的疲劳寿命越短。

2D C/SiC复合材料低速冲击损伤研究

通过2D C/SiC复合材料的低速冲击试验和冲击后压缩试验,以及超声C扫描和红外热波两种无损检测方法,研究了冲击能量与冲击损伤的关系及其对压缩性能的影响.结果表明:C/SiC具有较好的损伤容限能力,冲击能量低于1.5J时几乎无目视损伤,高于9J时有被击穿的趋势.冲击后的名义压缩强度和压缩模量随着冲击能量的增加呈下降趋势,最多分别下降了44.7%和16.9%.

CVI结合浆料浸渍法制备2D C/SiC复合材料的微观结构和力学性能(英文)

采用CVI结合浆料浸渍工艺制备2D C/SiC复合材料。研究了SiC微粉对复合材料微结构和力学性能的影响。结果表明,当碳纤维预制沉积SiC80h后,微粉主要渗入到纤维束间。复合材料的力学强度随着渗微粉前CVI时间的增加及渗入浆料浓度的降低而增加。微粉的渗入大大降低了材料的层间剪切强度,而对材料的拉伸强度影响较小。

2D C/SiC复合材料蠕变寿命分布规律研究

运用统计学方法,对2D C/SiC复合材料高温拉伸蠕变寿命的分布规律进行研究。通过线性回归分析得到适合表征材料高温拉伸蠕变寿命的正态、对数正态和两参数Weibull三种分布模型的拟合参数;结合失效概率和拟合优度检验,利用信息理论,对三种分布模型进行综合评价,认为三种分布中两参数Weibull分布最适合描述2D C/SiC高温拉伸蠕变寿命的分布规律。

PIP工艺制备2D C/SiC复合材料Z-向穿刺工艺

针对2DC/SiC复合材料存在碳布层间缺乏纤维增强,层间结合较差的问题,提出通过Z-向穿刺工艺提高碳布层间结合,克服材料使用时可靠性不高的问题,并比较了穿刺工艺对复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明,通过Z-向穿刺工艺制得试样2DC/SiC-Zpin的弯曲强度、弯曲模量和剪切强度分别为247.8MPa、37.8GPa和32.1MPa,而未穿刺试样2DC/SiC的弯曲强度、弯曲模量和剪切强度分别只有219.3MPa、34.4GPa和23.3MPa,由此可见,采用Z-向穿刺工艺能明显提高复合材料的力学性能。微观结构分析认为,试样力学性能提高的根本原因在于采用Z-向穿刺纤维加强了碳布层间结合,使材料具有较好的整体性,克服了复合材料层间结合较弱对力学性能带来的不利影响。

基于聚碳硅烷直接固化的2D C/SiC复合材料粘接方法与室温粘接性能

为了研究2D C/SiC复合材料的可粘接性,采用聚碳硅烷(PCS)作为粘接剂,经室温固化直接粘接2D C/SiC复合材料。通过测试2D C/SiC连接板在粘接前后的三点弯性能,研究2D C/SiC复合材料的粘接效率,并采用有限元仿真模拟2D C/SiC粘接层的受力状态,揭示其内应力分布。结果表明,PCS可用作2D C/SiC复合材料的室温粘接剂,2D C/SiC粘接件表现出与2D C/SiC复合材料相似的弯曲行为,其平均弯曲强度为126.46±23.95 MPa,粘接效率为41.62%。有限元计算表明,在理想状况下,板以及粘接层能保持为一个整体,不开裂,强度最高,粘接效果最好;当粘接层的材料属性离样板的材料属性越来越远时,两者受力不一致,最终导致开裂,粘接效果差。

2D C/SiC复合材料与Mo的界面反应研究

研究了在1700℃、Ar气氛下2D C/SiC-Mo反应偶的界面化学反应,利用XRD、EDS和SEM分析了反应界面的组成和微结构,讨论了界面反应机理;分析了反应偶材料热膨胀失配对界面残余应力的影响。结果表明:界面反应产物主要为Mo2C、Mo5Si3和Mo5Si3C,扩散路径可概括为Mo/Mo2C/Mo5Si3/Mo5Si3C/SiC;界面化学反应主要由元素的扩散控制,计算得出了在1700℃的扩散反应速率常数为1.05μm2/s;反应偶两种材料热膨胀系数的失配导致较大残余应力的产生,从而使反应界面在冷却后脱开。

基于自洽聚类分析的2D C/SiC压缩性能快速预报

本文利用自洽聚类分析(Self-consistent clustering analysis,SCA)方法研究了2D C/SiC在单轴压缩载荷下的渐进损伤行为,SCA方法通过应变集中张量对网格单元进行聚类,在不显著降低计算精度的前提下,大幅度降低了模型的自由度,使模型的计算效率得以提高。整个方法由离线和在线两个阶段组成:离线阶段,利用k-means算法对高保真度的复合材料单胞进行分解、聚类并计算不同聚类间的相互作用张量,最终生成降阶模型;在线阶段,基于降阶模型求解离散的Lippmann-Schwinger方程组获取力学响应。将SCA方法应用于2D C/SiC压缩强度的预报,当聚类总数量为64时,与试验相比,压缩强度求解的计算精度与传统有限元相比降低了1%,但整体计算效率提升了34倍。当不考虑离线阶段花费的聚类时间,即事先已知材料的细观构型对其力学行为进行求解时,其一次在线计算的时间仅为6 s,计算效率比传统有限元提升了104倍,在结构性能快速设计、结构状态快速预报等领域,有着广阔的应用前景。

2D-C/SiC复合材料的面内剪切本构模型

为了表征2D-C/SiC复合材料的面内剪切行为,考虑基体开裂、界面脱粘、纤维桥连弯曲等损伤机制,提出宏细观两尺度下的含损伤体元模型;引入热失配应力的影响,在分别表征卸载弹性应变和残余应变的基础上,建立材料的温度相关面内剪切本构模型。开展室温单调加载和加卸载面内剪切实验,发现残余应变和弹性应变均随剪应力的增大逐渐增大,而卸载模量随剪应力的增大持续减小。将模型用于2D-C/SiC复合材料剪切行为的模拟,结果表明:模型对于弹性应变、残余应变、卸载模量和整体应力-应变曲线的预测值均与实验数据吻合,验证了分析模型的合理性与准确性;在此基础上,给出2D-C/SiC复合材料在不同温度下的面内剪切应力-应变关系曲线,为热结构设计提供参考。

2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验,研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为.结果表明,残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状.基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型,分析计算表明,残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定,而卸载模量主要由界面脱粘率决定;材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定,横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小.理论模拟结果与试验值吻合较好.

2D C/SiC复合材料氧化损伤的红外热波成像检测

采用红外热波成像技术分别对二维叠层C/SiC(2D C/SiC)复合材料的无SiC涂层盲孔试样和有SiC涂层的三点弯曲强度试样的氧化损伤进行无损检测。分析了材料氧化损伤与热辐射强度信号之间的关系,以及热扩散系数与材料密度、抗弯强度之间的关系,探索了采用红外热波成像检测和评价2D C/SiC氧化损伤的可行性。检测结果表明:红外热波成像可以直观地反映2D C/SiC复合材料的氧化损伤。2D C/SiC氧化后的密度随热扩散系数的减小呈对数降低,其抗弯强度随热扩散系数的减小呈抛物线降低。由此得出,热扩散系数可以作为衡量陶瓷基复合材料的氧化损伤程度的依据,红外热波成像是一种无损检测陶瓷基复合材料氧化损伤的有效方法。

2D-C/SiC缺口试样的拉-拉疲劳损伤

研究了二维正交编织C/SiC双边对称圆弧缺口试样室温和高温真空的拉拉疲劳行为,正弦波疲劳应力比R=0.1,频率60Hz,循环基数106次.循环到规定周次停机,测量试样的共振频率、电阻,并进行SEM观察.结果表明,2D-C/SiC复合材料缺口试样拉-拉疲劳的S-N曲线非常平坦,其疲劳极限是同温度下缺口试样拉伸强度的80%～90%,光滑试样和缺口试样的疲劳极限比值与理论应力集中系数基本相同.缺口试样在疲劳过程中,电阻表征损伤与模量表征损伤的规律基本一致.在疲劳试验初期阶段,缺口附近损伤发展很快,主要表现为产生大量与加载方向垂直的裂纹,随着疲劳次数的增加,损伤发展减缓,但损伤形式逐渐增多,缺口附近与加载方向垂直的裂纹数量明显多于平行加载方向的裂纹数.讨论了电阻表征损伤和模量表征损伤之间的关系.

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。

2D-C/SiC复合材料开孔试件拉伸特性和失效分析

通过对2D-C/SiC复合材料4mm和6mm开孔试件进行拉伸试验,研究了开孔试件的拉伸特性和失效模式,与标准试件拉伸试验结果比较获得了开孔尺寸对试件强度的影响。相比于标准拉伸试件,4mm和6mm开孔试件的拉伸强度分别减小了1.0%和6.6%。通过在开孔试件不同位置粘贴应变片,获得了试件在拉伸过程中最小净截面上的应变变化规律,直观地体现了试件拉伸过程中的应变集中现象,并通过有限元对开孔试件的应变分布进行模拟,模拟结果与试验值吻合较好;通过在试件表面粘贴声发射探头,获得了拉伸过程中试件材料的损伤参量变化规律,反映了试件的宏观损伤演化规律,并结合试件断口照片分析了开孔试件的失效行为。

分形维数和弹性模量衰减表征2D-C/SiC的拉伸蠕变损伤

真空条件对2D—C／SiC复合材料在1300℃和1500℃进行了高温拉伸蠕变试验，蠕变进行到0、0．5h、2h、10h、25h、50h中断试验，用SEM观察表面形貌，用盒维数法计算试样表面裂纹的分形维数；同时测量试样的弹性模量。结果表明，由于2D—C／SiC特有的蠕变损伤形式，所形成的损伤尺度都较短，其分形维数介于0～1之间。用分形维数和弹性模量衰减都可表征2D—C／SiC的蠕变损伤，两种损伤参量所描述的蠕变损伤总的发展趋势基本一致，即蠕变开始阶段损伤发展较快，随后进入缓慢发展的第二阶段。在第二阶段中，分形维数表征的损伤持续单调增加；而用弹性模量衰减表征的损伤在该阶段出现先下降随后升高的现象。以基体裂纹为主要损伤形式的条件下。分形维数主要反映蠕变试样局部的损伤，而弹性模量衰减反映的是蠕变试样整体的损伤。

2D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过单调拉伸和循环加卸载试验,研究了2D-C/SiC复合材料的力学性能及损伤演化过程。结果表明,残余应变、卸载模量和应力的关系曲线与拉伸应力应变曲线具有类似的形状。基于细观力学建立了材料的损伤本构关系和强度模型,分析计算表明,残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定,而卸载模量主要由界面脱粘率决定;材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定,横向纤维束对材料的整体模量和强度贡献较小。理论模拟结果与试验值吻合较好。

2D-C/SiC缺口试样的拉伸行为

研究了具有双边对称圆弧缺口(试样厚3 mm宽4 mm,缺口半径2 mm,缺口深0.6 mm)的二维正交编织C/SiC试样在室温空气中与高温真空下拉伸行;测量了拉伸过程中的应力、应变、初始模量和电阻;并用SEM观察断口。结果表明,2D-C/SiC材料除室温下缺口试样的拉伸强度低于光滑试样外,高温下两者基本相当,两者都随温度的升高变化也基本一致。高温下缺口试样拉伸强度与光滑试样相当说明,该材料对应力集中不敏感;室温时对应力集中敏感。缺口试样的断裂应变要远小于光滑试样的断裂应变。2D-C/SiC材料缺口试样基体裂纹开裂应力随着试验温度的上升逐渐增加。缺口试样的相当模量高于同一温度下光滑试样的弹性模量,两者都随着试验温度上升而增加,在1 100℃达最大值,然后开始下降。电阻表征的损伤大体上随载荷增加而增加,1 300℃和1 500℃条件下,较小载荷范围内有下降现象。从室温到1 500℃,所有断口中与载荷方向垂直的纤维束断裂面平整,平行于载荷方向的纤维束断面参差不齐。2D-C/SiC复合材料总体上仍属于脆性断裂,局部上有纤维或纤维束内小的纤维集团拔出,吸收了较多的能量,存在增韧机制。

2D-C/SiC复合材料面内剪切性能统计及强度B基准值

针对2D-C/SiC复合材料进行大子样面内剪切实验,研究材料面内剪切模量和强度的分布规律及强度B基准值。运用线性回归结合假设检验的方法,确定2D-C/SiC复合材料面内剪切力学性能的分布规律及参数,对比两种不同经验失效概率得到统计结果;通过观察试样最窄净截面微CT照片及断口电镜扫描照片,解释材料面内剪切强度分散性微观机制,基于分布规律,最终计算得到2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值。结果表明:强度和模量均同时服从威布尔、正态和对数正态分布,且理论模型与实验结果吻合良好,两种经验失效概率不影响力学性能分布规律;面内剪切强度分散性与最窄净截面致密度和界面脱粘长度有关;2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值为80.41MPa。

2DC/SiC复合材料阻尼性能研究

测试了CVI工艺制备的2D C/S iC复合材料的阻尼性能,讨论了其阻尼机制,分析了涂层、测试频率和热处理等因素对其阻尼峰的影响。结果表明,2D C/S iC复合材料的阻尼峰值可达1.86×10-2,其阻尼机制主要为微裂纹扩展、增强纤维阻尼及界面阻尼;S iC涂层可大幅度降低2D C/S iC复合材料的阻尼性能,消除阻尼特性曲线上的阻尼峰;2D C/S iC复合材料阻尼峰随加载频率的升高而降低;高温热处理使2D C/S iC复合材料阻尼峰降低。

强噪声载荷下2D-C/SiC复合材料平板失效机理

2D-C/SiC复合材料壁板结构是高超声速飞行器热防护系统的发展方向,高超声速飞行器面临着严酷的力、热、噪声等复杂环境对结构材料性能、结构动力学特性、自动控制等都产生了严重影响。基于自行研制的热噪声试验系统,选取C/SiC薄壁结构试验件,开展噪声为156~165dB的噪声试验,试验后通过红外热成像检测观察整体形貌,采用SEM对裂纹的起始位置和扩展位置的断面进行分析,揭示出强噪声激励下2D-C/SiC平板的失效机理。