2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_(f)/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_(f)/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_(f)/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_(f)/SiC层间约束关系的复杂性;层间断面为结构性非完全损伤,发生了局部纤维桥连现象。

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。

SiC_(f)/SiC复合材料表面Si/Yb_(2)Si_(2)O_(7)涂层1350℃抗热冲击和抗热冲刷性能研究

为了研究Si/Yb_(2)Si_(2)O_(7)涂层在1350℃条件下的抗热冲击和抗热冲刷性能,首先在SiC_(f)/SiC复合材料上采用真空等离子喷涂技术制备了Si/Yb_(2)Si_(2)O_(7)涂层,并采用金相、物相、SEM、EDS、燃气热冲击设备和燃气热冲刷设备对试样进行了结构及性能表征。结果表明:涂层与SiC_(f)/SiC复合材料的结合强度为25.01 MPa。经过1350℃燃气热冲击1000次,1350℃、550 m/s燃气热冲刷1 h后,Yb_(2)Si_(2)O_(7)涂层的表面物相均主要为Yb_(2)Si_(2)O_(7)、Yb_(2)SiO_(5)、Yb_(2)O_(3)和SiO_(2),抗热冲击和抗热冲刷2项性能测试结果均达设计要求。涂层结合强度很高,复合材料、Si层和Yb_(2)Si_(2)O_(7)层耐高温且热匹配性能较好,且面层的抗燃气腐蚀能力很强,是涂层热冲击、热冲刷性能良好的主要原因。燃气热冲刷的燃气燃烧时间比燃气热冲击的总时间短,且热冲刷为恒温连续冲刷,无冷热的剧烈交替变化,故燃气冲刷后涂层边缘处靠近工装装卡的地方未见明显开裂,且连续冲刷后的黑色烧蚀区域较燃气热冲击的面积小。

0.5Y_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)-Cu/20Mo3SiC复合材料的热变形行为及热加工图

采用真空快速热压烧结法制备了0.5Y_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)-Cu/20Mo3SiC复合材料,在650~950℃温度范围和0.001~10 s^(-1)应变速率条件下,利用Gleeble-1500D数控动态-力学模拟试验机对0.5Y_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)-Cu/20Mo3SiC复合材料进行热变形试验,根据试验结果绘制了其真应力-真应变曲线。根据动态材料学模型,构建了复合材料的热加工图,确定其适宜的热加工参数。结果表明:0.5Y_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)-Cu/20Mo3SiC复合材料的真应力-真应变曲线存在典型的动态再结晶特征,其热激活能为211.109 kJ/mol,并构建了本构方程;基于动态材料模型构造的热加工图,确定了复合材料最佳的热加工工艺参数为:变形温度为725~950℃,应变速率为0.006~0.223 s^(-1)。

纳米TiO_(2)/SiC复合材料的光致发光性能

纳米SiC溶解于无水乙醇中,加入不同V(钛酸丁酯),通过溶胶-凝胶法得到不同w(TiO_(2))的纳米TiO_(2)/SiC复合材料。通过X射线粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线能谱仪(EDS)和荧光分光光度计(PL)对样品的纯度、微观形貌、元素成分和光致发光性能进行表征。结果表明,采用溶胶-凝胶法可以制备TiO_(2)/SiC复合材料,w(TiO_(2))对复合材料的光致发光特性产生重要影响。w(TiO_(2))=10%,发射峰强度大,主要与SiC和TiO_(2)表面缺陷的量子限制效应有关。随着w(TiO_(2))增加,发射峰强度下降,主要与TiO_(2)纳米颗粒表面的氧空位和缺陷的量较少有关。

模压压力对2D-C_f/SiC复合材料性能的影响

以聚碳硅烷、SiC微粉为原料,二维碳纤维织物为增强体,采用先驱体转化法制备了2D-Cf/SiC复合材料,考察了模压压力对2D-Cf/SiC复合材料常温力学性能的影响。结果表明,随着模压压力的增加,纤维体积分数明显提高,但材料的力学性能未能随之提高,主要原因在于随着压力增加,SiC微粉对碳纤维的损伤加剧。模压压力的增加导致纤维体积分数增加和纤维损伤的加剧,两方面的原因造成模压压力对材料的力学性能影响不大。有压成型比无压成型制得的材料的高温抗氧化性要好,主要原因是在0MPa压力下,材料基体更容易出现裂纹,从而使得高温条件下氧化气氛更容易对材料性能造成损害。

无压烧结SiC/TiB_(2)复合材料组织与性能的研究

以TiB_(2)为基体、SiC为主要添加相、B_(4)C和纳米炭黑为烧结助剂,采用无压烧结方法制备SiC/TiB_(2)复合材料,研究SiC添加量对SiC/TiB_(2)复合材料的显微组织、力学性能及体积电阻率的影响。结果表明:随着SiC含量的增加,复合材料的晶粒尺寸逐渐减小,开口气孔率逐渐降低,抗折强度、断裂韧性及维氏硬度均呈现上升趋势;当SiC的质量分数为20%时,复合材料的力学性能最佳,此时其抗折强度、断裂韧性和维氏硬度分别为189.5 MPa、4.19 MPa·m^(1/2)和15.8 GPa;随着SiC含量的增加,复合材料的体积电阻率增大,导电性能有所降低。

防冻液环境下PPS复合材料与不同配副材料的摩擦学行为

采用热压成型法制备短切碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)复合材料,研究汽车专用防冻液环境中复合材料与4Cr13不锈钢、SiC陶瓷和Al_(2)O_(3)陶瓷配副在不同载荷下的摩擦磨损性能;考察摩擦副在防冻液中的润湿性与耐腐蚀性;利用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复合材料及对偶件磨损面进行观察,结合磨损面EDS和XRD分析探究材料的摩擦磨损机制。结果表明:防冻液环境中,SiC陶瓷耐腐蚀性能最强,Al_(2)O_(3)陶瓷润湿性最好;在相同载荷下与4Cr13配副时复合材料的磨损率最低,但摩擦因数随载荷的增大上升最快,对偶件磨损率最大且磨粒磨损严重;与SiC或Al_(2)O_(3)配副时复合材料摩擦面呈现研磨特征;在相同载荷下与Al_(2)O_(3)配副时复合材料磨损率最大,磨屑向对偶件表面沉积,与SiC配副时复合材料摩擦因数最小且对偶件磨损率最小。因此PPS复合材料与SiC配副宜作为防冻液环境下长耐久滑动轴承的优选材料。

2D-C_f/SiC复合材料缺口试件拉伸力学行为研究

通过对V型、半圆型和细线型双边缺口2D-Cf/SiC复合材料试件进行拉伸实验,研究了不同形状缺口对试件拉伸力学行为的影响。通过引伸计获得了拉伸过程中缺口段材料整体拉伸变形与净截面应力之间的对应关系;通过应变片获得了缺口附近局部材料的应变数值,直观体现了缺口周围的应变集中现象;依据应变变化规律,分析了双边缺口试件的损伤失效进程。通过对比标准拉伸试件,全面分析了2D-Cf/SiC复合材料双边缺口试件拉伸净强度的主要影响因素和破坏机理;最后通过有限元模拟,得到了三种缺口试件缺口段材料的应变分布情况。结果表明:拉伸过程中缺口试件缺口段材料损伤失效进程具有明显的非同步性,净拉伸强度随缺口形状不同出现不同程度下降;有限元模拟结果与实验结果吻合较好。

SiC_f/Super α_2复合材料的界面反应及对性能的影响

采用透射电镜研究了SiCf/Superα2复合材料的界面反应及其对抗拉强度的影响。结果表明,制备状态的复合材料的界面反应产物为4层分布,经高温长时间热处理后,界面反应区可分为6层,电子衍射分析和成分分析表明:界面反应产物为TiC,Ti3AlC,Ti3Si和Ti5Si3。界面反应层的加厚服从抛物线规律,是一个扩散控制过程。复合材料的抗拉强度随界面反应层的加厚而下降,计算表明:SCS-6SiCf/Superα2复合材料的抗拉强度不受影响的临界界面反应区厚度为0.75μm。

C/C复合材料MoSi_2-Mo_5Si_3/SiC涂层的制备及组织结构

采用化学气相反应法和料浆刷涂反应法,在C/C复合材料表面制备了MoSi_2-Mo_5Si_3/SiC复合涂层,借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段,对涂层的形成、组织结构进行了研究,并初步考察了涂层的高温抗氧化性能.结果表明:制备的复合涂层厚度为400μm左右,主要由β-SiC、MoSi_2及少量的Mo_5Si_3组成.1350℃等温氧化10h后,复合涂层试样的氧化失重率只有1.21%,明显低于C/C复合材料SiC单涂层试样,其高温抗氧化性能得到明显的提高.因此,与C/C复合材料SiC单涂层相比,经封填改性制得的复合涂层结构更致密,具有良好的高温抗氧化性能.

2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征

通过单向拉伸和分段式加载-卸载实验,研究了二维编织C/SiC复合材料的宏观力学特性和损伤的变化过程。用扫描电镜对样品进行微观结构分析,并监测了载荷作用下复合材料的声发射行为。结果表明:在拉伸应力低于50MPa时,复合材料的应力-应变为线弹性;随着应力的增加,材料模量减小,非弹性应变变大,复合材料的应力-应变行为表现为非线性直至断裂。复合材料的平均断裂强度和断裂应变分别为234.26MPa和0.6%。拉伸破坏损伤表现为:基体开裂,横向纤维束开裂,界面层脱粘,纤维断裂,层间剥离和纤维束断裂。损伤累积后最终导致复合材料交叉编织节点处纤维束逐层断裂和拔出,形成斜口断裂和平口断裂。

C/C复合材料防氧化涂层SiC/SiC-MoSi_2的制备与抗氧化性能

采用包埋法和涂刷法在C/C复合材料表面依次制备了SiC内涂层和SiC-MoSi_2外涂层,借助XRD与SEM对涂层的微观结构句进行了分析,研究了涂覆后的C/C复合材料在高温静态空气中的防氧化性能.结果表明:SiC/SiC-MoSi_2复合涂层有效缓解了MoSi_2与C/C热膨张不匹配问题,涂层无裂纹;复合涂层在900和1500℃静态空气环境下均可对C/C复合材料有效保护100 h以上;涂层的多层、多相结构以及在高温氧化后表面生成的SiO_2薄膜是其具有优异防氧化性能的原因.

原位合成MoSi_2-30%SiC复合材料的高温蠕变行为

研究了含30％SiC（体积分数）的热压原位合成MoSi2基复合材料及对比用的商用MoSi2与SiC混粉热压材料在1200-1400℃的压缩蠕变行为.结果表明,在60-120MPa应力条件下,原位合成复合材料的稳态蠕变速率都可维持在10-7s-1量级或更低的水平.高于1300℃,原位合成材料的稳态蠕变速率明显低于商用混粉材料的主要原因是MoSi2/SiC相界面为纯粹的原子结合,无SiO2非晶相存在.蠕变机制为位错蠕变,MoSi2基体中的位错类型为<110>与<100>.

碳/碳复合材料MoSi_2/SiC涂层在动态氧化环境下的性能研究

为了考察MoSi2/SiC防氧化涂层体系在动态氧化环境下的防护能力,对碳/碳复合材料MoSi2/SiC涂层试样在1100～1500℃下进行了高温燃气高质流冲刷环境下的氧化试验。结果表明,在1100～1500℃的燃气动态环境下,具有稳定的氧化失重速率,氧化失重曲线近似呈直线关系,氧化失重和氧化失重速率均随着氧化温度的升高而降低,表现出该涂层抗高质流冲刷和氧化的能力随温度的升高而提高,在该温度区间内,随着温度的升高,具有更优异的抗氧化和抗高质流冲刷的能力。

炭/炭复合材料高温抗氧化MoSi_2/SiC复合涂层及其抗氧化特性

采用两段式包埋法和封闭处理的复合新工艺制得抗氧化性优良的MoSi2/SiC复合梯度C/C复合材料高温抗氧化涂层。涂层由内至外结构为:SiC过渡层→SiC致密层→MoSi2/SiC双相层→以MoSi2为主的外层。对未封闭处理的涂层,制备过程中高温保温时间长的氧化失重少,1200℃、1300℃空气中氧化失重比1400℃、1500℃氧化失重大。用正硅酸四乙酯对涂层表面进行封闭处理,凝胶形成的SiO2可充填涂层表面裂纹并覆盖在涂层表面。在1500℃空气中氧化一定时间后,未封闭处理的涂层试样表现为氧化失重;封闭处理后的试样为氧化增重,氧化52 h仍然只有1.28%的增重,封闭处理使涂层的抗氧化性能明显改善。

SiC颗粒强韧化MoSi_2复合材料

通过湿法混料和热压烧结工艺成功地制备了 2 0 vo1% Si CP/ Mo Si2 复合材料 ,并测定了其显微组织和力学性能。结果表明 :Si CP/ Mo Si2 复合材料主要由 Mo Si2 和 Si C颗粒组成 ,还有少量的 Mo5Si3,致密度为 92 .3 %。与Mo Si2 相比 ,其室温抗弯强度提高了 30 .6 % ,断裂韧性提高了 5 3 % ,12 0 0℃的抗压强度提高了 44 % ,140 0℃的抗压强度提高了 5 3 % ;其硬度、弹性模量等性能有较大提高。在 Al2 O3和 Si C对磨盘上表现出极其优异的耐磨性能。Si C颗粒对 Mo Si2 的室温增韧。

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。

ZrO_2+SiC颗粒强韧化MoSi_2复合材料的显微组织和性能

通过显微组织观察和力学性能测试 ,初步探讨了ZrO2 +SiC颗粒对MoSi2 基体材料的强韧化效果和机制。结果表明 ,材料复合具有较好的强韧化协同效应 ,复合材料中ZrO2 相和少量SiC颗粒在基体的间层作用 ,可抑制MoSi2 晶粒长大 ;断口呈现晶粒细小、裂纹扩展曲折和沿晶与穿晶混合型断裂等特征 ;ZrO2 +SiC颗粒通过弥散强化和细化晶粒使复合材料强度提高 ,通过晶粒细化、裂纹偏转和分支。

2D-C/SiC复合材料在空气中的高温压缩强度研究

研究了二维碳纤维增强碳化硅基复合材料(2D-C/SiC)在空气介质中的高温压缩强度。材料采用1K T300碳纤维平纹布经叠层和缝合制成预制体为增强体,经等温化学气相浸渗制备而成。试样表面用化学气相沉积工艺沉积SiC涂层。测试方向为垂直于炭布叠层方向,测试温度为室温,700℃,1100℃和1300℃。使用扫描电子显微镜观察了材料的断口。结果表明:室温～700℃,2D-C/SiC的压缩强度随温度升高逐渐增大,温度高于700℃后,材料的压缩强度缓慢降低。导致2D-C/SiC的压缩强度随温度变化的主要原因为纤维和基体热膨胀系数不同引起的残余应力随温度升高逐渐变小和高温下材料的氧化损伤。