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。

表面自愈合涂层2D-SiC_(f)/SiC复合材料的蠕变性能及损伤机理

2D-SiC_(f)/SiC复合材料是航空航天领域中的重要耐高温材料,采用表面自愈合涂层2D-SiC_(f)/SiC复合材料制备成楔形夹持段板材蠕变试样,使用自主研制的碳化硅陶瓷夹具完成大气环境下蠕变力学性能测试,蠕变试验温度900℃、1000℃和1200℃,应力水平范围50~120 MPa。采用扫描电子显微镜(SEM)对含自愈合涂层2D-SiC_(f)/SiC复材的蠕变失效试样断口形貌进行了表征。失效分析表明,含自愈合涂层2D-SiC_(f)/SiC复材高温静态载荷下的主要失效模式包括复材基体裂纹、涂层/基体界面裂纹和纤维蠕变三类。由于试验应力较低,各温度下蠕变失效试样断口平整,纤维拔出较短。同时试样断口中还观察到切割横向纬纱的二次裂纹,该二次裂纹将随蠕变过程进行而扩展并最终切断整条纬纱。对于三种温度的试样,均未在断口近表面区域观察到非金属涂层—金属涂层界面的分离或明显裂纹、孔洞等缺陷。说明在金属涂层基础上附加SiO2涂层得到的结合面在高温静态力学过程中是稳定的,并且能够提供一定的承载能力与表面裂纹萌生抗性。