连续SiC纤维增强钛基复合材料横向强度分析

连续SiC纤维增强钛基复合材料（SiCf／Ti）具有良好的综合性能,但其横向性能低于钛合金基体。为了准确地预测SiCf／Ti复合材料的横向强度,北京航空制造工程研究所赵冰等人提出一种基于界面脱粘强度的计算模型。采用SiCf／Ti复合材料十字拉伸试件来测试复合材料的纤维／基体界面脱粘强度,并分析了热处理时间对界面脱粘强度影响规律,以及不同纤维之间界面脱粘强度的差别。     

SiC纤维增强TB8复合材料工艺对组织影响规律

通过箔-纤维-箔法制备了SiC纤维增强TB8复合材料，采用光学电子显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和电子探针（EPMA）对复合材料的微观组织进行表征与分析，研究了真空热压复合时压力、温度和时间等工艺参数对SiC纤维增强TB8复合材料微观组织的影响规律。结果表明：压力显著地影响着复合材料基体与基体以及纤维与基体的结合，而温度对纤维基体界面反应情况影响较大。通过热压工艺的优化，可以有效控制界面反应层厚度，获得组织优良的SiCf/ TB8复合材料。     

热压工艺对SiC纤维增强TB8复合材料组织影响研究

通过箔-纤维-箔法制备了SiC纤维增强TB8复合材料,采用光学电子显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和电子探针(EPMA)对复合材料的微观组织进行表征与分析,研究了真空热压复合时压力、温度和时间工艺参数对SiC纤维增强TB8复合材料微观组织的影响规律。结果表明:压力对复合材料基体与基体以及纤维与基体的结合有着显著影响,而温度对纤维与基体界面反应层影响较大。通过热压工艺的优化,可以有效控制界面反应层厚度,获得组织优良的SiC f/TB8复合材料。     

纤维类型和涂层对纤维增强MoSi2复合材料弯曲性能的影响

以短切碳纤维(Cf)和碳化硅纤维(SiCf)为增强相,并用化学气相渗透法对部分纤维进行炭涂层处理,采用热压法制备了4种纤维增强MoSi2基复合材料(SiCf-MoSi2、SiCf/C-MoSi2、Cf-MoSi2和Cf/C-MoSi2),研究了纤维类型及表面炭涂层对MoSi2基复合材料弯曲性能的影响.结果表明纤维的加入明显提高了MoSi2的抗弯强度,加入5%SiCf和5%Cf的复合材料的强度比纯MoSi2分别提高了9.0%和22.8%,Cf增强作用明显优于SiCf;纤维类型相同时,具有炭涂层的纤维增强效果更显著,5%Cf/C-MoSi2复合材料的强度最高,达到了364.7MPa,比纯MoSi2的强度提高了30%;扫描电镜分析表明,无炭涂层的SiCf与MoSi2基体间存在着明显的裂缝,炭涂层改变了纤维与基体的界面结合;有涂层纤维的断裂机制为首先脱粘然后拔出.     

SiCf/TC11复合材料拉伸行为研究

采用磁控溅射先驱丝法和热等静压工艺制备SiC_f/TC11复合材料，研究了SiC_f/TC11复合材料室温和500℃拉伸性能及断裂机制。结果表明，SiC_f/TC11复合材料室温和500℃抗拉强度分别为1 530 MPa和1 553 MPa，明显高于基体TC11钛合金，与TC11钛合金相比，抗拉强度分别提升了～57%和～133%，纤维增强效果显著。通过观察SiC_f/TC11复合材料室温、500℃拉伸断口和纵剖面断裂特征，指出了室温和500℃拉伸断裂机制主要包括反应层多次断裂、纤维一次断裂、纤维多次断裂、纤维-基体界面脱粘、纤维拔出、W芯-SiC界面脱粘、基体断裂、包套断裂等，揭示了SiC_f/TC11复合材料室温和500℃拉伸载荷下多组元失效断裂过程。     

SiC纤维增强Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料制备及界面行为研究

以SiC纤维、Ti箔、Ti_2AlNb箔为原材料,采用箔-纤维-箔方法,通过真空热压技术制备了SiCf/Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对复合材料相组成和微观组织进行了分析。结果表明,当真空热制造参数为920℃/40 MPa/30 min时,SiC纤维与韧性金属Ti实现良好冶金结合,界面反应产物主要为TiC,界面反应层厚度为0.8μm,C涂层厚度为1.3μm;韧性金属Ti层与金属间化合物Ti_2AlNb层通过Ti,Al,Nb 3种元素相互扩散方式形成固相扩散连接,界面平直,复合材料呈现出理想叠层结构。制备态的SiCf/Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料主要由α-Ti,β-Ti,SiC,TiC,O相和B2相构成。在Ti与Ti_2AlNb固相扩散连接过程中,由于Al原子的扩散速率大于Nb原子,且Al是α稳定元素,Nb是β稳定元素,从而导致在Ti/Ti_2AlNb界面区域依次形成α+β双相组织和富B2相。在真空热压实验中,韧性金属Ti层与金属间化合物Ti_2AlNb层固相扩散连接过程依次为:物理接触/α+β双相区形成/富B2相区形成/富B2相区增厚。     

TiC_p/Fe复合材料的界面反应

粉末冶金制备Ti C_p/Fe复合材料时易发生界面反应,对其性能产生影响。对制备的Ti C_p/Fe复合材料的显微组织、物相组成等进行测试,应用热力学原理对界面反应中的热力学过程进行分析,探明复合材料发生界面反应时的烧结温度和保温时间。结果表明:通过热力学计算,增强体Ti C和基体Fe的界面反应临界温度为1 270℃;实验中,当保温时间为2 h、烧结温度超过1 300℃时,或在1 300℃下保温时间超过2 h,增强体Ti C和基体Fe会发生界面反应;界面反应产生了呈针状的新物质(Ti_8C_5和Fe_2C),影响了增强体和基体的结合强度,导致了复合材料性能的下降。     

以不同酚醛树脂制备的C/C-SiC复合材料的力学性能

选用热固性酚醛树脂A和热塑性酚醛树脂B分别与短炭纤维、石墨粉、硅粉、碳化硅按一定比例混合后,采用温压-原位反应法,制得具有不同树脂炭基体的C／C-SiC复合材料的试样1和2,并对其力学性能进行研究,以期优化该复合材料的成分配方和进一步提高其技术性能。结果显示：试样1在垂直于纤维层方向的压缩载荷及弯曲载荷作用下,未出现纤维拔出、脱粘等现象,界面结合较强,呈现脆性断裂,压缩强度σ⊥=60．7MPa,弯曲强度σb=34．5MPa;而在平行于纤维层的压缩载荷作用下,纤维与基体存在剪切作用,出现纤维脱粘,呈现韧性断裂,σ∥=52．6MPa。试样2由于纤维的分散性不好,大量聚集在一起,在压缩和弯曲载荷作用下,均存在纤维的拔出和脱粘现象,界面结合较差,材料呈现韧性断裂,强度较低,σ⊥=45．8MPa,σ∥=19．4MPa,σb=16．1MPa。     

(WO_3p+ABOw)/Al混杂复合材料制备与力学性能

采用湿成型法成功制备了比重差别大的WO3颗粒(WO3p)和硼酸铝晶须(ABOw)混杂预制块,用挤压铸造法制备混杂铝基复合材料。混杂复合材料中含(原子分数)5%WO3p和20%ABOw,不同大小的WO3p尺寸分别为18和3μm。采用扫描电镜(SEM)和万能拉伸试验机对制备的混杂复合材料试样进行微观组织观察和拉伸性能测试。复合材料组织观察表明,WO3p和ABOw在基体中随机、均匀地分布,在高倍照片中可以观察到大尺寸WO3p存在裂纹,铝液不能渗入到裂纹中。力学性能研究结果表明,尺寸较小的颗粒增强的复合材料具有高的抗拉强度和断裂延伸率;含大尺寸WO3p的混杂复合材料的抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率分别为266.8,197.3 MPa和1.16%,含小尺寸WO3p的混杂复合材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为290.3,180.5 MPa和1.37%。复合材料拉伸断口形貌观察表明,两种不同WO3p尺寸的混杂复合材料断裂机制有所不同,大颗粒增强复合材料中大颗粒发生断裂,裂纹穿过颗粒扩展,晶须与界面脱粘;小颗粒增强复合材料中小颗粒与基体界面脱粘以及晶须与界面脱粘,但晶须脱粘数量明显减少,晶须拔出数量增多。     

超声固结Ti/Al叠层复合材料力学性能分析

以1100铝箔以及TA1钛箔为原材料,通过超声固结制备了Ti/Al箔材金属层状复合材料试样,应用准静态拉伸试验研究了Ti/Al叠层复合材料的力学性能与Ti,Al箔材力学性能之间的关系,获得了不同温度条件下的Ti/Al叠层复合材料的力学性能变化规律,利用数码相机记录了Ti/Al叠层复合材料的拉伸变形过程及失效形式,采用扫描电镜(SEM)对其断口进行分析,通过原位三点弯曲试验对其弯曲变形过程进行分析。结果表明,Ti/Al界面成形了可靠的连接,变形性能较好的Ti层带动Al层协调变形,提高了整体的变形能力,延伸率可达31%,随着变形温度的提高,延伸率逐渐降低;室温条件下Ti,Al层清晰可见且开裂,Ti,Al层断口上均布满了大小不等的韧窝,高温条件下Ti,Al开裂不明显,局部的韧窝的尺寸更大;在弯曲变形过程中,裂纹在Ti层、Ti/Al界面的不断转移,吸收变形过程中的能量,延缓了裂纹的扩展。     

SiC/Ti_3Al复合材料原位合成及其界面反应动力学研究

利用TC4,Al廉价材料,通过磁控溅射物理气相沉积技术制备SiC先驱丝,利用热等静压工艺,在温度1423 K,压力170 MPa条件下进行复合,反应时间为1 h,通过原位反应生成Ti3Al基体,从而制备SiC纤维增强Ti3Al基复合材料。通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)观察SiC纤维增强Ti3Al基复合材料基体与界面的微观组织形貌及界面元素分布,利用透射电镜(TEM)分析复合材料基体的物相结构,并对SiC纤维增强Ti3Al基复合材料的界面反应进行动力学分析。结果表明,利用TC4,Al制备的SiC先驱丝,通过原位反应可生成Ti3Al基体,属于六方晶系,组织为等轴晶,晶粒尺寸约为1μm。通过磁控溅射和热等静压工艺制备SiC纤维增强Ti3Al基复合材料,可缩短工艺流程,节约成本。根据SiC纤维增强Ti3Al基复合材料界面反应层生长动力学分析,得到界面反应层生长动力学方程:δ=2.73×10-6exp(-257.09×103/RT)t1/2,可准确预测连续碳化硅纤维增强Ti3Al基复合材料在制备和使用过程中界面反应层的生长规律,为其应用提供理论依据。     

试样取向对15%SiCp/2009Al复合材料断裂韧性的影响

研究了粉末冶金法制备的15%SiCp/2009A1复合材料挤压棒材的断裂韧性,探讨了不同试样取向对复合材料断裂韧性的影响.结果表明:L-R取向的紧凑拉伸试样的KIC明显高于R-L取向和C-R取向.断口形貌观察表明:L-R取向的复合材料试样,断裂以SiC颗粒解理开裂为主.较少出现大面积的基体合金撕裂,没有出现SiCp/基体合金界面脱粘的现象.SiC颗粒的大量断裂以及高的界面结合强度会引起复合材料断裂韧性的提高.     

界面改性对SiCp/Cu复合材料力学性能的影响

研究了界面改性对SiC颗粒增强Cu基复合材料力学性能和断裂机制的影响。结果表明：经过SiC颗粒表面涂层处理后，可在复合材料中获得干净、紧密的界面结合。通过复合材料界面优化，可在基体和增强物之间有效传递载荷，减少了拉伸变形时的界面脱粘，从而提高了复合材料的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率。     

苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究

通过密炼?注塑成型工艺制备了不同苎麻纤维含量的聚乳酸基复合材料,研究了纤维含量对复合材料性能的影响规律,并揭示了纤维增强机理。研究表明,苎麻纤维的添加提高了复合材料的耐热性能,尤其是当纤维质量分数为40%时,复合材料的热变形温度提高了10.5%。此外,苎麻纤维均匀地分散在基体中,由于纤维与聚乳酸的界面强度较弱,断面上有大量的纤维拔出和纤维孔洞;差示扫描量热仪测试表明高含量的纤维限制了聚乳酸分子链的运动,促进复合材料形成更加致密完善的晶核;同时,流变行为也表明苎麻纤维含量的增加有助于提高复合材料的黏弹响应和复合黏度;最后,苎麻纤维的加入提高了复合材料的拉伸和弯曲强度,且随纤维含量的增加而增大。与聚乳酸相比,当纤维质量分数为40%时复合材料的拉伸和弯曲强度分别提高了30%和21.9%。      

碳纤维增强建筑用ZL109合金的组织及拉伸性能分析

以M40J碳纤维作为增强材料,在铝镁系ZL109合金表面通过真空压力浸渗工艺处理得到体积比为50%的纤维增强Cf/Al基复合材料。通过实验测试手段研究其组织及力学性能,研究结果表明：Cf/Al基材料密度与基体合金相比发生了一定程度的减小,实现减重的效果。编织预制体经过浸渗处理后并未发生畸变,纤维束间隙受到基体金属的紧密填充,各纤维束保持整齐排列状态。纤维偏聚部位形成了一些微孔并产生微裂纹,纤维浸渗后引起了较大的畸变。C纤维与Al基体之间出现了界面反应。复合材料室温拉伸发生脆性断裂,在断裂区域纤维和基体达到了紧密结合状态。提高拉伸温度形成了更加不平整的断口组织和大量拔出纤维,形成了剪切破坏类型的断口。     

混料时间和挤压对SiC增强纯Al基复合材料显微组织和力学性能的影响

采用粉末冶金法制备SiC颗粒增强工业纯Al基复合材料,研究混料时间和挤压对复合材料显微组织和力学性能的影响。研究表明:机械混粉过程存在最佳的混料时间,混料时间为16 h时SiC颗粒分布均匀,复合材料的密度高、力学性能好。挤压可以改善复合材料的界面结合强度、减少孔洞的数量,从而提高材料的致密度和力学性能。烧结态复合材料的断裂机制以基体的脆性断裂以及增强相与基体的界面脱粘为主。挤压态复合材料的断裂以基体的韧性断裂以及SiC颗粒的脆性断裂为主,伴随着少量的基体与SiC颗粒的界面脱粘。     

钛矿渣-磷石膏复合制备超硫酸盐水泥试验研究

采用磷石膏、钛矿渣、熟料和硅酸钠配制了10组超硫酸盐水泥，对基体的抗压强度、水化放热、水化产物进行了研究，并对纤维增强后的抗折强度、拉伸强度和抗冲击强度进行测试。结果表明，熟料和钛矿渣均能有效提升超硫酸盐水泥的抗压强度，并能促进水化放热和二次水化反应。较优的水泥配比为磷石膏∶钛矿渣∶熟料∶硅酸钠=25∶60∶13∶2，此时抗压强度达到42.1 MPa。玄武岩纤维可显著提高超硫酸盐水泥的抗折强度和抗冲击强度，表现为：当掺入0.3%6 mm纤维时，试件的抗折强度提升了27.0%；掺入0.6%的12 mm纤维时，抗冲击强度提高了120.3%。拉伸试验结果表明，玄武岩纤维对提升水泥的极限拉伸强度不利，但能提高水泥的拉伸应变能力。     

WC_p/2024Al复合材料疲劳性能研究

利用粉末冶金法制备了WC颗粒体积分数分别为8.0%,11.8%,16.7%的WCp/2024Al复合材料,采用PQ1-6纯弯曲疲劳试验机对其进行高周疲劳性能测试,通过扫描电镜观察复合材料疲劳试验后的疲劳断口。结果表明:WCp/2024Al复合材料疲劳极限和疲劳寿命随着WC体积分数的增加而升高;复合材料的疲劳源产生于试样表面有缺陷或表面附近颗粒团聚的薄弱部位;随着WC体积分数的增加,WCp/2024Al复合材料的疲劳断口韧窝组织呈减少的趋势,脆性断裂特征逐渐明显;由空洞形核与长大造成的界面脱粘和基体相破坏是WCp/2024Al复合材料疲劳断裂的主要形式。     

固溶温度及SiC含量对粉末冶金SiC/Al-Mg基复合材料组织与性能的影响

以SiC颗粒为增强体,Al-Mg-Cu-Fe-Sn合金作为基体合金,采用真空热压再热挤压的方法制备SiC/Al-Mg基复合材料,然后进行固溶和时效热处理,通过扫描电镜观察热压与挤压态材料的形貌,测试时效态材料的维氏硬度、拉伸性能,并进行电化学腐蚀实验,研究固溶温度及SiC颗粒含量(体积分数,下同)对该复合材料的显微组织与性能的影响。结果表明:随SiC颗粒含量增加,SiC/Al-Mg其复合材料的抗拉强度明显提高,材料在拉伸过程中的Serration现象减弱,10%SiC/Al-Mg基复合材料的屈服强度从基体合金的57 MPa提高到246 MPa,而伸长率从23.5%降低到6.0%。随固溶处理温度从400℃升高到570℃,材料的硬度先升高后降低,在固溶温度为500℃时,10%SiC/Al-Mg基复合材料的硬度HV达到92。粉末冶金SiC/Al-Mg基复合材料的腐蚀行为除了受SiC含量影响外,还与固溶温度有关。     

快速制备Cf/SiC复合材料的组织与力学性能

以Si C粉末、醇溶性酚醛树脂粉末以及炭纤维毡、炭纤维无纬布为原料,采用料浆刷涂-针刺-温压固化-高温碳化工艺,在料浆中酚醛树脂的体积分数分别为10%和15%、温压固化压力分别为8 MPa和20 MPa条件下制备C_f/SiC多孔预制体,然后通过化学气相渗透法沉积Si C,快速制备C_f/SiC陶瓷基复合材料。观察和分析复合材料的形貌和组织结构,测定材料的密度、孔隙率、抗弯强度和断裂韧性等性能。结果表明:料浆中的酚醛树脂体积分数较低时,C_f/SiC复合材料的性能较好,并且随固化压力增加而提高。在酚醛树脂体积分数为10%、温压固化压力为20 MPa条件下得到开孔隙率为13.1%的高致密C_f/SiC复合材料,该材料的基体较致密,且纤维束和基体之间基本没有孔隙;当材料受到外加载荷时,通过纤维拔出、纤维脱粘和裂纹偏转来提高复合材料的强度和韧性,断裂方式为假塑性断裂,抗弯强度和断裂韧性都较高,分别为570 MPa和18.6 MPa·m^1/2。