3D-Cf/SiC复合材料在1500℃的拉-拉疲劳行为

在1500℃,10<'-4>Pa真空中,采用应力比0.1和0.5,频率60Hz和20Hz的正弦波对三维编织炭纤维增强碳化硅基复合材料(3D-C<,f>/SiC)进行了拉-拉疲劳实验,利用SEM和HRTEM分别观察了疲劳试样的断口形貌和热解炭界面相的微结构.结果表明:若取循环基数为10<'6>次,当应力比为0.1时,20...     

3D-C_f/SiC复合材料在1500℃的拉-拉疲劳行为EI北大核心CSCD

在1500℃,10-4Pa真空中,采用应力比0.1和0.5,频率60Hz和20Hz的正弦波对三维编织炭纤维增强碳化硅基复合材料(3D-Cf/SiC)进行了拉-拉疲劳实验,利用SEM和HRTEM分别观察了疲劳试样的断口形貌和热解炭界面相的微结构。结果表明:若取循环基数为106次,当应力比为0.1时,20Hz和60Hz的疲劳极限分别是230MPa和240MPa,约为抗拉强度的88%和92%;当应力比为0.5时,60Hz的疲劳极限是230MPa,约为抗拉强度的88%。应力比低、加载频率高、循环周次多的断口粗糙度大,纤维(束)拔出较长。纳米尺度的热解炭界面相变形明显,由平直状变为卷曲状。     

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。     

3D-C/SiC复合材料热震损伤行为

用3D—C／SiC和重结晶SiC陶瓷材料在光辐射热震试验机上进行了两种温度落差(△T=600℃，800℃)和不同应力的热震试验。3D—C／SiC用弹性模量和电阻表征的热震损伤曲线有相似的规律，即都大致由三阶段构成，首先是损伤急剧增加阶段，紧接着是损伤缓慢增加阶段，最后为损伤短暂的急剧增加阶段。个别电阻表征的热震损伤曲线仅在初始阶段损伤有下降现象。3D—C／SiC复合材料的抗热震性能明显优于重结晶SiC陶瓷材料；三种界面层的3D—C／SiC中，以热解碳沉积时间为20h获得的界面层复合材料热震寿命最长。     

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.     

基于电阻变化的3D C/SiC复合材料疲劳损伤演化

为了研究三维碳纤维编织体增强碳化硅陶瓷基复合材料(3D C/SiC)在疲劳过程中的损伤演化并建立其电阻变化率(ΔR/R₀)随疲劳周次变化的模型, 对其进行了应力比为0.1、 频率为20 Hz、 最大疲劳应力为250、 255、 260 MPa的拉-拉疲劳试验, 通过电阻增量仪器测量了连续3D C/SiC在疲劳中的电阻变化率。实验结果表明, ΔR/R₀除首次循环降低外, 随着疲劳周次的增加呈缓慢增加、 台阶式增加和急剧增加3个阶段。根据损伤力学理论, 以ΔR/R₀为损伤参量, 得到了ΔR/R₀随疲劳周次变化的模型, 该模型结果与实验结果吻合较好。      

SiC涂层C/C复合材料在1300℃湿氧环境中的疲劳行为

在半圆柱型氧化模式的基础上,建立了具有SiC涂层C/C复合材料在湿氧环境中的疲劳失效模型。在高温湿氧环境下,C/C复合材料的疲劳失效主要受到氧化深度的控制,而影响氧化深度的主要参数是涂层表面裂纹的宽度。对此疲劳失效模型,讨论分析实验温度以及外加应力对裂纹宽度的影响,考虑了疲劳载荷引起的材料模量变化对裂纹宽度的影响。在 90、105、120、135和150 MPa疲劳应力下的材料在1300℃ 湿氧环境中的平均寿命分别为48660、32645、22078、12332和4786循环。进行了实验数据与模型计算值的对比,实测寿命与预测结果吻合良好。另外,本模型在外加应力较大、实验时间较短条件下的预测数据与实验结果最为接近。     

SiC/MoSi_2复合材料1300℃氧化行为研究

采用扫描电镜和X射线衍射研究了不同SiC体积分数(30%～50%)的SiC/MoSi2复合材料的高温(1300℃)氧化性能,建立了SiC/MoSi2复合材料的高温氧化动力学模型,对SiC/MoSi2复合材料的高温氧化行为进行了动力学分析,研究了其高温氧化机理。结果表明,SiC/MoSi2复合材料在高温时具有优异的抗氧化性能,SiC/MoSi2复合材料的高温抗氧化能力好于纯MoSi2的;复合材料的高温抗氧化性随SiC体积分数的增加而降低。     

高性能C／SiC复合材料的快速制备

研究开发了“CVI+PIP”组合工艺,本着“低成本、短研制周期,适合批量化生产”的目的,研制的C/SiC复合材料弯曲强度高达561MPa,断裂韧性高达17MPa     

不同碳纤维表面状态对Cf/SiC复合材料性能的影响

采用XPS对两种不同的碳纤维表面进行了分析，制备了束丝Cf/SiC复合材料，并采用束丝拉伸强度表征其性能。结果表明，碳纤维表面主要有C、O两种元素存在，其中碳主要有C-C和C-O两种存在方式，并且两种纤维的Ols/Cls有明显的不同，当氧含量高时，纤维在经历高温处理后强度下降幅度较大，所制备的Cf/SiC复合材料性能较差。     

针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳特性与失效机理EI北大核心CSCD

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的拉-压疲劳特性,并与其拉-拉疲劳特性进行了对比。结果表明:针刺C/SiC复合材料的拉-压疲劳强度略低于拉-拉疲劳强度;两种循环载荷下都存在迟滞现象,随着循环数的增大迟滞环不断右移,且偏斜程度和包围面积不断增大。采用扫描电子显微镜对失效试件的断口形貌和微观结构的观察表明:除了垂直于加载方向的基体开裂以及界面脱粘,拉-压循环加载下的细观失效机制还包括平行于加载方向的基体开裂以及层间的开裂。这些平行于加载方向的损伤使得纤维受力状态恶化,最终削弱了针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳强度。     

Si-C-Nnp/Si3N4复合材料的室温和高温显微结构与力学性能

以 Si- C- N纳米微粉为增强相 ,Si3N4 为基相 ,采用热压的方法制备了 Si Cp/ Si3N4 纳米复相陶瓷。应用扫描电镜 (SEM)、高分辨透射电镜 (HRTEM)对其结构进行了观察 ,并讨论了结构与性能之间的关系。结果表明 ,所得的 Si Cp/ Si3N4 复相陶瓷的室温力学性能比氮化硅单相陶瓷有较大的提高 ,而 135 0℃断裂韧性达 14 .6 6 MPa· m1 / 2 。Si C微晶在晶粒内和在晶界玻璃相内的钉扎作用是材料高温性能提高的主要因素。     

热压浸渍裂解法制备3D—B Cf／SiC复合材料性能的研究

本文通过先热压后先驱体浸渍裂解工艺制备3D-B Cf/SiC陶瓷基复合材料，以期达到缩短材料制备周期的目的。着重对热压温度、压力、时间等因素进行了研究，得到了可优化材料性能的工艺参数。     

2.5D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过2.5D-C/SiC陶瓷基复合材料的面内拉伸试验, 研究了材料在拉伸载荷作用下的力学性能和损伤演化过程, 建立了2.5D-C/SiC复合材料的应力型和应变型拉伸损伤演化模型. 结果表明, 材料沿纵向和横向的拉伸应力－应变曲线相似, 损伤过程基本相同. 对应于拉伸应力应变曲线的三个特征切线模量, 面内拉伸的损伤演化过程可以分为三个阶段: 初始损伤阶段、损伤加速阶段和损伤减缓阶段. 由应力型损伤演化模型可以推导出三个损伤阶段的两个特征应力, 其中第一特征应力可以作为工程比例极限的参考值.     

C/SiC复合材料连接结构拉脱失效机制

通过C/SiC陶瓷基复合材料连接结构单轴拉伸试验,研究了连接结构拉脱失效过程的力学性能变化规律,结合应变测量、高速摄像、CT检测等测试手段从宏观角度和细观角度探究了连接结构拉脱失效过程中的损伤演化过程,确定了陶瓷基复合材料连接结构拉脱失效机制。结果表明：由于螺纹部位沉积及接触状态的差异,导致不同连接结构的初始刚度不一致;随着位移不断增加,连接部位的刚度趋于一致。加载过程中螺纹孔附近受到挤压产生损伤并发生分层现象;当螺纹孔局部的损伤达到一定程度时,连接结构达到最大承载能力,此时随着位移继续增加螺钉开始拉脱,承载能力开始下降,直至螺钉完全拉脱拔出。     

退火对Al2O3/SiC纳米复合材料裂纹愈合行为的影响

研究不同密度的Al2O3/SiC纳米复合材料在退火条件下的裂纹愈合行为。利用维氏压痕法引入可控的预制裂纹，通过测量退火前后材料抗弯强度的变化来表生裂纹愈合程度。当退火温度在850℃以上时，裂纹愈合效应随退火温度提高明显增强，在1150℃左右退火1h后，不同密度的试样的抗弯强度均恢复到试样的固有强度。裂纹愈合的机制主要归结于退火过程中残余应力的驰豫导致扩散键合和裂纹表面碳化硅颗粒的氧化作用。然而，过度的氧化会降低裂纹愈合的效果。     

3D-C/SiC复合材料拉伸蠕变损伤和蠕变机理

对3D-C/SiC复合材料进行拉伸蠕变试验,蠕变进行一段时间后,用扫描电子显微镜(SEM)观察试样表面的变化,同时测量试样的共振频率.结果表明,3D-C/SiC除通常CMC所产生的蠕变损伤外,纤维束滑动,纤维束之间的夹角变化,孔隙变形,部分孔隙表面空间位置改变,孔隙表面产生基体微裂纹,损伤在纤维束交叉处更为集中,这些可作为3D-C/SiC蠕变变形的独特机理.电阻和模量的相对变化与蠕变曲线相似,因此电阻和模量都可表征C/SiC材料的蠕变损伤,作为损伤变量.该材料的蠕变属于损伤引起.     

CVD SiC涂层对3D C/SiC氧化行为的影响

采用两种不同沉积速度的等温减压化学气相沉积在3DC／SiC上制备了多层CVD SiC涂层．利用扫描电镜对涂层表面和断面进行显微分析，考察了涂层在1300℃下进行恒温氧化的防护效果．慢速减压化学气相沉积能够对多层CVD SiC涂层的涂层间隙缺陷实现有效控制，所制备的多层涂层可以消除涂层间隙，连贯的结合为一整体，能显著提高涂层防护效果，材料在1300℃空气中氧化30h后的失重率可控制在1％以下。     

加载速率对3D-C/SiC不同温度拉伸性能的影响

研究了在室温、1100和1500℃夹头位移速率分别为0．008，0．06和5．82mm／min对CVI工艺制备的3D—C／SiC拉伸性能的影响。拉伸中用钨—铼热电偶测温，真空度为10^-3Pa，LVDT测量变形。结果表明，室温条件下材料的断裂应力随夹头位移速率的增大而增加；1500℃断裂应力随夹头位移速率的增大而减小；1100℃条件下断裂应力基本不随变形速率而改变。随着夹头位移速率的提高，断裂应变减小，初始弹性模量增加。分析了可能造成以上现象的因素。     

3D C/SiC复合材料的热辐射性能

利用稳态量热计法和傅里叶红外光谱仪分别测定了3D C/SiC复合材料在90℃时的半球向总发射率和室温法向光谱反射率,研究了表面形貌、涂层厚度及高温氧化对3D C/SiC热辐射性能的影响。结果表明:3D C/SiC具有优异的热辐射性能,其总发射率可达0.83;随着SiC涂层厚度的增加,3D C/SiC总发射率先降低后上升;高温氧化后,3D C/SiC的热辐射性能有所提高。