2D-C/ SiC 复合材料的宏观拉压特性和失效模式

通过拉伸、压缩实验, 从宏观上研究了平纹编织C/ SiC 复合材料在简单载荷作用下模量、残余应变及泊松比的变化。通过断口观察, 分析了材料在面内拉、压载荷作用下的损伤与失效模式。实验结果表明, 拉伸载荷作用下, 材料在低应力就开始损伤。0°纤维束表面基体开裂和层间裂纹是主要损伤形式。损伤后, 随着应力增加, 拉伸卸载模量、泊松比线性减小, 残余应变增加; 压缩应力-应变基本呈直线关系, 模量、泊松比基本不变。拉伸破坏表现为韧性断裂, 断裂机理为分层后0°纤维束的断裂、携带90°纤维束拔出; 压缩破坏形成一个与加载方向成13°的断裂平面, 破坏机理为层间裂纹、0°/ 90°纤维束之间裂纹和90°纤维束内裂纹的产生和迅速扩展、最后0°纤维束剪切断裂。      

强噪声激励下C/SiC复合材料壁板动态响应与失效分析

高超声速飞行器热防护系统和热结构包含多种形式的复合材料薄壁结构,对巡航或再入飞行中的强噪声环境十分敏感和易发生失效破坏,严重威胁着飞行器结构的完整性和可靠性。为考核复合材料薄壁结构的耐噪声性能,基于高声强行波管噪声试验系统,选取厚度为1~3 mm的C/SiC复合材料平板作为试验件,试验件四周采用螺栓进行固定安装。通过开展156~165 dB噪声激励动态响应试验,获得了不同量级噪声作用下的动态响应变化规律。针对厚度为1 mm的试验件开展了失效试验,在168 dB噪声作用下,试验件发生了迅速破坏,采用红外无损检测设备对失效后的C/SiC复合材料平板进行检测,采用SEM对断面形貌进行观察,揭示出强噪声激励下的失效模式,可为高温复合材料结构优化设计和耐噪声失效性能评估提供技术支撑。      

2D-C/SiC复合材料轴向加载泊松效应

基于单调和循环加卸载实验,测试获得了不同加载过程中2 D-C/SiC复合材料在纤维束轴向方向上的泊松曲线,并对比分析了轴向损伤演化进程对材料泊松效应的影响.结果表明,在拉伸损伤加剧过程中,材料表现出显著的负泊松比行为;在加载损伤停滞状态下,材料则表现为近似线性正泊松比行为.加载过程中材料的泊松效应随着损伤程度的增加而不断减弱.结合扫描电镜断口结果分析可知,拉伸损伤加剧过程中材料内部沿加载方向上不断产生的基体开裂和界面脱粘损伤引起的材料沿垂直加载方向上的伸长变形,大于并掩盖了拉伸载荷在垂直加载方向上引起的弹性收缩变形,是导致2 D-C/SiC复合材料表现出显著负泊松比行为的主要原因;加载损伤加剧过程中产生的大量开裂损伤导致的材料整体连续性的降低是导致其泊松效应不断减弱的主要影响机制.     

2D-C/SiC复合材料的主泊松比演化行为

泊松比是材料及其结构力学性能分析的重要参数之一。本文旨在研究2D-C/SiC复合材料主泊松比的非线性演化行为。首先，基于Mini复合材料模型与正交层压板模型，考虑纤维的横观各向同性性质，建立了2D-C/SiC复合材料的热残余应力计算模型；其次，应用剪滞理论与经典层压板理论，考虑材料的损伤与热残余应力释放机制，建立了2D-C/SiC复合材料的主泊松比计算模型；最后，通过试验表征了材料的应变响应及泊松比演化规律，并对理论模型进行了分析验证。结果表明，2D-C/SiC复合材料内部热残余应力较大，拉伸损伤过程中的热残余应力释放是负泊松比产生的原因；应力-应变曲线及泊松比演化曲线的模型预测结果均与试验曲线吻合较好，表明了理论分析模型的准确性与合理性。     

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.     

C/SiC复合材料应力氧化失效机理

研究了干氧和湿氧两种气氛、疲劳和蠕变两种应力下C/SiC复合材料在1300℃的应力氧化行为. 试验结果和断口形貌SEM分析表明: C/SiC复合材料在疲劳应力下比在蠕变应力下具有更强的抗氧化能力和更长的持续时间; 干氧环境中的蠕变试样以C纤维氧化失效为主; 水蒸气的存在加剧了SiC基体的氧化, 并且使受蠕变应力的C/SiC复合材料以SiC基体氧化失效为主.     

2D-C/SiC复合材料的氧化损伤及刚度模型

采用不同界面强度的2种2D-C/SiC试件,在空气环境中进行700℃无应力氧化试验。通过扫描电镜(SEM)分析发现：材料表面的氧化机制为反应控制,纤维均匀变细;内部的氧化机制为扩散控制,被氧化的纤维产生了缺口或者局部缩颈现象。纤维氧化使有效承载面积减小,导致材料的模量和强度下降。强界面材料模量高而强度低,断口整齐;弱界面材料模量低而强度高,纤维拔出较长。基于以上 SEM分析结果,建立了细观力学模型,对起始模量进行模拟计算,获得了与试验值比较吻合的结果。     

2D-C/SiC复合材料开孔件拉伸强度有限元计算

对2D-C/SiC复合材料开孔试件最小净截面图像进行观测,获得试件材料内部宏观孔洞的分布形态及密度分布梯度。通过对2D-C/SiC复合材料拉伸应力-应变行为进行非线性拟合,并利用理论模型计算与实验验证相结合的方法得到了材料密度与其拉伸模量和强度的关系,描述了不同密度2D-C/SiC复合材料的拉伸应力-应变行为。在此基础上,将制备工艺造成的试件材料密度分布的非均匀性和材料拉伸应力-应变行为的非线性引入到有限元模型中,进行开孔试件拉伸剩余强度模拟计算,预测结果与实验结果吻合较好。     

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复合材料低温动态Z向压缩性能

采用Hopkinson压杆试验装置,对2D-C/SiC复合材料进行了低温条件下的Z向动态压缩性能试验研究,低温条件通过控制酒精和液氮的配比系数得到,通过改变波形整形器几何尺寸的方法来实现恒应变率加载,以得到准确、可信的试验结果。试验结果表明: 由于复合材料内部含有大量初始微缺陷,2D-C/SiC复合材料在低温动态加载条件下呈现伪塑性行为,其破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化现象,在经历了较大的变形后才最终破坏。随着温度的降低,复合材料的动态Z向压缩强度增加,但失效应变减小。2D-C/SiC复合材料在低温环境下,其内部纤维和基体之间界面结合力增强,同时强的界面结合力可以导致高的压缩强度。     

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.     

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/C复合材料氧化动力学模型及其氧化机理

用热重法研究了二维炭/炭(2D-C/C)复合材料的等温氧化, 提出了氧化动力学模型, 用SEM观察了样品不同氧化程度的微观形貌, 并探讨了材料的等温氧化机理。氧化分2个阶段: 线性氧化阶段, 氧化失重率小于约65%, 氧化速率处于稳定状态; 非线性氧化阶段, 氧化失重率约大于65%, 氧化速率急剧减小。Arrhenius曲线由折点在800~850℃之间的2条直线组成。线性氧化阶段, 活化能分别为217.2kJ/mol和157.0kJ/mol; 非线性氧化阶段, 反应级数分别为0.55和0.65, 活化能分别为219.3kJ/mol和182.0kJ/mol。通过实验验证, 氧化动力学模型可以较好地预测材料的恒温氧化。氧化从炭纤维与基体炭的界面开始, 基体氧化快于纤维, 氧化后期主要是纤维的氧化。在750~800℃, 氧化为化学反应控制; 在850~905℃, 氧化由化学反应和气体扩散共同控制, 但非线性氧化阶段气体扩散对氧化的贡献小于线性氧化阶段。      

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。     

高温热曝露对3D-C/SiC复合材料弯曲性能的影响

3D-C/SiC复合材料试样在空气介质中600℃、900℃和1300℃热曝露不同时间后,采用三点弯曲法测试了以室温弯曲弹性模量表征的损伤变化规律,并进行了SEM和EDS分析.结果表明:3D-C/SiC在热曝露15 h后,损伤变化可分为急剧上升(阶段Ⅰ)和平稳上升(阶段Ⅱ)两个阶段.阶段Ⅰ归因于炭纤维和炭层界面在空气中的直接氧化,阶段Ⅱ由复合材料内部氧的扩散所致.在复合材料制备过程的冷却阶段,因基体和炭纤维热膨胀系数不同所产生的基体微裂纹提供了氧化反应的表面与氧扩散的途径.在同一热曝露时间下,损伤随温度的上升而减少的原由可能是由于高温下裂纹收缩导致氧化表面减少,并降低氧向复合材料内扩散所致.     

2D-C/C复合材料结构与性能的研究进展

2D-C/C复合材料是以二维碳纤维为增强体,以化学气相渗透的热解碳或液相浸渍炭化的树脂碳、沥青碳为基体组成的一种纯碳多相二维结构材料,是一种新型高性能结构功能复合材料,大量运用在航空航天等高新技术领域.目前研究集中于其宏观性能方面,难点在于其组织结构和性能的可控性、可调性.主要介绍了二维碳纤维预制体和针刺碳纤维,基体碳的微观结构和添加剂,纤维/基体界面和界面修饰,以及制备工艺对2D-C/C复合材料性能的影响.结合2D-C/C复合材料的结构特点,概述了2D-C/C复合材料热物理性能、力学性能及氧化烧蚀等行为的各向异性.此外,还展望了其研究发展方向.     

2D-C/SiC高速深磨磨削特性及去除机制

采用树脂结合剂金刚石砂轮, 通过对2D-C/SiC复合材料高速深磨磨削加工, 并对磨削表面形貌和亚表面损伤进行了观察。提出了2D-C/SiC摩擦层(表面)的磨削力理论公式, 讨论了磨削加工用量对磨削力和磨削力比的影响。实验结果表明, 2D-C/SiC复合材料的高速深磨材料去除机制与其自身的微观结构相关, 既不同于塑性材料, 也不同于普通脆性材料, 而是以脆性断裂去除为主。     

多尺度模拟SiC/IMI834复合材料失效

基于格林函数和有限元分析的多尺度方法模拟SiC/IMI834复合材料拉伸试验,研究复合材料微区应力分布、宏观力学性能和纤维失效情况。其中有限元分析用来计算SiC/IMI834复合材料微区应力分布并为格林函数提供应力传递集中因子。格林函数用来模拟SiC/IMI834复合材料宏观失效过程及力学性能。结果表明,失效纤维上应力恢复区长度受材料性能影响,与外加载荷无关;距离失效纤维越远,沿失效端面纤维上轴向应力越低;距离失效纤维越近,沿失效端面基体上轴向应力越低;SiC/IMI834复合材料宏观失效应变随纤维体积分数增加而提高,但SiC/IMI834复合材料初始纤维失效与纤维体积分数无关,拉伸应变均为0.01。     

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。     

SiC/SiC晶须复合材料

日本大阪工业技术试验所玻璃陶瓷材料部开发了一种新的制造纤维增强陶瓷(SiC/SiC晶须复合材料)的方法。它先是制作成碳化硅(SiC)前驱体的聚碳硅烷(PCS)同SiC晶须的复合体,然后加热使PCS热解生成该复合材料基体的SiC,尽管还存在产品密度不高的问题,