SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%,剩余拉伸强度仅为无损件的68%。     

2D C/SiC复合材料低速冲击损伤研究

通过2D C/SiC复合材料的低速冲击试验和冲击后压缩试验,以及超声C扫描和红外热波两种无损检测方法,研究了冲击能量与冲击损伤的关系及其对压缩性能的影响.结果表明:C/SiC具有较好的损伤容限能力,冲击能量低于1.5J时几乎无目视损伤,高于9J时有被击穿的趋势.冲击后的名义压缩强度和压缩模量随着冲击能量的增加呈下降趋势,最多分别下降了44.7%和16.9%.     

UD-Cf/SiC陶瓷基复合材料的高温拉伸性能

采用两种形状(纺锤形、矩形)的拉伸试样对热压单向M40JB-C_f/SiC和T800-C_f/SiC复合材料进行了高温拉伸强度测试,得到了C_f/SiC复合材料的拉伸强度,并对纺锤形试样断裂应变的表达式进行修正,得出了复合材料的弹性模量。M40JB-C_f/SiC复合材料1300℃的拉伸强度及模量分别为374 MPa和134 GPa, 1450 ℃的拉伸强度及模量为338 MPa和116 GPa,T800-C_f/SiC复合材料1300 ℃拉伸强度和模量为392 MPa 和115 GPa。测试结果与试样的断裂方式密切相关,在有效部位断裂的测试结果大于在非有效区断裂的测试结果。M40JB-C_f/SiC复合材料的拉伸断裂应力-应变曲线表现出塑性变形的非线弹性破坏特征,而T800-C_f/SiC主要表现为线弹性特征。      

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。     

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。      

SiC（W）／HPRBSN陶瓷复合材料的研究

采用湿法工艺、超声及高速搅拌均匀化技术,使ＳｉＣ晶须在硅粉基料中均匀分散。制备的含１０ｖｏｌ％ＳｉＣ晶须的热压反应结合氮化硅复合材料（１０ｖｏｌ％ＳｉＣｗ／ＨＰＲＢＳＮ）,与不含晶须的基体材料相比,其断裂韧性提高５０％。对添加剂对硅粉压实体氮化行为的影响以及ＳｉＣ（Ｗ）／ＨＰＲＢＳＮ陶瓷复合材料的机械性能进行了讨论。     

加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料疲劳剩余强度的影响

为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。      

SiC晶须增强SiCf/SiC复合材料的力学性能

以连续SiC纤维为增强体,采用前驱体浸渍裂解工艺,在复合材料基体中引入SiC晶须制备出多级增强的SiCf/SiC-SiCw复合材料,并采用化学气相渗透工艺在SiC晶须表面制备BN界面层,研究了SiC晶须及其表面BN界面层对复合材料的性能影响.结果表明:在复合材料中引入SiC晶须后,由于晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等作用增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗,使SiCf/SiC复合材料的压缩强度有明显提高,当引入体积分数为20％的SiC晶须时,复合材料压缩强度提高了22.6％,可达673.9 MPa.通过化学气相渗透工艺在SiC晶须表面制备BN界面层后,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别为414.0,800.3 MPa和22.2 MPa·m1/2,较SiC晶须表面无界面层时分别提高了13.9％,8.8％和19.0％.     

三维编织SiC/SiC复合材料拉伸和弯曲损伤机制

为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制,开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前,利用CT扫描手段,明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明:原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中,随着拉伸载荷的增大,基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹,导致材料最终的脆性断裂失效;在三点弯载荷作用下,表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式,拉应力一侧首先发生失效,随后在中性面处发生剪切破坏,紧接着失效迅速向上下两侧扩展,直至截面在整个厚度方向发生失效;断口与纤维束的走向相关性很大,裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展,导致最终失效未发生在理论失效位置处。      

氧化对2D C/SiC复合材料阻尼行为的影响

以化学气相渗透(CVI)技术制备的2D C/Si C复合材料为研究对象,探讨复合材料在700、1000和1300℃空气环境中发生不同形式和不同程度氧化损伤后的阻尼行为变化。采用扫描电子显微镜(SEM)观察和分析复合材料的微结构损伤,采用动态力学分析仪(DMA)测试复合材料损伤前后的阻尼性能。结果表明:在700℃和1000℃空气环境中,随着氧化时间的延长,2D C/Si C复合材料的阻尼性能先增大后降低;而在1300℃空气环境中,阻尼性能变化较小,且随氧化时间的延长未表现出明显的规律性。这是由于C/Si C复合材料的阻尼由炭纤维、热解炭界面和碳化硅基体,以及它们之间的相互作用共同形成。炭纤维和热解炭界面的氧化损伤会对复合材料阻尼特性产生两种影响机制,其一是使复合材料阻尼性能增大的机制,主要来自于热解炭界面相损耗引起的界面结合强度降低;其二是使复合材料阻尼性能降低的机制,主要来自于纤维的损耗和界面区的过度破坏。而碳化硅氧化生成的二氧化硅主要是通过影响碳相的氧化程度来影响复合材料的阻尼性能。     

SiC颗粒增强铝基复合材料/半金属材料干摩擦磨损特性

采用自制的销盘式摩擦磨损试验机研究了三种颗粒增强铝基复合材料及灰铸铁(HT250)与半金属摩擦材料配副的干摩擦磨损性能。结果表明:在试验条件下,复合材料的耐磨性能高于灰铸铁(HT250),其中复合材料Al-10%Si/30%SiC(14μm)的平均磨损率小于灰铸铁的三分之一;复合材料的摩擦系数与HT250相当。而且从摩擦系数稳定性和摩擦系数达到最大值所需的时间来考察,复合材料的性能优于HT250。结果表明,颗粒增强铝基复合材料可以取代HT250,用于汽车刹车盘类摩阻件,使其使用寿命大幅度提高。     

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.     

室温下C/SiC复合材料螺纹紧固件的拧紧特性

探讨了C/SiC陶瓷基复合材料螺纹紧固件在室温下的拧紧特性。试验测试了紧固件在拧紧和拧松过程中, 力矩与预紧力两者的对应关系, 记录了预紧力在短时、 长时内的减小比率, 并用显微镜观察了螺纹面的磨损情况。另外, 分析了材料非线性拉伸行为对拧紧状态所造成的影响。结果表明: 拧紧、 拧松力矩与预紧力之间近似呈线性关系, 螺纹面和支承面的平均摩擦系数分别为0.52和0.46; 随拧紧力矩增大, 螺纹面产生一定程度磨损, 螺纹之间的相互嵌入作用减弱, 因此预紧力在拧紧后的降幅减小, 稳定性提高; 对螺栓进行适当的预拉伸处理, 提高材料的弹性极限后, 可提高紧固件的抗松弛能力。     

添加Al2O3对SiC板粒／Y—TZP复合材料力学性能的影响

本以ＳｉＣ板粒、ＺｒＯＣｌ２·８Ｈ２Ｏ、ＡｌＣｌ３和Ｙ（ＭＯ）３为原料，利用共沉淀和热压烧结工艺，制备ＳｉＣ板粒／Ｙ－ＴＺＰ和（含Ａｌ２Ｏ３）ＳｉＣ板粒／Ｙ－ＴＺＰ复合材料。测试了材料的室温和高温力学性能。研究了添加Ａｌ２Ｏ３对ＳｉＣ板粒／Ｙ－ＴＺＯ复合材料的影响。结果表明，ＳｉＣ板粒／Ｙ－ＴＺＰ复合材料与Ｙ－ＴＺＰ复合材料与Ｙ－ＴＺＰ陶瓷相比，其室温强度和韧性出现明显下降，高温强度也没有改善；     

界面脱粘对正交铺设SiC/CAS复合材料基体开裂的影响

采用细观力学方法研究了正交铺设SiC/CAS复合材料在单轴拉伸载荷作用下界面脱粘对基体开裂的影响。采用断裂力学界面脱粘准则确定了0°铺层纤维/基体界面脱粘长度, 结合能量平衡法得到了主裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式3)和次裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式5)的临界开裂应力, 讨论了纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能对基体开裂应力的影响。结果表明, 模式3和模式5的基体开裂应力随纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能的增加而增加。将这一结果与Chiang考虑界面脱粘对单向纤维增强陶瓷基复合材料初始基体开裂影响的试验研究结果进行对比表明, 该变化趋势与单向SiC增强玻璃陶瓷基复合材料的试验研究结果一致。     

连续纤维增强SiCf/SiC陶瓷复合材料的发展

连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料具有良好的高温力学性能、抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和核能等领域新的高温结构材料研究的热点之一。回顾了增强体连续SiC纤维的发展，综述了SiCf／SiC材料的成型制备工艺、界面相对力学性能的影响和目前的应用研究，展望了连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料以后的研究重点及发展前景。     

2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为

为了研究国产2D-SiC/SiC复合材料的拉伸损伤行为以及低周循环载荷作用下的力学性能,通过试验和建立加卸载细观力学模型,对其拉伸加卸载行为进行了探讨。建立了单向连续纤维增强陶瓷基复合材料加卸载细观力学模型,得到了初始加载、卸载和重新加载时的应力-应变关系;利用断裂统计方法得到了基体裂纹数随应力变化的关系和复合材料失效判断条件。经过应力转化,将该模型应用于国产二维编织SiC/SiC复合材料。对单向加载试件,采用正交试验方法和最小二乘法得到基体Weibull模量和界面剪切阻力,通过控制材料失效强度与试验结果一致,得到纤维Weibull模量。由上述参数确定的2D-SiC/SiC复合材料拉伸循环加卸载应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。通过Matlab编程得到2D-SiC/SiC复合材料单向加载时基体开裂过程图。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料失效时,基体裂纹分布相对比较均匀;基体裂纹数随应力单调增加,未出现持平段,表明材料失效时,基体裂纹还没有达到饱和。     

C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的振动响应特性及防松性能

通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的模态进行计算和试验分析,确定了其模态参数和振动响应特性;然后通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行正弦扫频振动试验,研究了拧紧力矩对螺栓连接件振动性能的影响规律;最后研究了液态聚硼硅氮烷（L-PBSZ）对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件防松性能的影响。研究结果表明：一阶和三阶固有计算模态频率与试验模态频率一致,因此可以采用有限元分析方法对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行振动响应特性分析;采用正弦扫频振动频谱信号差值曲线分析方法可以检测螺栓连接件是否松动;SEM观察表明,L-PBSZ改性的C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的螺纹副间形成陶瓷填充体,使得螺纹与螺母间有效摩擦系数和有效摩擦面积增加,因此螺母松脱退出的力矩增大,提高了C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的防松可靠性能。     

2D C/SiC复合材料的可靠性评价

采用概率论和数理统计方法, 以研究分析2D C/SiC复合材料的弯曲强度分布规律为切入点, 比较了失效概率预测值与实验值, 用可靠度、 风险函数和可靠强度评价了该材料可靠性。通过线性回归分析和拟合优度检验得到正态、 对数正态和三参数Weibull分布模型均可表征其弯曲强度分布规律; 确定了该材料弯曲强度失效概率、 可靠度函数、 风险函数和可靠强度的数学模型中的参数, 可以预测给定强度条件和许用可靠度条件下的多种可靠性指标; 材料弯曲强度均值的三种模型预测值与实测值最大相对误差仅0.07%, 计算得到的失效概率曲线与实验弯曲强度的失效分布均符合很好。