考虑氧化损伤的陶瓷基复合材料弹性模量多尺度预测模型

分析了化学气相渗透(CVI)工艺制备的陶瓷基复合材料的氧化损伤演化规律,基于基体的微裂纹分布规律及界面、纤维、基体等组分氧化历程,建立了考虑温度、氧化时间影响的纤维和单胞两个尺度的弹性模量预测模型。预测结果表明,碳纤维(C_f)/SiC和SiC纤维(SiC_f)/SiC复合材料的拉伸弹性模量随氧化温度升高和氧化时间的增长,下降趋势越明显。通过复合材料高温氧化后的力学性能试验,验证了弹性性能预测模型的正确性:BN界面的SiC_f/SiC材料在1000℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过2%;PyC界面的C_f/SiC在700℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过7%。      

BN/SiC复合界面层对SiC纤维和PIP-Mini复合材料力学性能的影响

采用化学气相渗透(CVI)工艺,在SiC纤维表面沉积BN和BN/SiC复合界面层,对沉积界面层前后纤维的力学性能进行了评价。采用聚合物浸渍裂解(PIP)工艺进行致密化,制得以原纤维、BN界面层和BN/SiC界面层纤维增强的三种Mini-SiCf/SiC复合材料,研究其微观结构和拉伸性能。结果表明:采用CVI工艺制得的界面层厚度均匀、结构致密,其中BN界面层中存在六方相,晶体尺寸为1.76 nm; SiC界面层结晶性较好,晶粒尺寸为18.73 nm;沉积界面层后SiC纤维的弹性模量基本保持不变,拉伸强度降低。与SiCf/SiC相比, PIP工艺制备的SiCf/BN/SiC和SiCf/(BN/SiC)/SiC-Mini复合材料所能承受的最大拉伸载荷和断裂应变明显提升, BN界面层起主要作用。由断面形貌分析可以看出, SiCf/BN/SiC和SiCf/(BN/SiC)/SiC复合材料的纤维拔出明显,说明在断裂时消耗的能量增加,可承受的最大载荷增大。     

弱层成分对SiC/BN层状陶瓷阻力行为的影响

利用压痕2强度法测定了不同弱层成分的SiC/ BN 层状陶瓷的阻力曲线行为, 研究了BN 弱层成分对SiC/ BN 层状陶瓷的阻力曲线行为的影响, 并与SiC 块体陶瓷作对比。结果表明: 与SiC 块体陶瓷相比, SiC/ BN层状陶瓷具有更为明显的升值阻力曲线行为, 且其阻力曲线行为受弱层成分的影响。其中, BN 弱层中加入30 %Al₂O₃ 的SiC/ BN 层状陶瓷显示出更为优越的抗裂纹扩展能力, 其阻力曲线上升最陡, 上升幅度最大。分析认为,这与它们不同的增韧机制和界面的结合状态有关。原位增韧是SiC 块体陶瓷韧性提高的主要原因。裂纹遇到弱界面时发生偏转、分叉以及脱层等是层状陶瓷材料抗裂纹扩展能力提高的主要原因。而弱层成分又影响着裂纹的偏转, 适当结合强度的界面有利于裂纹的偏转, 结合强度太弱太强的界面都不利于裂纹的偏转。      

SiC纤维表面(BN-SiC)n复合涂层的制备及单丝拉伸性能

为制备出理想的连续纤维增韧陶瓷复合材料界面相,利用化学气相沉积（CVD）工艺在SiC纤维表面连续制备出三种类型的（BN-SiC）_n复合界面涂层,对其进行微观结构表征,并通过单丝拉伸测试研究不同涂层对纤维单丝拉伸性能的影响。结果表明：SiC纤维表面沉积的（BN-SiC）_n涂层较为均匀致密。单丝拉伸强度随着涂层层数的增加而降低。单层BN涂层的SiC纤维具有最高的单丝强度保持率（70%）和最大的拉伸伸长率（2.3%）。具有（BN-SiC）₁与（BN-SiC）₂复合涂层的SiC纤维单丝的拉伸性能相比原始SiC纤维有明显下降,拉伸强度保持率分别是42.1%和32.3%。     

不同应力水平下SiCf/SiC复合材料的损伤行为和机制研究

为提高对SiC_f/SiC复合材料在服役中失效机制的理解以及更合理地设计该类材料,通过声发射探测结合两种力学加载实验对该材料的损伤过程进行了评估与分析,并利用光学显微镜和扫描电子显微镜等手段对其损伤状态的演变进行了详细的表征和总结。实验结果表明,声发射技术可有效评估SiC_f/SiC复合材料的损伤程度,并用以分析特定加载应力水平下的损伤发展。研究表明:裂纹在较低的加载应力下(80 MPa)易在材料的原生缺陷附近或多种组分的边界处萌生,但对材料自身强度影响较小;较高的加载应力(≥100 MPa)则会使材料产生大尺度开裂,并与纤维发生相互作用进而降低材料的稳定性。SiC_f/SiC复合材料在递增的加载应力下会产生5种开裂形式以及纤维的断裂拔出和界面的脱粘等损伤行为。     

SiC纤维增强复合材料基体裂纹偏移机理的有限元分析

运用基于能量的裂纹偏移准则, 分别建立了两相和三相复合材料基体裂纹偏移/ 穿透的轴对称有限元模型, 考察了纤维体积分数、描述材料特性弹性失配的Dundurs 参数α和相对裂纹扩展长度a_d / a_p 对相对能量释放率Gd / Gp 的影响。将两相复合材料的有限元结果与He 等人的结果进行对比, 进一步考察了三相复合材料界面层厚度和Dundurs 参数α₁ 和α₂ 对G_d / G_p 的影响。分别将碳涂层SiC 纤维增强复合材料SiC/ C/ Ti-6A1-4V 和碳涂层陶瓷基增强复合材料SiC/ C/ SiC 运用于有限元分析中, 结果表明, 所建立的模型能够准确地预测和比较基体裂纹偏移的机理。      

平纹编织SiCf/SiC复合材料的中温蠕变断裂时间及损伤机制

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_f/SiC)是制造下一代航空发动机热结构件的关键材料,中等温度(～800℃)下,SiC_f/SiC的蠕变断裂时间t_u显著下降。为此,研究了平纹编织SiC_f/SiC (2D-SiC_f/SiC)在空气中500～1 000℃的蠕变性能及损伤机制,应力水平为100～160 MPa。利用SEM、TEM和EDS分析了断口形貌、微观组织和化学成分。结果表明：2D-SiC_f/SiC的t_u与温度和应力水平有关。相同温度下,2D-SiC_f/SiC的t_u随着应力增加而变短。当温度为800℃、蠕变应力大于基体开裂应力(PLS)时,2D-SiC_f/SiC发生中温脆化现象,其t_u下降。2D-SiC_f/SiC的中温脆化机制为基体开裂、BN界面氧化和SiO₂替代BN界面导致的强界面/基体结合。2D-Si...     

国产三代2.5D SiCf/SiC复合材料的界面力学性能

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_f/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_f/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_f/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS),根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(σ_fu)的统计分布,通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_i)。结果表明:利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_f/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能,2.5D SiC_f/SiC的IFSS、ISS和G_i分别为56 MPa、(28±5) MPa和(2.7±0.6) J/m²。ISS和G_i较低,表明界面结合较弱,在剪应力作用下易产生裂纹,而IFSS较大,...     

SiCf/SiC复合材料的RMI制备方法以及微观结构和性能优化

反应熔体渗透(RMI)是制备高密度陶瓷基复合材料的有效方法之一, 而熔体的渗透和复合材料的形成主要取决于预制体的孔隙结构。本研究将硅熔体渗透到具有不同孔隙结构的含碳预制体中, 制备了SiC纤维增强SiC基复合材料(SiC_f/SiC), 并研究了孔隙结构对熔体浸润和SiC_f/SiC复合材料的影响。研究结果表明: 具有较均匀孔径的预制体可以使熔体浸润更充分, 制备的复合材料具有更少的残余孔隙及更优的力学性能。该研究对反应熔渗制备复合材料的孔结构调控具有指导意义。     

基于改进遗传算法的C/SiC拉伸损伤声发射模式识别

采用层次聚类及基于改进遗传算法的无监督模式识别方法,对2D-C/SiC复合材料常温拉伸试验过程的声发射数据进行分析,结合试样断口的扫描电镜(SEM)照片,得到拉伸过程中5类损伤模式及其典型声发射特征参数。通过对各类损伤的能量分布、累计事件数和累计能量的分析,研究C/SiC复合材料的损伤演化过程,发现其过程可分为基体微裂纹和界面失效为主的初始损伤阶段、基体微裂纹停滞导致层间剥离及纤维失效占主导地位的裂纹饱和阶段、基体长裂纹和界面失效为主的损伤积累发展阶段和纤维束大量失效的宏观断裂阶段。     

SiCf/SiC复合材料界面相研究进展

分析了连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)中界面相类型以及各界面相在CFRCMCs中的作用,综述了热解碳(PyC)、氮化硼(BN)、难熔氧化物以及复合界面相在SiCf/SiC复合材料中的应用现状,最后展望了SiCf/SiC复合材料界面相的发展方向。     

BN-SiC层状复合陶瓷的断裂行为研究

以SiC、BN粉为原料,采用热压法制作了BN-SiC层状复合陶瓷,并对层状复合陶瓷的断裂行为进行了研究,发现层状材料通过层间界面优先开裂使横向裂纹扩展路径明显曲折化,断裂从一次性脆断变为对裂纹损伤具有一定容忍能力的逐次多级断裂,裂纹张开位移显著增大,断裂韧性显著提高.     

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。     

多孔Al2O3f/Al2O3复合材料研究进展

作为20世纪90年代兴起的一类连续陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料,连续氧化铝纤维增韧氧化铝(Al₂O_3f/Al₂O₃)复合材料已经发展为与C_f/SiC、SiC_f/SiC等非氧化物复合材料并列的陶瓷基复合材料。以多孔基体实现基体裂纹偏转成为Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料主要的增韧设计方法,形成的多孔Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料具有优异的抗氧化性能和高温力学性能,可在高温富氧、富含水汽的中等载荷工况中长时服役,是未来重要的热结构材料。经过近30年的发展,多孔Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料已被应用于航空发动机、燃气轮机等热端部件。本文综述了多孔Al₂O_3f...     

SiCf/SiC复合材料耐高温氟熔盐腐蚀性能研究

实验研究了熔渗(MI)工艺、浸渍-裂解(PIP)工艺和化学气相渗透(CVI)工艺制备SiC_f/SiC复合材料在800℃的氟熔盐(46.5mol% LiF-11.5mol% NaF-42.0mol% KF)中的腐蚀行为, 通过X射线衍射仪、扫描电镜以及能谱仪等表征手段, 对腐蚀前后样品的物相组成和微观结构进行了分析。实验结果表明, 不同工艺获得的SiC基体与高温氟熔盐的相容性与基体组成有关; MI-SiC中的游离Si相以及PIP-SiC和CVI-SiC中的富氧相是SiC基体中的两种腐蚀弱区, 易被熔盐选择性腐蚀; MI-SiC_f/SiC复合材料以纤维束间游离Si基体腐蚀为主, PIP-SiC_f/SiC复合材料基体腐蚀损伤集中在网络状富氧带, CVI-SiC_f/SiC复合材料的腐蚀损伤主要是沉积层间的含氧边界以及由此造成的基体层状剥离。与MI和PIP样品相比, CVI基体纯度高, 结晶度好, 表观腐蚀速率仅为0.0445 μg/(mm²·h), 具有更好的耐氟熔盐腐蚀性能。     

连续SiC纤维和SiCf/SiC复合材料的研究进展

连续SiC纤维最主要的制备方法是先驱体转化法, 目前已发展到第三代, 它主要作为SiC基复合材料(SiC_f/SiC)的增强体。SiC_f/SiC具有优异的耐高温、抗氧化和高温抗蠕变性, 及其在中子辐照条件下的低放射性, 成为高温、辐射等苛刻条件下结构部件的优先候选材料。本文首先对国内外SiC纤维的发展, 尤其是对第三代SiC纤维的不同制备思路和特征进行了介绍。然后, 对SiC_f/SiC制备工艺和性能的进展进行了综述, 突出了制备工艺创新与SiC纤维发展的关系。最后, 对近几年SiC_f/SiC在高性能航空发动机、聚变反应堆领域的应用进展进行了总结, 并对国内连续SiC纤维和SiC_f/SiC复合材料的发展进行了展望。     

SiC/BN层状陶瓷的抗热震性能研究

采用水中急冷法研究了SiC/BN层状陶瓷的抗热震性能,并同SiC块体陶瓷作比较.实验结果表明SiC/BN层状陶瓷的热震断裂临界温差ΔTc为300℃,略低于SiC块体陶瓷的抗热震断裂临界温差.当热震温差ΔT >ΔTc 时,SiC/BN层状陶瓷的热震剩余强度的下降趋势明显比块体陶瓷的下降趋势缓慢.这同热震断裂和热震损伤理论计算的热震参数R和R的结果相一致.这表明:与SiC块体陶瓷相比,SiC/BN层状陶瓷的热震裂纹形核阻力略有降低,但热震裂纹扩展阻力却大大提高.分析认为BN弱界面对裂纹的吸收和偏转是材料断裂能提高的主要原因,断裂能的提高有利于材料热震阻力的提高.     

纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料高导热性能研究进展

作为一种先进的高温结构及功能材料,高效传热和高温耐热相结合对纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(silicon carbide matrix composites, SiC CMC)在热管理领域(thermal management, TM)中的应用至关重要。常见的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料,如碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C_f/SiC或C_f/C-SiC)、碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)等,增强纤维的石墨化程度较低,难以形成有效的热输运网络。本文综述了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料制备及高导热性能等方面的最新研究进展。可通过引入高导热相、优化界面结构、粗粒化碳化硅晶体、设计预制体结构等方式提高纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的热输运能力。此外,展望了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料发展趋势,即综合考虑影响高导热碳化硅陶瓷基复合材料性能要素,灵活运用复合材料结构与性能的构效关系,以期制备尺寸稳定、性能优异的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。     

层状硅酸钇改性SiCf/SiC复合材料湿氧化行为研究

研究了层状硅酸钇的引入对SiC_f/SiC复合材料湿氧化行为的影响。首先通过硝酸钇乙醇溶液浸渍热解法向碳化硅纤维引入Y₂O₃, 再采用化学气相渗透法沉积SiC。层状Y₂Si₂O₇主要通过Y₂O₃与沉积过程中的SiC反应转化而成。研究发现, Y₂Si₂O₇在1400 ℃湿氧环境条件下发生富集, 在氧化层表面形成保护层。氧化80 h后, 单层和多层Y₂Si₂O₇改性的SiC_f/SiC复合材料强度保留率分别达到60.38%和71.93%, 而没有改性的SiC_f/SiC复合材料强度保留率仅为50.11%。结果表明: 层状Y₂Si₂O₇的引入可显著提升SiC_f/SiC复合材料在湿氧环境的抗氧化性能。     

Si-O-C界面对C/Si-C-N复合材料性能的影响

采用CVI工艺制备基体、PIP方法制备界面,成功制备出了具有Si-O-C界面层的碳纤维增强Si-C-N陶瓷基复合材料(C/Si-O-C/Si-C-N),研究了Si-O-C界面层对C/Si-C-N复合材料力学性能、抗氧化性能和热膨胀性能的影响。结果表明,C/Si-C-N陶瓷基复合材料在采用Si-O-C界面层后,相对于采用热解碳界面的同类复合材料,其抗氧化性能明显提高,强度则基本相当,在实验温度区间内,平均热膨胀系数略有升高。