国内外C/C复合材料疲劳性能的研究进展

主要介绍了近年来国内外C/C复合材料疲劳性能的研究进展,并根据疲劳载荷类型系统地总结了C/C复合材料疲劳性能的主要研究方法,归纳出C/C复合材料疲劳损伤的主要特点,即多种损伤形式、高的疲劳极限、剩余强度增加以及实验测试数据分散性大。在此基础上,提出了进一步研究C/C复合材料的疲劳性能值得关注的课题。     

C/SiCN复合材料的疲劳行为

研究了碳纤维增强非晶SiCN陶瓷基复合材料(C/SiCN)的真空拉-拉疲劳行为,对比分析了预稳定化热处理C/SiCN(HTCS)与未热处理C/SiCN(NHTCS)在疲劳后的质量、显微结构和电阻变化。结果表明,对于NHTCS试样,非晶SiCN基体的晶化造成大量气体挥发,质量损失明显;显微组织结构变化表现为基体脱落、纤维拔出、纤维断裂、裂纹扩展直至失效;电阻变化率先降后升,变化规律与材料的组织结构变化密切相关。对于预稳定化处理的HTCS试样,其质量变化、电阻变化的程度相对较小,体现出较好的预稳定化效果。     

C/C复合材料的界面演化规律

研究了单丝界面和纤维束界面结构在细编穿刺C/C复合材料制备过程中的演化规律以及两种界面剪切强度随着生产周期增加的不同变化趋势.在C/C的制备过程中单丝界面和纤维束界面的形成速度不同,单丝界面优先得到完善,经过四个周期界面剪切强度既可达到最高水平;而束界面剪切强度在六个周期后才达到较高水平.     

碳/碳复合材料的疲劳行为研究

碳/碳复合材料作为理想的高温结构材料,在服役过程中不可避免地涉及疲劳加载的情况,其疲劳行为的研究具有十分重要的意义.本文对近年来碳/碳复合材料疲劳行为的研究情况进行了综述,总结出了疲劳行为特点.提出了"界面控制"疲劳机理分析模型,并用此模型合理解释了碳/碳复合材料优异的抗疲劳性能以及异常的"疲劳强化"现象.并在此基础上,对今后的研究工作发表了一些看法.     

C/C复合材料的疲劳性能及损伤研究现状

碳/碳复合材料作为理想的高温结构材料,在服役过程中不可避免地涉及疲劳加载的情况,其疲劳行为的研究具有十分重要的意义.通过对近年来C/C复合材料疲劳行为的研究情况进行的综述,总结出了疲劳特点以及疲劳过程中材料微观结构的变化特点.并在此基础上,对今后的研究工作发表了一些看法.     

混合前驱体制备高织构三维C/C复合材料的微观结构及疲劳行为

以乙醇和甲烷为前驱体,采用化学气相渗透工艺制备了三维五向编织C/C复合材料。利用偏光显微技术分析了复合材料的微观结构,考察了复合材料的静态弯曲性能和疲劳行为,研究了不同循环加载周期对复合材料弯曲强度和力学行为的影响。结果表明:采用混合前驱体可成功制备高织构3DC/C复合材料,材料的平均弯曲强度为379.2 MPa,其疲劳极限为静态弯曲载荷的80.3%。加载循环应力后, C/C复合材料的弯曲强度在不同周次均有所提升,循环105周后弯曲强度的增幅达16.8%。材料弯曲承载时的"屈服区"随着循环次数的增加出现先增大后减小的变化趋势,这与材料疲劳过程中纤维与基体、基体与基体的结合状态有关。     

C/C复合材料孔隙分形表征与弯曲强度计算

采用热梯度化学气相渗透工艺(TCVI)制备了11组不同表观密度的热解碳基C/C复合材料,从每组C/C复合材料上分别截取4个试样进行弯曲强度实验。采用偏光显微镜(PLM)分析了材料的孔隙结构,并利用计盒法求出了图像中孔隙的分形维数。在此基础上利用分形理论表征C/C复合材料的孔隙结构,建立了相同增强预制体及致密化方法制备的C/C复合材料的弯曲强度分形计算模型。计算结果与实验值吻合较好,表明本研究提出的模型具有可行性。     

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。     

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。      

压-压疲劳加载对2D-C/C复合材料导热性能的影响

对二维编织炭/炭复合材料(2D-C/C复合材料)进行压-压疲劳试验,疲劳加载条件分别为应力水平1000 N、2000 N和3000 N,循环周次为10~4、1×10~5、3×10~5次时,并测试其疲劳加载前后试样的导热性能,研究了压-压疲劳加载对其导热性能的影响.结果表明,压-压疲劳加载没有改变2D-C/C复合材料试样的热扩散系数随温度升高而减小以及比热容随温度升高而增大的基本规律,但是压-压疲劳加载使其热导率、热扩散系数随着应力水平和循环周次的增大而降低,而其比热容的变化较小.在压-压疲劳加载过程中,2D-C/C复合材料疲劳损伤的产生和积累导致其导热性能降低.     

碳纤维预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响

以2D碳纤维预制体为增强体, 采用电耦合和等温化学气相渗联合工艺制备C/C复合材料, 研究不同预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响。结果表明, 不同预制体结构增强的C/C复合材料表现出不同的力学行为。对于针刺结构, 随着针刺密度由35 pin/cm ²降至25 pin/cm ², C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由60.1、119.9 MPa增大至69.5、176.8 MPa; 随着碳纱丝束由12 K变为3 K, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由69.5、176.8 MPa增大至105.5、184.4 MPa。对于12 K双向缝合结构, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别为68.1、123.7 MPa。不同碳纤维预制体结构增强的C/C复合材料力学性能的差异主要取决于长纤维的完整性、大孔的分布和数量等因素。C/C复合材料的螺栓性能由于体材料性能和加工过程中缺陷的影响, 其拉伸强度略低于其体材料, 并表现出更为明显的脆性断裂模式。     

ZrB2改性C/C复合材料微观结构及烧蚀性能的研究（英文）

采用超声波真空浸渍-碳热还原法将ZrB2引入碳纤维预置体,结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrB2改性C/C复合材料.氧-乙炔烧蚀测试结果表明,添加了6.87 wt%ZrB2后,C/C复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别下降了64.9%和67.5%.分析表明,C/C复合材料的烧蚀主要是由热化学和热物理反应控制,机械剥蚀在烧蚀过程中仅起到次要作用.烧蚀产物ZrO2/B2O3在烧蚀过程中的挥发会带走大量的热,从而减少了烧蚀火焰对烧蚀表面的热冲击.     

Fatigue Crack Growth and Fracture of 30 wt% B4C/6061Al Composites

This paper focuses on studying the fatigue crack growth (FCG) characteristics and fracture behaviours of 30 wt% B₄C/6061Al composites fabricated by using powder metallurgy and hot extrusion method. Compact tension (CT) specimens having incisions parallel to the extrusion direction (T‐D) and perpendicular to the extrusion direction (E‐D) were investigated through FCG tests. Results show that, at low/medium stress‐intensity factor range levels (ΔK ≤ 9), crack propagation rate in E‐D specimens is lower than that in T‐D specimens because the elongated B₄C particles parallel to the extrusion direction in E‐D specimens can deflect the crack. The scanning electron microscope micrographs of the fractured surface illustrate that crack mainly propagates in the matrix alloy at the initial stage of its propagation and propagates more remarkably near the particle‐matrix interface with the increase of ΔK value. B₄C particles are also found to be easy to fracture during the rapid crack propagation. Based on fracture analyses, considering the impacts of factors like crack deviation, plastic zone size at the crack tip, and crack driving force, a 2‐D crack propagation model was developed to study the fatigue crack propagation mechanism in the 30 wt% B₄C/6061Al composite.     

正丙醇ICVI制备C/C复合材料的组织结构及力学性能

以正丙醇为前驱体,N2为载气和稀释气体,采用等温化学气相渗透(ICVI)工艺,沉积温度为1050、1100、1150℃,压力为6kPa,对初始密度为0.43g/cm3的2D针刺炭毡进行致密化,沉积96h制备出表观密度分别为1.64、1.68和1.69/cm3的C/C复合材料.考察了密度随沉积时间的变化规律,利用三点弯曲测试了材料的弯曲强度,采用偏光显微镜、扫描电子显微镜观察了材料的组织结构和断口形貌.结果表明:以正丙醇为前驱体,采用ICVI工艺在1050和1150℃下制备的试样组织为高织构和中织构的混合组织,1100℃制备的试样基体组织为均一的高织构,其弯曲强度可达199.24MPa.在本实验条件下,并未发现正丙醇中的氧元素在高温下对炭纤维的腐蚀作用,正丙醇可以作为前驱体制备高性能C/C复合材料.     

不同层次界面对C/C复合材料断裂行为的影响

采用快速化学液相气化渗透法制备了C/C复合材料;利用扫描电子显微镜观察了材料的断口形貌特征;研究了不同层次界面状态对C/C复合材料力学行为及断裂模式的影响. 研究表明:束内纤维与基体间结合要适度,既不能过强也不能过弱,保证材料具有高强度同时又具有一定塑韧性;当碳布层间或束间的基体热解碳与纤维柬表面之间残余孔隙量较多或者结合较弱时,则裂纹沿碳布层表面的纤维与基体热解碳之间扩展而分层;热解碳碳层面排列的越紧密,层面间的结合强度越高,则倾向于在基体热解碳内形成齐茬形断面;若碳层面之间存在过多间隙或结合较弱,则倾向于沿碳层面剥离而分层.     

纤维增强复合材料多轴疲劳的实验研究

采用缠绕成型的玻璃纤维增强聚合物基复合材料管型试样,对复合材料在拉扭双轴载荷作用下的多轴疲劳行为进行了实验研究。实验结果表明,复合材料多轴疲劳失效是基体中疲劳损伤累积的结果,最终的失效裂纹通常平行于纤维方向;根据实验中得出的应力应变曲线、疲劳寿命曲线,重点讨论了不同缠绕角复合材料的多轴疲劳寿命随双轴载荷比例、平均应力等因素的变化规律,为今后的多轴疲劳理论研究提供了依据。