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二维编织C/SiC复合材料力学性能的试验研究

李刚  
【摘要】:二维编织C/SiC复合材料是随着航空、航天技术发展起来的一种新型高温结构材料,一方面,它具有低密度、耐高温和热稳定性好等优点;另一方面,它克服了单一陶瓷材料脆性大的缺点,具有较好的断裂韧性,因此应用前景广阔。近年来,我国已经在化学气相渗透(CVI)工艺方面的研究取得了重大进展,但由于各种制备工艺的差异性以及材料的各向异性、不均匀和不连续等特点,因此,对CVI工艺二维编织C/SiC复合材料和其构件力学性能的研究显得十分必要。 本文通过大量试验对二维编织C/SiC复合材料的常温、高温拉伸和疲劳性能,以及其开孔构件的常温拉伸、压缩和疲劳性能进行了研究,并结合断口观察对该材料和其开孔构件在各自试验条件下的损伤机理和破坏模式也进行了分析。 试验结果表明,二维编织C/SiC复合材料的常温和高温拉伸响应都表现出明显的非线性特征,其在1300℃、氩气环境下的拉伸强度和破坏应变均比常温下的高,而1300℃、水氧环境下的则比常温下的略低,卸载模量、残余应变和迟滞环宽度随卸载应力的变化均可以用来描述拉伸过程中材料的损伤。开孔构件的拉伸响应仍然表现为非线性,压缩响应在低应力时表现为线性,应力较高时由于裂纹闭合效应表现为非线性,开孔构件对开孔的敏感性较小。二维编织C-SiC复合材料及其开孔构件都有较好的疲劳性能,但分散性较大,试验温度和疲劳应力水平会对材料和构件的疲劳性能产生较大的影响,开孔构件的超声C分析也说明了这一点。 断口分析表明,二维编织C/SiC复合材料常温和高温下的拉伸断口和疲劳断口较为相似,只是纤维的拔出长度和断口的平齐程度有所不同。基体开裂、层间分层以及纤维和纤维束的断裂和拔出是拉伸和疲劳破坏的主要方式。二维编织C-SiC复合材料带孔构件的拉伸断口较平齐,只有部分纤维拔出且拔出长度很短,界面也没有明显的损伤,其压缩断面和加载方向形成一个较小夹角,存在明显的分层裂纹,并且大量经向纤维发生了剪切断裂,包围它的基体也发生了严重的损伤,而纬向纤维和它周围基体的损伤程度较轻。开孔构件的疲劳断口和拉伸断口形貌较为相似。


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