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3D-C/SiC复合材料的拉伸性能

罗国清  
【摘要】: 陶瓷基复合材料在高温结构中有许多潜在的用途,3D-C/SiC又是目前这类材料的研究热点。但该材料的拉伸性能,特别是高温拉伸性能至今尚未见报道,给工程设计、应用带来了很大困难,此外由于三维编织特点其拉伸行为与目前研究较多的1D、2D和2.5D材料应该有所不同。因此本文研究了3D-C/SiC复合材料的高温拉伸性能。 本文所采用的3D-C/SiC由PAN碳纤维三维编织预制体化学气相渗透(CVI)SiC基体制成,其纤维体积分数约为40%,界面层为200nm的热解碳,空隙率为17%。测试了从室温到1500℃、变形速率从0.008mm/min到5.82mm/min范围内其拉伸力学性能,并利用修正的单向连续纤维增强复合材料细观模型计算了拉伸性能的典型值。详细地讨论了温度和变形速率变化对3D-C/SiC力学性能产生影响的内在方式。通过SEM和TEM分析了材料的组织和断口,用电阻法研究了拉伸过程中的损伤。通过分析试验数据,取得以下主要结果: 在恒定的变形速率下3D-C/SiC的拉伸断裂应力在低于制造温度下随温度上升而上升,在接近制造温度1100℃附近达到最大值,然后随温度升高而降低;断裂应变的变化规律则刚好相反,首先随温度的升高而降低,到1100℃达到最小值,而后再随温度的升高而增大;初始弹性模量不随温度的变化而改变;基体开裂应力与断裂应力的变化趋势相同,只是基体开裂应力在1300℃最大。 在不同的变形速率下,3D-C/SiC的拉伸断裂应力在室温下随变形速率的增大而增大,在1100℃时不随变形速率的改变而改变,在1500℃时随变形速率的增大而减小;断裂应变在不同的温度范围内都随变形速率的增大而减小;材料的初始弹性模量在不同温度下均随变形速率的增加而增加。 通过对基于单向连续纤维增强陶瓷基复合材料而导出的细观力学性能结果乘上三维编织结构修正因子,可用于预测3D-C/SiC的拉伸典型性能。预测的断裂应力、基体开裂应力和裂纹间距与实测值最大误差在20%以内。但用修正的混合模量法则预测的弹性模量与测量值偏差较大。 通过分析温度和变形速率对3D-C/SiC性能的影响,揭示了内在的作用因素是 摘要 材料中界面相的存在形态和受力状况、纤维和基体所受的的残余应力、组分材料的 应变率相关性、碳纤维的取向度和基体中微裂纹的状态等。 初步探讨了以3D习Sic在拉伸过程中的电阻变化,电阻变化曲线与应力应变 曲线趋势大致吻合,表明可用材料的电阻变化作为损伤变量来表征材料的损伤。 3D.CZSIC中的损伤发源于材料中编织过程中形成的孔洞及孔隙。拉伸损伤机制主要 为纤维束之间和纤维之间的基体开裂、裂纹沿纤维束界面扩展、纤维以及纤维束的 拔出、交织纤维束间的磨损、纤维断裂等。


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