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3D-C/SiC的高温拉伸蠕变性能

杨忠学  
【摘要】: 本文研究了3D-C/SiC复合材料的高温拉伸蠕变行为。3D-C/SiC复合材料由三维编织的纤维预制体经化学气相渗透(CVI)SiC基体制成。基纤维体积分数约为40%。蠕变持久实验的应力范围为180 MPa~290MPa,温度范围为1100℃~1500℃。 研究表明:3D-C/SiC复合材料具有较高的蠕变抗力,其稳态蠕变速率大约为10~(-8)-10~(-9)/s。在实验过程当中没有观察到蠕变的加速阶段,这和大多数陶瓷基复合材料的高温蠕变现象是一致的。蠕变的第一阶段也就是减速蠕变阶段的蠕变变形可用ε—ε_0=At~m来描述。可以唯象地解释稳态蠕变速率和蠕变应力和温度之间的关系。 用应力经验公式,Monkman-Grant关系和Larson-Miller参数这三种方法来估算3D-C/SiC复合材料的蠕变持久寿命。 3D-C/SiC的高温蠕变过程也是其组织内部损伤不断演化的过程,选择合适的损伤变量可以很好地描述这个过程。本文分别用电阻的变化率和弹性模量的变化率作为损伤因子,测定在高温蠕变实验过程当中的损伤演变规律。 传统的蠕变理论在解释3D-C/SiC这种非匀质,不连续材料的蠕变机理时遇到了困难,显示出其局限性。通过扫描电镜,透射电镜等对碳纤维,基体,界面等的微观组织在蠕变前后的变化的分析,试图用一种蠕变-损伤机制来解释3D-C/SiC的高温蠕变。 高温下,承受恒定载荷的陶瓷基复合材料的破坏是由于各组元(纤维、基体和界面)的蠕变和随时间演变的损伤二者机理共同作用的结果。在宏观层次上,可以把通过基体微裂纹和界面滑动所形成的损伤积累看作是一种裂纹的缓慢生长过程。一旦基体开裂达到一种饱和状态,裂纹在界面处被止住,然后裂纹会随时间在蠕变实验中缓慢地张开。而3D-C/SiC中界面处热解碳层的各向异性结构会促进界面层的脱粘和滑动。由于在所测定的温度区间和应力范围内,碳纤维和基体本身都不大可能发生蠕变。因此,基体开裂和界面的滑动是3D-C/SiC复合材料宏观变形的主要贡献者。


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