C/SiC复合材料复杂环境的声发射研究

【摘要】：连续碳纤维增强的碳化硅基复合材料(C/SiC)是一种有希望满足航空发动机热端部件工作温度的重要结构材料。由于多组份以及编织、制备工艺的特点,C/SiC复合材料的力学行为和损伤断裂过程十分复杂。因此,传统研究材料的方法不能适应复合材料损伤过程的研究,而声发射(Acoustic Emission,AE)技术的应用可以有效解决这一难题。本文利用声发射技术实时监测C/SiC复合材料在室温单向拉伸、热震、高温疲劳和蠕变时的损伤破坏过程,利用声发射参数表征了C/SiC复合材料不同的损伤模式,揭示了其损伤演变规律。主要研究内容和结果如下: [1] 利用AE监测和研究了C/SiC复合材料在室温单向拉伸的损伤演变。研究表明,AE信号主要来自基体开裂、界面开裂和纤维断裂。不同的损伤模式产生AE信号的持续时间、能量、频率等参数各不相同。 [2] 利用AE监测和研究了C/SiC复合材料在多种环境下的热震行为。研究表明,热震时裂纹的生长和扩展主要发生在冷却过程中。在Ar气氛下,热震对C/SiC复合材料的损伤是有限的,存在一个临界循环次数。在腐蚀气氛中,C/SiC复合材料不断受到外界腐蚀气体的化学损伤,在循环热应力的作用下,材料性能不断下降,不存在临界循环次数。 [3] 利用AE监测和研究了C/SiC复合材料高温疲劳的损伤演变过程,确定了C/SiC复合材料高温疲劳的主要损伤机理。C/SiC复合材料在受交变载荷时,要经历了基体开裂、基体裂纹饱和、纤维/基体界面处脱粘、纤维沿界面往复滑动、纤维断裂和纤维拔出等阶段。这些基本损伤形式还会相互影响和组合,导致材料的刚度、强度下降以及其它一些物理性能的变化。 [4] 利用AE监测和研究了C/SiC复合材料高温蠕变的损伤演变过程,确