纖維混編CMC-SiC的殘余熱應(yīng)力與基體開裂應(yīng)力研究

1、纖維混編CMC-SiC的殘余熱應(yīng)力與基體開裂應(yīng)力研究 連續(xù)碳纖維(Cf)增韌碳化硅基(SiCm復(fù)合材料在航空、航天和能源等領(lǐng) 域具有廣闊應(yīng)用前景。但是，由于Cf與SiCm的熱膨脹系數(shù)不匹配，復(fù)合材料從 制備溫度冷卻到室溫時會產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力而導(dǎo)致基體開裂， 影響復(fù)合材料的性能， 尤其是復(fù)合材料的基體開裂應(yīng)力。 目前，國內(nèi)尚未有人開展該復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力與基體開裂應(yīng)力關(guān)系的研究 工作。本文為了研究殘余熱應(yīng)力與基體開裂應(yīng)力的關(guān)系，將Cf和碳化硅纖維 (SiCf)三維混編后制備復(fù)合材料，研究混編方式對SiCm復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力 分布、微結(jié)構(gòu)特征和強度分布的影響規(guī)律。 在優(yōu)選混編方式的基礎(chǔ)上，研究了 C

2、f與SiCf混編比例對復(fù)合材料基體開裂 應(yīng)力的影響。從復(fù)合材料細觀力學角度建立了基體開裂應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力的關(guān)系。 還研究了混編復(fù)合材料的熱膨脹、 熱擴散和氧化行為。 主要研究內(nèi)容與結(jié)果 如下：1)研究了 C/PyC/SiC、Cf和SiCf不同混編方式、不同混編比例復(fù)合材料 的殘余熱應(yīng)力分布。 結(jié)果表明：(1)與C/PyC/SiC相比，Cf和SiCf混編相間分布(xC x ySiC)/PyC/SiC和接觸分布(xC-ySiC)/PyC/SiC 均可減少SiCm的軸向殘余拉 應(yīng)力，以Cf與SiCf體積分數(shù)比等于1:2為例，(Cx 2SiC)/PyC/SiC和 (C-2SiC)/PyC/SiC 中S

3、iCm的軸向拉應(yīng)力從726MPa分別減小至(349和227MP 9 =45; 174和39MPa 9 =0)，從SiCm軸向應(yīng)力的變化看，選擇纖維混編接 觸分布為宜；(Cx2SiC)/PyC/SiC 和(C-2SiC)/PyC/SiC 中 SiCm在 9 =45 方向的 徑向應(yīng)力從100MPa分別增大至123和145MPa在9 =0方向，SiCm的徑向拉應(yīng) 力從100MPa分別變?yōu)?43和-28MPa的壓應(yīng)力，從SiCm徑向應(yīng)力的變化看，選擇 纖維混編相間分布為宜 (2)以Cf和SiCf混編接觸分布為例，SiCm的軸向和徑向殘余熱應(yīng)力隨SiCf 體積分數(shù)的增加逐漸減小。當Cf和SiCf混編比例

4、由1:2增至1:4時，復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)單元的軸向和徑向殘余熱應(yīng)力變化趨勢(增加或減小)減緩，尤其是 SiCm 的軸向拉應(yīng)力在B =45。方向從僅從174減小至170MPa 2)研究了 C/PyC/SiC、(C x 2SiC)/PyC/SiC 和(C-2SiC)/PyC/SiC 復(fù)合材料 的微結(jié)構(gòu)特征和強度分布。結(jié)果表明：(1)與C/PyC/SiC相比，兩種混編復(fù)合材 料中SiCm的裂紋數(shù)量和尺度均大幅減少。 在(C x 2SiC)/PyC/SiC 和(C-2SiC)/PyC/SiC 中，發(fā)現(xiàn) Cf 周圍的 SiCm僅存在 小于微米級的軸向裂紋，且其擴展方向僅指向Cf聚集區(qū)；而(C-2SiC)/P

5、yC/SiC 中SiCm的微裂紋數(shù)量和尺度小于(C x 2SiC)/PyC/SiC復(fù)合材料。統(tǒng)計表明，三 種復(fù)合材料的涂層裂紋均服從均勻分布規(guī)律。 與 C/PyC/SiC 相比，(C x 2SiC)/PyC/SiC 和(C-2SiC)/PyC/SiC 的涂層裂紋寬 度均由1降至0.2卩m裂紋密度由1090分別降至46條/m和50條/m。(2)與 C/PyC/SiC 相比，(C x2SiC)/PyC/SiC 和(C-2SiC)/PyC/SiC 的彎曲強度分別提高 了 439%和 469%。 上述三種復(fù)合材料的強度分布均服從 Weibull分布，且Weibull模數(shù)分別為 18.1、 2.4 和

6、15.8。采用 Weibull 分布函數(shù)預(yù)測的強度值與實測值的誤差分別為 4.4%、 1526%和0.19%。 顯然，相間分布的 (Cx 2SiC)/PyC/SiC 的 Weibull 模數(shù)太低，導(dǎo)致預(yù)測強度 誤差過大，故本文選擇 Cf 和 SiCf 混編接觸分布復(fù)合材料為主要研究對象。 3) 研究了 C/PyC/SiC Cf和SiCf混編接觸分布不同混編比例復(fù)合材料的基體開裂 應(yīng)力。 基于細觀力學分析方法建立了復(fù)合材料基體開裂應(yīng)力與SiCm殘余熱應(yīng)力關(guān) 系的數(shù)學模型。結(jié)果表明： (1)C/PyC/SiC 的基體開裂應(yīng)力僅為 293MPa。 Cf 和 SiCf 混編比例分別為 3:2、1:1、

7、1:2 和 1:4 的(3C-2SiC)/PyC/SiC、 (C-SiC)/PyC/SiC、(C-2SiC)/PyC/SiC 和(C-4SiC)/PyC/SiC 復(fù)合材料的基體開裂 應(yīng)力分別為47 10、74 4、98 4和99 11MPa當Cf和SiCf混編比例為1:2 時，繼續(xù)增加 SiCf 體積分數(shù)，復(fù)合材料的基體開裂應(yīng)力無明顯增加。 (2)復(fù)合材料基體開裂應(yīng)力與SiCm殘余熱應(yīng)力關(guān)系的數(shù)學模型表明，減小 SiC m的殘余拉應(yīng)力或提高纖維與基體的模量比，均可提高復(fù)合材料的基體開裂 應(yīng)力。采用該數(shù)學模型計算出 (C-4SiC)/PyC/SiC 和 SiC/PyC/SiC 的基體開裂應(yīng) 力分

8、別為116土 8和138 5MPa其與實測值的誤差均為15% 同時，根據(jù)實測的 C/PyC/SiC、 (3C-2SiC)/PyC/SiC 、 (C-SiC)/PyC/SiC 和 (C-2SiC)/PyC/SiC 的基體開裂應(yīng)力，采用該模型反算出上述四種復(fù)合材料中 SiCm的殘余熱應(yīng)力分別為140、120、90和60MPa其變化趨勢與殘余熱應(yīng)力的 計算結(jié)果一致，表明該模型實用可靠。 4)通過對 C/PyC/SiC、 SiC/PyC/SiC 和 (C-2SiC)/PyC/SiC 復(fù)合材料斷裂模式的研究表明， C/PyC/SiC 為非積聚型斷裂 (Cf 無拔出)；SiC/PyC/SiC 為積聚型斷裂

9、(SiCf 可拔出)；(C-2SiC)/PyC/SiC 為包含非積聚型和積聚型的混合型斷裂模式。 5)研究了 C/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC復(fù)合材料的熱膨脹和熱擴散行為。 結(jié)果表明， (C-2SiC)/PyC/SiC 的工程熱膨脹系數(shù)和熱擴散系數(shù)均大于 C/PyC/SiC 復(fù)合材料。 兩種復(fù)合材料的物理熱膨脹行為與其殘余熱應(yīng)力變化相對應(yīng)， 低于復(fù)合材料 制備溫度時，與 C/PyC/SiC 相比， (C-2SiC)/PyC/SiC 殘余熱應(yīng)力的“彈性釋放 區(qū)”由450降至350 C,說明其SiCm產(chǎn)生基體裂紋的溫差增大。高于復(fù)合材料 制備溫度時，C/PyC/SiC中Cf因受拉應(yīng)力且就位強度低而部分斷裂，導(dǎo)致復(fù)合 材料的熱膨脹系數(shù)迅速升高；而在 (C-2SiC)/PyC/SiC 中, SiCf 受拉應(yīng)力且就位 強度高，對SiCm熱膨脹的約束作用強，使其熱膨脹曲線升高斜率低。 表明CMC-SiC高于制備溫度后的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化受復(fù)合材料中纖維 就位強度的影響。6)對C/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC復(fù)合材料氧化行為的研 究表明， (C-2SiC)/PyC/SiC 小于 C/PyC/SiC 的氧化失重率，這源于 (C-2SiC)/PyC/SiC 中作為氧擴散通道的基體和涂層的裂紋數(shù)量與尺度比 C/PyC/SiC 的小