JaciyChenSiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的界面改性研究

主講大綱1.復(fù)合材料及SiC纖維的介紹2.SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的簡(jiǎn)介3.纖維涂層法的研究4.結(jié)束語(yǔ)5.參考文獻(xiàn)9/1/202311:48:51PM1.1復(fù)合材料的簡(jiǎn)介復(fù)合材料既然屬于材料族譜，它的定義也應(yīng)與材料定義的內(nèi)涵相符，同時(shí)還必需反映出復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特性質(zhì)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)將復(fù)合材料定義為：兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既能保留原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能相互補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)區(qū)別。9/1/202311:48:51PM1.1.1復(fù)合材料的特點(diǎn)1.由兩種或多種不同性能的組分通過(guò)宏觀或微觀復(fù)合在一起的新材料，組分之間存在明顯的界面。2.各組分保持各自固有特性的同時(shí)，可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點(diǎn)，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。3.復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性9/1/202311:48:51PM1.1.2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模式復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)相兩個(gè)組分組成。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常一個(gè)相為連續(xù)相，稱為基體；而另外一個(gè)相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會(huì)使材料的性能顯著改善和增強(qiáng)，稱為增強(qiáng)相（增強(qiáng)劑、增強(qiáng)體）。增強(qiáng)劑（相）一般比基體硬，強(qiáng)度、模量較基體大、可以是纖維狀、顆粒狀或?qū)悠瑺預(yù)l2O3纖維Al2O3片9/1/202311:48:51PM1.2復(fù)合材料的應(yīng)用9/1/202311:48:51PM1.3SiC纖維的簡(jiǎn)介性能特點(diǎn)1、高強(qiáng)4.5GPa

高模量

200~400GPa2、化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿3、耐高溫1300℃，強(qiáng)度不變；1000℃/氧化氣氛，強(qiáng)度不變4、與各種基體相容性好金屬基、陶瓷基、樹脂基復(fù)合材料制造方法1、先驅(qū)體法烷基硅烷→聚合紡絲→有機(jī)纖維→高溫處理→SiCF2、CVD法鎢絲／碳絲→沉積室→

SiCFSiC顆粒9/1/202311:48:51PM2.SiC纖維TMMSc的簡(jiǎn)介1.SiC纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料(TMMCs)具有比傳統(tǒng)鈦合金更高的比強(qiáng)度、比剛度,更高的抗蠕變和疲勞性能,被認(rèn)為是航空壓氣機(jī)葉片、葉環(huán)和軸類等零部件的最具潛力的材料,從20世紀(jì)70年代以來(lái)一直受到各航空大國(guó)的廣泛關(guān)注。2.此外還可用于飛機(jī)蒙皮、支撐桁梁、加強(qiáng)筋等構(gòu)件,可大幅度提高這些零部件的性能,減輕質(zhì)量9/1/202311:48:51PM2.1TMMCs的界面問(wèn)題1.由于Ti的活性很高,TMMCs在制備和高溫服役過(guò)程中,SiC纖維和Ti合金之間會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的界面化學(xué)反應(yīng),不但使纖維強(qiáng)度劇烈下降,而且所形成的脆性反應(yīng)產(chǎn)物將會(huì)在承載過(guò)程中首先產(chǎn)生裂紋,對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不可接受的負(fù)面影響2.此外,纖維與基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配也會(huì)使復(fù)合材料界面附近產(chǎn)生較大的熱殘余應(yīng)力,在界面反應(yīng)區(qū)和基體中形成早期裂紋。因此,TM-MCs的界面問(wèn)題已成為制約其發(fā)展和應(yīng)用的突出問(wèn)題,并一直成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)9/1/202311:48:51PM3.TMMCs的界面改性改善TMMCs界面兼容性的方法包括纖維涂層法和基體合金化等,其中纖維涂層法被證明是控制界面反應(yīng)和改善殘余應(yīng)力的最有效方法。纖維涂層法發(fā)展至今,已從C涂層等單一的涂層發(fā)展到功能更強(qiáng)的復(fù)合涂層或功能梯度涂層。1.單涂層涂層的分類2.雙涂層3.復(fù)合涂層／功能梯度涂層9/1/202311:48:51PM

3.1復(fù)合材料涂層設(shè)計(jì)的原則

(1)涂層必須保護(hù)纖維強(qiáng)度不受損傷,即涂層不與纖維發(fā)生反應(yīng)(2)涂層必須提供足夠的橫向強(qiáng)度,從而使復(fù)合材料有較高橫向抗拉強(qiáng)度;(3)涂層應(yīng)該擁有一定的延展性,以提供更高的界面韌性;(4)涂層應(yīng)當(dāng)能發(fā)生一定的脫粘,從而使基體和涂層中的裂紋能沿纖維/涂層界面發(fā)生一定距離的偏轉(zhuǎn);(5)最好能使涂層處于軸向殘余壓應(yīng)力狀態(tài),避免裂紋或缺陷滲入涂層;9/1/202311:48:51PM3.2.1單-碳涂層的研究C涂層是發(fā)展較早、應(yīng)用也最為廣泛的涂層如美國(guó)Textron公司生產(chǎn)的SCS-6SiC纖維(C芯),帶有石墨C涂層,且其最外層富Si,涂層的內(nèi)側(cè)富C部分可調(diào)節(jié)熱膨脹系數(shù)的不匹配,外側(cè)富Si部分是為了與基體中的Ti反應(yīng)形成原位反應(yīng)阻擋層。但是,已有研究表明,涂層中的Si原子參與界面反應(yīng)后生成的硅化物并不能有效阻止界面反應(yīng)。隨著高溫?zé)崽幚頃r(shí)間的延長(zhǎng),涂層逐漸被消耗殆盡,最后內(nèi)部SiC也參與界面反應(yīng)，即C涂層并不能有效減緩纖維與基體的界面反應(yīng)。9/1/202311:48:51PM3.2.2單-陶瓷涂層的研究在已有C涂層的基礎(chǔ)上,具有耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性較好的一些陶瓷材料通常也被考慮用作SiC纖維的保護(hù)涂層。如Al2O3、TiBx、VBx、TaBx、TiSi2、Y2O3、ZrO2、TiB2、HfO2、TiC、TiN等曾被用作TMMCs的界面反應(yīng)阻擋層,并希望成為β相穩(wěn)定劑,可使界面附近的基體不易開裂,因?yàn)棣孪噔伜辖鸬乃苄员圈料噔伜辖鸶?。在這些涂層中,只有TiB2和TiC涂層能成功阻止SiC/Ti界面反應(yīng)。盡管如此,TiB2和TiC涂層纖維的強(qiáng)度也會(huì)分別降低15%和52%。此外,由于這些涂層為脆性材料,在機(jī)械載荷和熱殘余應(yīng)力作用下易于首先開裂失效。9/1/202311:48:51PM3.3.1Ag/Ta雙金屬涂層的研究從該設(shè)計(jì)原則考慮,選用金屬材料作為涂層似乎比較理想,但是絕大多數(shù)金屬都會(huì)與SiC纖維發(fā)生反應(yīng),不發(fā)生反應(yīng)的又很難提供較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度?？梢?jiàn)單一涂層很難同時(shí)滿足所有設(shè)計(jì)的要求,只有采用雙涂層或復(fù)合涂層才能進(jìn)一步優(yōu)化界面性能Jeng等研究了Ag/Ta雙金屬涂層對(duì)SCS-6/Ti-25-10復(fù)合材料力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明,Ag/Ta涂層能作為擴(kuò)散阻礙層有效地控制界面反應(yīng),并能作為過(guò)渡層有效地調(diào)節(jié)熱殘余應(yīng)力,因?yàn)锳g能阻礙SCS-6與Ta之間的反應(yīng),而Ta是一種β相穩(wěn)定元素。但是,過(guò)強(qiáng)的界面剪切強(qiáng)度降低了復(fù)合材料的韌性而且Ag和Ta的價(jià)格比較昂貴9/1/202311:48:51PM3.3.2稀土元素及其硼化物涂層DeepakUpadhyaya研究了稀土元素及其硼化物涂層Gd/GdBx對(duì)SCS-6/Ti-6Al-4V和SCS-6/TiAl兩種復(fù)合材料界面及性能的影響。結(jié)果表明,Gd/GdBx在1000℃以上作為反應(yīng)阻礙層能有效地保護(hù)纖維,同時(shí)該涂層能很好地調(diào)節(jié)熱殘余應(yīng)力,使兩種復(fù)合材料的基體中均無(wú)熱殘余應(yīng)力誘導(dǎo)的裂紋存在,但是GdBx涂層中仍有生長(zhǎng)裂紋,對(duì)此DeepakUpadhyaya建議在GdBx涂層表面沉積一薄層的Gd來(lái)填充那些生長(zhǎng)裂紋。但是Gd/GdBx極易被氧化,因此給制備帶來(lái)了困難。9/1/202311:48:51PM3.3.3C/TiC/Ti功能梯度涂層Choy提出了C/TiC/Ti功能梯度涂層的方案,C涂層既可以防止Si的擴(kuò)散,又可以作為熱殘余應(yīng)力的緩解層;TiC層實(shí)際上為Ti含量和C含量梯度變化的涂層,能進(jìn)一步阻止界面反應(yīng);Ti涂層的作用是提高纖維/基體結(jié)合強(qiáng)度,從而有效發(fā)揮纖維的承載功效。該方法只用到C和Ti兩種元素,比較經(jīng)濟(jì),也解決了SiC/Ti界面問(wèn)題,但作者沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。9/1/202311:48:51PM3.3.4Ti/Y/Ti和C/SiC兩種涂層Majumdar提出了Ti/Y/Ti和C/SiC兩種涂層系統(tǒng)。Ti/Y/Ti系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理由是:靠近纖維表面的薄的Ti涂層與纖維反應(yīng)形成合適的界面結(jié)合強(qiáng)度;Y涂層因與纖維之間不發(fā)生界面反應(yīng),形成物理結(jié)合,所以既可作為擴(kuò)散阻擋層,又能使擴(kuò)展到纖維附近的裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn);最外層的Ti涂層是為了防止內(nèi)層涂層被氧化或污染。結(jié)果表明,纖維的原位強(qiáng)度急劇下降,復(fù)合材料橫向強(qiáng)度也較低,可能是由于Y層吸氧及其濺射態(tài)的柱狀晶結(jié)構(gòu)所致。C/SiC涂層(C涂層靠近纖維一側(cè),SiC靠近基體一側(cè))則使纖維的原位強(qiáng)度得到了保護(hù),復(fù)合材料也同時(shí)具有較好的橫向和縱向力學(xué)性能。該涂層體系雖然制備方便,但一方面由于SiC層作為反應(yīng)犧牲層,在700℃以上時(shí)反應(yīng)消耗速度較快,因此該涂層在該溫度下使用是不可取的;另一方面,增加的SiC層將增大纖維的直徑,因而需要考慮所用纖維在復(fù)合材料中的有效體積分?jǐn)?shù)。9/1/202311:48:51PM3.3.5

Cu/Mo和Cu/W雙金屬涂層Guo等研究了Cu/Mo和Cu/W雙金屬涂層對(duì)SCS-6/Ti-15-3復(fù)合材料界面和力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)兩種雙金屬涂層都能減緩界面反應(yīng)速度,但Cu/Mo涂層更有利于提高復(fù)合材料的軸向拉伸性能和抗疲勞性能,如表1所示。熱暴露條件對(duì)復(fù)合材料界面和力學(xué)性能(如軸向和橫向拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性、蠕變和疲勞性能等)的影響規(guī)律,還有待于深入細(xì)致的研究9/1/202311:48:51PM3.3.6TMMCs中各涂層的作用9/1/202311:48:51PM3.3.7我國(guó)對(duì)纖維涂層的研究目前我國(guó)對(duì)SiC/Ti界面改性的研究還主要停留在C涂層的使用,研究單位主要有西北工業(yè)大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院等，而國(guó)外則大多是在已有富C涂層基礎(chǔ)上展開的研究(如前文所述),可見(jiàn)我國(guó)與國(guó)外還存在較大差距。蔡杉等研究了富碳B4C涂層對(duì)復(fù)合材料界面及力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,該涂層能有效阻隔纖維與基體的不良反應(yīng)，但是B4C作為反應(yīng)犧牲層,所起的作用與C涂層相當(dāng)。王玉敏等近來(lái)報(bào)道了采用C/AlN和C/Al2O3梯度涂層進(jìn)行界面改性,其調(diào)控能力和機(jī)理正在進(jìn)一步研究中。9/1/202311:48:51PM4.結(jié)束語(yǔ)綜上所述,選擇SiC纖維表面涂層要從保護(hù)纖維、阻擋界面反應(yīng)、改善界面結(jié)合、調(diào)和熱殘余應(yīng)力等方面進(jìn)行綜合考慮。單一的涂層通常難以實(shí)現(xiàn)以上所有功能,而雙涂層或復(fù)合涂層、功能梯度涂層則可同時(shí)滿足較多的功能需求,是更有發(fā)展前景的涂層。除了涂層的有效性之外,還要考慮到涂層制備的可行性和經(jīng)濟(jì)性,盡量降低成本,減少制備難度和環(huán)境污染?？傮w看來(lái),在已有富C涂層基礎(chǔ)上發(fā)展有惰性金屬的復(fù)合涂層是較為經(jīng)濟(jì)適用的方法如Ti/Y/Ti或Ti/Gd/Ti涂層體系,通過(guò)高真空多靶磁控濺射技術(shù)制備復(fù)合涂層,徹底解決Y或Gd的氧化問(wèn)題,可用基體材料制備Ti層。總之,發(fā)展涂層研究將極大地改善SiC/Ti界面相容性,進(jìn)一步推進(jìn)TMMCs在宇航領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用9/1/202311:48:51PM5.參考文獻(xiàn)1.LeyensC,HausmannJ,KumpfertJ.Continuousfiberrein-forcedtitaniummatrixcomposites:Fabrication,propertiesandapplication[J].AdvEngMater,2003,5(6):3992.Matikas,TheodeoreE.Hightemperaturefiberfragmenta-tioncharacteristicsofSiCsingle-fibercompositewithtita-niummatrices[J].AdvComposMater,2008,17(1):753.陳振中,金業(yè)壯,陳禮清.鋁、鈦基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2006,32(4):404.王玉敏,肖鵬,石南林,等.SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料界面研究及構(gòu)件研制[J].中國(guó)材料進(jìn)展,2010,29