论文部分内容阅读
碳纤维增强碳和碳化硅双基体复合材料(C/C-SiC)已成为航空航天热结构系统以及先进制动系统等领域得到广泛应用的且极具发展潜力的先进多功能陶瓷基复合材料。本文针对现有气相渗硅(GSI)制备C/C-SiC复合材料研究的不足,主要开展了GSI制备C/C-SiC复合材料关键工艺参数设计及其对材料组成、结构的影响研究,并通过X射线断层扫描(XCT)以及数字体积关联技术(DVC)对GSI制备的复合材料力学损伤失效模式及机理的研究,探究了不同结构C/C-SiC复合材料结构与力学性能的联系。本文研究丰富了GSI制备工艺的理论基础以及复合材料结构和力学损伤机理研究方法,为实现C/C-SiC复合材料的高性能化调控提供了参考,主要工作如下:1、探讨了GSI反应温度及时间对三维针刺复合材料密度、组成及结构的影响,结果表明较高的反应温度(1700℃)和较长的反应时间(2h)都有利于GSI反应程度的提高;研究了GSI反应中C/C-SiC复合材料的结构、SiC相空间分布以及孔隙大小和分布等随反应时间增加而变化的情况,揭示了三维针刺结构C/C-SiC复合材料的逐步致密化过程,总结得出了SiC的形成机理,丰富了C/C-Si C复合材料GSI制备的理论基础。三维针刺整体结构C/C中间体的GSI反应主要发生在网胎层区域,C-Si反应大致可分为两个阶段:1)Si蒸气接触C纤维后吸附并反应生成SiC,然后包裹住纤维表面形成薄层;2)SiC薄层生成后反应由C和Si在SiC层中的扩散控制,反应速率随SiC层厚度增加和反应空间的不断减少逐渐减缓直至停止,未反应完的Si残留在材料内。反应生成两种类型的SiC相:C纤维表面生成的较为均匀细致的SiC层;SiC层外与Si相接触的大小不一、呈不规则多面体的SiC晶粒。利用XCT技术与溶酸腐蚀法的结合,提取了材料SiC相的三维实体,结果表明在GSI反应2h的样品中SiC相已呈空间连续结构。2、开展了三维针刺结构C/C-SiC复合材料的弯曲、压缩和拉伸性能研究。结果表明材料弯曲强度和模量随着GSI反应时间增加而增加,到2.0h GSI样品时分别为185.4 MPa和25.8GPa,纤维界面结合趋于适中,断口拔出纤维较长。针刺纤维束在弯曲加载中会成为裂纹穿过的脆弱环节。2.0h GSI样品的横向(平行针刺方向)和纵向(垂直针刺方向)压缩强度和模量分别为269±4.8MPa、21.1±0.7 GPa和272.9±3.7MPa、14.1±0.6GPa,在以针刺为样品厚度和宽度的两个方向上拉伸强度分别为115.7±7.8MPa和109.4±5.2MPa。拉伸破坏中无纬布层存在大量纤维束拔出,网胎层断面较为平整。利用XCT结合DVC技术分析了2.0h GSI样品在三个不同加载方向上的压缩损伤失效模式及机理,主要包括损伤类型和发展全过程以及样品三维形变场和最终失效模式等,结果表明基于损伤的DVC应变分析能准确反映样品内部损伤的方式、区域及程度,证明了针刺纤维束在纵向压缩下对损伤及裂纹发展具有明显的限制作用。原位压缩试验发现样品在加载破坏中存在六种主要的近似裂纹的损伤类型,包括无纬布纤维束的界面剥离、内部损伤以及短切网胎层基体和针刺纤维束的损伤。3、开展了三维五向结构C/C-SiC复合材料的气相制备、力学性能以及损伤失效机理研究,设置了先驱体浸渍裂解工艺(PIP)作为对比,研究了工艺类型对材料组成结构及力学性能的影响。四点弯曲原位测试从内部初始损伤以及损伤发展的角度直观和清楚地解释了两种材料的损伤模式及机理:GSI样品纤维束界面结合强度较高,裂纹近似径直穿过纤维束和基体扩展,且由于存在纤维硅蚀及较多束内初始裂纹等缺陷导致材料强度较低(140±7MPa),而PIP样品主裂纹趋向于沿基体和纤维束的界面扩展,扩展路径长、耗能大,材料虽然密度较低但最终强度较高(344±36MPa)。DVC分析量化了原位弯曲加载中GSI和PIP复合材料内部损伤发展对模量降低的影响程度,两种材料的模量都由初始荷载时的大于100GPa减小到最终荷载时的小于40GPa。原位压缩测试中纵向压缩样品(纤维束方向)在最大量程压缩应力下(209 MPa)形成了由基体裂纹和束内及束间裂纹组成的连通性裂纹网络结构,样品一侧出现了连接上下的贯穿裂纹,而横向样品在127 MPa压缩应力后呈现灾难性脆性断裂,产生了斜对角贯穿裂纹。GSI样品束内初始裂纹在弯曲加载中随着荷载的增加而扩展延伸,但与新生垂直于纤维束的裂纹连接较少,而在纵向压缩加载中则会随荷载增加扩展出束外,形成界面和束间裂纹。4、研究了C/C中间体结构类型对经GSI制备的C/C-SiC复合材料的组成及结构的影响。疏松、均匀且连续性好的孔隙结构有利于GSI反应充分进行,如短切碳纤维毡的孔隙结构,使得反应面积大,生成SiC最多,并呈现空间均匀多孔网络状,而具有较大纤维束的C/C结构C-Si反应主要在纤维束表面发生,生成SiC也基本分布在纤维束的表面,呈薄壳状。本文研究表明,经GSI工艺能有效制备较为致密且性能较好的C/C-SiC复合材料,但需对C/C中间体结构以及工艺参数等进行优化设计以进一步提高材料性能。XCT和DVC分析结合能够有效用于材料损伤失效机理研究,获取三维形变、识别力学损伤,甚至判断力学加载中样品尺寸的平整度。