关键词:
C/SiC复合材料
铺层方式
力学性能
氧化时间
氧化温度
摘要:
C/SiC复合材料以高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀和抗氧化性等一系列的优异性能成为了高超音速热防护系统、航空航天工业和武器系统应用中的候选材料,其应用越来越广泛。为进一步提高C/SiC复合材料构件的服役性能和可靠性,亟待发展先进的实验技术和实验装备,系统研究高温服役环境对C/SiC复合材料性能的影响。本文进一步完善了基于数字图像相关法的材料高温力学性能原位试验系统;采用先驱体浸渍裂解法制备了不同铺层方式的C/SiC复合材料样品,研究了铺层方式对C/SiC复合材料弯曲性能的影响;为进一步指导高温原位测试,系统研究了测试温度和氧化时间对C/SiC复合材料弯曲性能的影响;最后在氩气高温环境下原位表征了 C/SiC复合材料弯曲性能。本文结果对进一步优化C/SiC复合材料制备工艺、预测高温力学性能演变提供了重要参考。主要内容归纳如下:第一,开展了高温氧化对不同纤维排布方式的C/SiC复合材料力学性能和断裂机制的研究。采用先驱体浸渍裂解法(PIP)制备纤维排布分别为[0°/90°],[-45°/+45°]和[30°/60°]的3种不同编织预制体的C/SiC复合材料,结合DIC测试系统研究了高温氧化对不同碳纤维铺层排布方式的C/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明:高温氧化对C/SiC复合材料力学性能影响很大,随着温度的升高,材料的断裂强度逐渐减小。随着氧化温度上升到1600℃,[30°/60°]排布方式C/SiC的断裂强度由常温下的491.19 MPa减小到179.22 MPa,[-45°/+45°]和[0°/90°]铺层的样品断裂强度分别由433.51 MPa减小到193.80MPa和463.84MPa减小到244.42MPa。[30。/60。]和[-45。/+45。]铺层排布方式的C/SiC复合材料受高温氧化的影响相对于[0°/90°]排布方式的样品更加严重。本研究结果对C/SiC复合材料的损伤机理、微观特征分析和铺层角度的设计具有一定的参考价值。第二,借助三点弯曲测试方法对PIP制备的C/SiC复合材料进行性能表征,为了有效评估C/SiC复合材料在高温试验过程中样品受温度的影响情况,将样品在不同温度下进行不同时间的氧化处理,通过获得材料的断裂强度和断裂韧性,从而得出调试样品阶段氧化温度和氧化时间对C/SiC材料机械性能的变化所产生的影响。结果表明:不同的氧化温度和氧化时间严重影响了 C/SiC复合材料的机械性能,并且改变了其失效模式。氧化温度为1100 ℃,1200 ℃,1300 ℃,1400 ℃,1500℃和1600℃时,所对应的临界安全时间分别为8,5,5,1.5,0.5和0.5分钟。把性能减少百分比定义为20%,对于氧化温度为1100 ℃,1200 ℃,1300 ℃,1400℃,1500 ℃和1600 ℃时,所对应的临界安全时间分别为12,11,8,6,1.5和1分钟。在进行高温实时测试试验之前,应尽可能的减少操作设备,调节样品位置所需要的时间,从而降低氧化温度和氧化时间对样品的损伤。第三,借助三点弯曲方法对PIP方法制备的C/SiC材料在25 ℃、1200 ℃、1300℃、1400℃、1500℃氩气氛围下进行实时弯曲测试。结果表明:在氩气氛围下,C/SiC复合材料机械性能受温度影响很严重,随着温度的不断升高,C/SiC复合材料的机械性能不断减小。C/SiC的弯曲断裂强度由室温下的470.58 MPa减小到1500 ℃下的295.64 MPa;断裂韧性由由常温下的16.27 MPa·m1/2减小到1500 ℃下的9.72 MPa·m1/2。当温度升高到1300 ℃时,C/SiC复合材料的断裂形式也逐渐发生改变,由原先的脆性断裂逐渐演变成假塑形失效,各种样式的断裂形貌也慢慢出现。