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梳理: 過去一年陶瓷基復合材料領域重大研究突破

2018-02-23 09:53:20 作者：本網整理來源：材料人分享至：

纖維增韌高溫陶瓷基復合材料（CMCs）目前是一類非常有競爭力的極端環境熱結構候選材料。其主要包括非氧化物SiC纖維和C纖維增強SiC基復合材料，如：SiCf/SiC和Cf/SiC。陶瓷基復合材料的典型應用包括：新型飛行器熱防護系統和動力系統的關鍵部件以及其他民用動力裝置的關鍵部件；先進核能系統中作為燃料包殼和面向高溫等離子體材料及高溫熱交換材料；高性能制動系統的關鍵部件材料等。這些系統的服役環境對材料要求極為苛刻，傳統材料對性能提升具有一定的局限性，而陶瓷基復合材料除了具有耐高溫、高比強度高比模量高熱導率、低熱膨脹系數等一系列優良性能外，還具有基體致密度高、耐熱震、抗燒蝕、耐輻照及低放射活性、抗疲勞和抗蠕變等特性，展現了優越的高溫熱力學性能和微觀組織穩定性，是一種集結構承載和耐苛刻環境的輕質新型復合材料，在空天飛行器的隔熱/防熱、航空發動機渦輪葉片、火箭發動機及先進核能耐高溫部件上擁有巨大的應用潛力。在2017年，CMCs在航空航天、聚變和核能領域有著精彩的表現。下面就由我帶領大家回顧與總結CMCs 2017年研究進展。

1、 CMCs中I型分層裂紋的擴展

根據裂紋體的受載和變形情況，可將裂紋分為三種類型：

（1）張開型（或稱拉伸型）裂紋

外加正應力垂直于裂紋面，在應力σ作用下裂紋尖端張開，擴展方向和正應力垂直。這種張開型裂紋通常簡稱I型裂紋。

（2）滑開型（或稱剪切型）裂紋

剪切應力平行于裂紋面，裂紋滑開擴展，通常稱為Ⅱ型裂紋。

（3）撕開型裂紋

切應力作用下，一個裂紋面在另一裂紋面上滑動脫開，裂紋前緣平行于滑動方向，如同撕布一樣，這稱為撕開型裂紋，也簡稱Ⅲ型裂紋。

美國聯合技術研究中心的Rajesh S. Kumar（通訊作者）在Acta Materialia上發表了題為“Crack-Growth Resistance Behavior of Mode-I Delamination in Ceramic Matrix Composites”的文章。作者通過實驗和數值模擬的方法研究了陶瓷基復合材料（CMC）中的I型分層裂紋擴展現象。研究結果表明，隨著分層增長，承載能力增加，抗裂紋增長能力（R曲線）明顯增強。

缺口試樣二維有限元模型

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964541730294X

2、 C/SiC復合材料在熱氧化氣氛下的蠕變行為及其機理

所謂蠕變，就是指金屬或陶瓷材料在恒溫、恒載荷的長期作用下緩慢的產生塑性變形的現象。在高溫條件下，蠕變對構件產生的影響十分顯著。由于施加應力方式的不同，可分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫彎曲蠕變和高溫扭轉蠕變。一般常利用蠕變極限、持久強度等指標來描述材料的蠕變性能。

北京航空航天大學的黃鵬飛（通訊作者）在Ceramics International上發表了題為“Creep behavior of C/SiC composite in hot oxidizing atmosphere and its Mechanism”的文章。作者在熱氧化氣氛下對C/SiC復合材料進行了各種應力和蠕變實驗。研究表明，T300碳纖維在600℃以上明顯氧化，850℃時C/SiC復合材料試樣氧化保護層在10 h內氧化率可降低到80％。在熱氧化氣氛下熱處理10h后，試樣橫截面的SEM照片顯示C/SiC復合材料的氧化從周邊開始通過燒蝕碳纖維而延伸到內部。

CMC斷裂橫截面SEM照片

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884217307083#!

3、三維編織陶瓷基復合材料的損傷與建模

材料的失效分析是指根據失效模式和現象，通過分析和驗證，模擬重現失效的現象，找出失效的原因，挖掘出失效機理的活動。在提高產品質量，技術開發、改進，產品修復及仲裁失效事故等方面具有很強的實際意義。其方法分為有損分析，無損分析，物理分析，化學分析等。

法國熱結構復合材料實驗室的Gérard L Vignolesa（通訊作者）在Acta Materialia上發表了題為“Damage investigation and modeling of 3D woven ceramic matrix composites from X-ray tomography in-situ tensile tests”的文章。作者分別在室溫和1250℃的空氣中通過原位X射線顯微照相拉伸試驗研究SiC/SiC復合材料的失效損傷。此外，作者還從三維圖像構建真實的有限元網格以數值在中尺度上再現了的實驗。

25℃下試樣的有限元模型

文獻鏈接： https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01593228

4、CMC的氧化處理

哈爾濱工業大學的YuxinChai（通訊作者）在Ceramics International上發布了一篇題為“Effect of oxidation treatment on KD–II SiC fiber–reinforced SiC composites”的文章。作者以含氧量較低的KD-II SiC纖維為增強體，通過聚合物滲透裂解（PIP）工藝制備SiCf / SiC復合材料。作者綜合研究了不同溫度下氧化處理對KD-II SiC纖維，由LPVCS（液態聚碳硅烷）前驅體轉化成的SiC基體和SiCf / SiC復合材料的形貌，結構，組成和力學性能的影響。研究結果表明，氧化處理極大地影響了SiC纖維的力學性能，進而顯著影響了SiCf / SiC復合材料的力學性能。隨著氧化處理溫度的升高，纖維表面開裂越來越明顯。經元素分析，碳元素含量急劇下降，氧元素含量急劇增加。

試樣的TEM圖像

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884217308027?via%3Dihub#!

5、SiCf /SiC復合材料的界面性質

復合材料界面是指復合材料的基體與增強材料之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷等傳遞作用的微小區域。界面是一層具有一定厚度（納米以上）、結構隨基體和增強體而異、與基體有明顯差別的新相——界面相（或稱界面層）。因為增強體和基體互相接觸時，在一定條件的影響下，可能發生化學反應或物理化學作用，如兩相間元素的互相擴散、溶解，從而產生不同于原來兩相的新相。

來自加州大學伯克利分校的J. Kabel教授（通訊作者）在Composites Part B上發表了一篇題為“Micro-mechanical evaluation of SiC-SiC composite interphase properties and debond mechanisms”的文章。作者通過小型機械測試、原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡分析PyC（熱解碳）相界面對于復合材料整體力學行為的影響。厚PyC層表現出119MPa的脫粘剪切強度和0.63的內摩擦系數；而薄的PyC層表現出436MPa的脫粘剪切強度和0.11的內部摩擦系數。結果不符合莫爾-庫侖標準，因而作者提出了基于莫爾-庫侖方程的唯象方程。

試樣SEM照片

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836817311502

6、加工溫度對CMC宏觀微觀力學性能的影響

來自國防科技大學的H.T.Liu教授（通訊作者）在Composites Part B: Engineering上發表了一篇題為“Processing-temperature dependent micro- and macro-mechanical properties of SiC fiber reinforced SiC matrix composites”的文章。本文采用透射電子顯微鏡，納米壓痕，纖維推入，微柱分裂等新型表征手段研究了SiC纖維增強SiC基復合材料體系的微觀和宏觀力學性能。在800?1000℃的加工溫度范圍內，隨著加工溫度的升高，SiC基體晶化程度增加，導致楊氏模量和硬度提高，而高溫斷裂韌性降低。相比之下，SiC纖維的組織和力學性能都保持穩定。BN界面的引入可以通過阻礙SiC纖維和SiC基體之間的界面反應來顯著降低界面強度，增強復合材料的抗斷裂性能。

試樣SEM電鏡照片

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836816322673#!

7、CMC旋轉超聲加工中加工刀具振動對纖維斷裂的影響

超聲加工是靠磨粒和液體分子的連續沖擊、拋磨和空化作用去除工件上的被加工材料，完成所需的加工。實踐證明，超聲加工是加工玻璃、陶瓷、石英、寶石以及半導體等硬脆材料非常有效的方法。超聲加工的優點在于加工精度高、表面粗糙程度低，且其應用不受工件材料的電、化學特性限制，不需要工件導電，也不像激光加工、電火花加工那樣給工件帶來熱損傷和殘余應力。

來自清華大學的馮平法教授（通訊作者）在Composites Part B: Engineering上發表了一篇題為“Effects of tool vibration on fiber fracture in rotary ultrasonic machining of C/SiC ceramic matrix composites”的文章。作者對2D-C/SiC復合材料進行了多次旋轉超聲波加工（RUM）實驗。分析了不同纖維方向，超聲振幅和主軸轉速下微孔表面的微觀結構特征。結果表明，纖維的切割方向和切削速度都明顯影響C / SiC復合材料的RUM表面形貌。工具超聲振動可以通過纖維斷裂機理的改變，提高C/SiC復合材料的RUM孔表面質量。