陶瓷基复合材料界面强度与磨削过程材料去除机理研究

摘要

与传统结构陶瓷相比纤维增韧陶瓷基复合材料具有更高的抗冲击韧性和抗弯强度，是重要的国防装备新材料。由于纤维的增强作用，纤维增韧陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，是典型的高硬度、强韧性难加工新材料。磨削加工是纤维增韧陶瓷基复合材料的主导加工方法，目前国内外在此方面的研究还处于初期阶段，作为增韧相存在的连续纤维对材料去除的作用机制尚不明晰，导致磨削效率低下、加工损伤不易控制等问题亟待解决，严重制约国防装备能力的发展。
　　本文以碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料为研究对象，研究增韧纤维/陶瓷界面细观力学行为与界面失效机制，建立纤维增韧陶瓷基复合材料本构模型，通过单颗粒刻划实验与磨削实验研究在磨粒干预条件下连续纤维对复合材料微观裂纹萌生、扩展及材料去除的作用机制，揭示纤维增韧陶瓷基复合材料磨削过程材料去除与新表面创成机理，优化磨削工艺与工艺参数，提高磨削效率、降低加工损伤。
　　论文理论分析了陶瓷基复合材料制备过程中纤维/基体界面的物理、化学作用，研究了纤维/基体界面本构关系以及界面在载荷作用下的失效机制，同时建立了“纤维—界面—基体”的单胞物理分析模型。此外，通过陶瓷基复合材料单胞理论模型的分析，设计并制备了单向C/SiC模型复合材料并以此研究陶瓷基复合材料的磨削加工机理。上述工作为编织陶瓷基复合材料力学性能的研究提供了理论基础。
　　在陶瓷基复合材料的界面力学性能测试方面，利用微/纳米力学测试技术，采用纳米压痕仪，开发了单纤维压出实验平台。通过单纤维压出实验，获得了C/SiC复合材料界面力学的两个重要参数:界面脱粘剪切应力(35±5MPa)和界面摩擦剪切应力(10±1MPa)，并揭示了纤维压出过程中的界面破坏及裂纹传播规律。上述工作为复合材料界面力学分析及磨削机理的研究提供了重要的实验依据。
　　在陶瓷基复合材料的微/纳米加工方面，利用微/纳米力学测试技术，采用纳米划入仪，对自行设计的模型复合材料进行刻划试验。通过试验揭示了单颗磨粒作用下的界面失效机制及微观材料去除机理。该研究为陶瓷基复合材料磨削机理及复合材料细观力学研究提供了理论基础。
　　在陶瓷基复合材料磨削机理方面，利用金刚石砂轮，对模型复合材料进行磨削试验。试验揭示了纤维方向、磨削参数（磨削深度、进给速度、砂轮转速）对磨削过程中磨削力、表面粗糙度、表面微观特征的影响规律，探明了C/SiC的磨削加工材料去除机理。该机理的探明对陶瓷基复合材料优化磨削工艺与工艺参数，提高磨削效率、降低加工损伤具有重要意义。
　　本文的研究成果不仅对完善磨削加工理论具有重要的科学价值，更对提升陶瓷基复合材料的加工性能，扩大陶瓷基复合材料的应用范围，增强国防装备能力具有重要的社会意义和经济价值。

目录

声明

摘要

图清单

表清单

字母注释表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 陶瓷基复合材料的本征结构及性能特点

1．2．1 陶瓷基复合材料的本征结构

1．2．2 陶瓷基复合材料的性能特点

1．3 陶瓷基复合材料界面细观力学研究概况

1．3．1 复合材料界面细观力学模型研究现状

1．3．2 复合材料界面力学性能测试与表征研究现状

1．4 陶瓷基复合材料磨削机理研究概况

1．4．1 陶瓷材料磨削机理研究现状

1．4．2 复合材料加工方法研究现状

1．4．3 陶瓷基复合材料磨削机理研究现状

1．5 问题的提出及本文研究的主要内容

1．5．1 问题的提出

1．5．2 本文研究的主要内容

第二章 陶瓷基复合材料单胞模型与单向模型材料制各

2．1 陶瓷基复合材料界面形成机理及增韧机制

2．1．1 陶瓷基复合材料界面结合机制

2．1．2 纤维复合材料的断裂模式及增韧机制

2．2 陶瓷基复合材料单胞物理模型

2．2．1 陶瓷基复合材料RVE模型

2．2．2 “纤维—界面—基体”的单胞物理分析模型

2．3 陶瓷基复合材料界面本构模型

2．3．1 界面失效机制与细观力学分析

2．3．2 陶瓷基复合材料界面本构模型

2．4 基于单胞分析模型的单向C／SiC复合材料制备

2．4．1 纤维预制体编织方案

2．4．2 纤维涂层及工艺选择

2．5 小结

第三章 陶瓷基复合材料界面强度研究

3．1 陶瓷基复合材料界面力学性能的测试与表征

3．2 C／SiC复合材料单纤维压出试验设计

3．2．1 单纤维压出实验原理

3．2．2 实验平台及试件制备

3．2．3 实验方案

3．3 试验结果及分析

3．3．1 界面剪切失效微观形貌

3．3．2 压出实验位移-载荷曲线分析

3．4 纤维压出过程界面失效机理分析

3．4．1 纤维压出过程界面裂纹传播及扩展规律

3．4．2 C／SiC复合材料的界面剪切强度

3．4．3 纤维位置对测试结果的影响分析

3．5 本章小结

第四章 陶瓷基复合材料单颗磨粒磨削材料去除机理

4．1 陶瓷基复合材料磨削过程力学分析

4．1．1 磨粒的切削刃形状

4．1．2 磨削区磨粒与工件的相互作用

4．1．3 磨削过程中的磨粒平均承受载荷

4．1．4 磨粒磨削过程的未变形切屑厚度

4．2 复合材料单颗磨粒刻划实验设计

4．2．1 刻划实验原理

4．2．2 实验平台及试件制备

4．2．3 实验方案及检测仪器

4．3 实验结果及分析

4．3．1 划痕深度曲线分析

4．3．2 划痕表面的微观形貌

4．4 陶瓷基复合材料单颗磨粒磨削材料去除机理

4．4．1 磨粒载荷作用下界面失效机制

4．4．2 单颗磨粒作用下的微观多向材料去除机理

4．5 本章小结

第五章 陶瓷基复合材料磨削机理实验研究

5．1 陶瓷基复合材料的平面磨削试验设计

5．1．1 复合材料平面磨削试验原理

5．1．2 试验平台及测试仪器

5．1．3 试验方案

5．2 磨削力的实验结果与分析

5．2．1 磨削力的实验结果

5．2．2 磨削力的影响因素分析

5．2．3 减少磨削力的措施

5．3 表面粗糙度的实验结果与分析

5．3．1 复合材料加工表面粗糙度的测量与评定方法

5．3．2 表面粗糙度的测试结果

5．3．3 影响磨削表面粗糙度的影响因素

5．3．4 改善加工表面粗糙度的措施

5．4 陶瓷基复合材料磨削加工微观多向材料去除机理

5．4．1 刻划实验与磨削实验的对比分析

5．4．2 磨削过程中材料的破碎去除

5．4．3 陶瓷基复合材料微观多向材料去除机理

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文主要结论

6．2 创新点

6．3 研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢