陶瓷纤维及其增强复合材料的高温强度理论表征方法研究

摘要

陶瓷纤维因其优异的力学、热学等性能而被广泛应用于航空航天、石油化工、核能及汽车工业等领域，是耐高温复合材料重要的增强相。陶瓷纤维增强的陶瓷基复合材料拥有高比强度、高比模量以及热稳定性好等优点，在热防护材料与结构领域显示出巨大的应用潜力，其已成为高温陶瓷材料研究与开发的一个热点，受到世界各军事大国的高度重视。陶瓷短纤维增强镁合金基复合材料具有质量轻、耐磨性能好及耐热性好的特点，可用于汽车内燃机、制动器等的耐高温结构件。针对应用于高温环境的陶瓷纤维增强复合材料，如何表征及提高其高温强度是耐热复合材料研究的重点和难点。研究其在高温环境下的失效机理，并建立相应的具有深刻物理背景的强度理论表征模型，具有十分重要的理论意义及工程应用背景。　　本文针对陶瓷纤维及其增强复合材料主要开展了以下研究工作：　　①基于李卫国教授提出的可定量考虑温度对材料力学性能影响的思想——力热能量密度等效原理：针对多晶陶瓷纤维，构建了不含拟合参数的可计及相成分与氧化影响的高温断裂强度理论表征模型，建立了多晶陶瓷纤维温度相关性断裂强度与热容、相成分、熔点、氧化参数及温度相关性杨氏模量之间的定量关系；针对单晶陶瓷纤维，结合Griffith断裂理论、裂纹缓慢扩展理论及温度相关性断裂表面能模型，建立了可考虑加载速率影响的单晶陶瓷纤维高温断裂强度理论表征模型。以上模型均得到了实验结果很好的验证，进一步利用上述模型对陶瓷纤维的高温断裂强度开展了影响因素分析，明确了其高温断裂强度的关键控制要素并提出了提高陶瓷纤维高温荷载能力的途径。　　②基于所建立的陶瓷纤维高温断裂强度理论表征模型，结合 Cao 和 Thouless的理论方法，建立了单向连续陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料的温度相关性断裂强度理论表征模型。模型预测结果与实验结果取得了很好的一致性。进一步利用该模型对该复合材料的温度相关性断裂强度开展了影响因素分析，进而提出了提高该复合材料高温断裂强度的有效途径。此外，考虑陶瓷基体与晶须的断裂强度的温度相关性以及残余热应力随温度的演化，建立了晶须增强陶瓷基复合材料的高温断裂强度理论表征模型，并得到实验结果很好的验证。进一步利用该模型系统地分析了晶须增强陶瓷基复合材料温度相关性断裂强度的演化规律和关键控制要素，为提高晶须增强陶瓷基复合材料高温断裂强度提供了建议。　　③针对陶瓷短纤维增强镁合金基复合材料，通过定量考虑载荷传递强化、位错密度强化、残余热应力、晶粒细化以及基体压缩屈服强度的温度相关性对该复合材料压缩屈服强度的综合影响，建立了相应的基于物理机理的温度相关性压缩屈服强度理论表征模型，并得到了实验结果很好的验证。此外，利用该模型详细分析了关键因素对陶瓷短纤维增强镁合金基复合材料高温压缩屈服强度的影响，为改善陶瓷短纤维增强镁合金基复合材料的高温压缩力学性能提供了理论指导与建议。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 陶瓷纤维的高温断裂强度

1.2.2 陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料的高温断裂强度

1.2.3 陶瓷短纤维增强镁合金基复合材料的高温压缩屈服强度

1.3 主要研究内容

2 陶瓷纤维高温断裂强度理论表征方法研究

2.1 引言

2.2 陶瓷纤维高温断裂强度理论表征模型

2.2.1 考虑相成分影响的多晶陶瓷纤维高温断裂强度模型

2.2.2 考虑氧化影响的多晶陶瓷纤维高温断裂强度模型

2.2.3 考虑加载速率影响的单晶陶瓷纤维高温断裂强度模型

2.3 陶瓷纤维高温断裂强度模型验证

2.3.1 考虑相成分的多晶陶瓷纤维高温断裂强度模型的验证

2.3.2 考虑氧化影响的多晶陶瓷纤维高温断裂强度模型的验证

2.3.3 考虑加载速率影响的单晶陶瓷纤维高温断裂强度模型的验证

2.4 陶瓷纤维高温断裂强度的影响因素分析

2.4.1 纤维杨氏模量及氧化时间对多晶陶瓷纤维高温断裂强度的影响

2.4.2 断裂表面能及裂纹缓慢扩展参数对单晶陶瓷纤维高温断裂强度的影响

2.5 小结

3 陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料高温断裂强度理论表征方法研究

3.1 引言

3.2 单向连续陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料高温断裂强度理论表征模型

3.2.1 模型的建立

3.2.2 模型的验证

3.2.3 影响因素分析

3.3.1 模型的建立

3.3.2 模型的验证

3.3.3 影响因素分析

3.4 小结

4 陶瓷短纤维增强镁合金基复合材料高温压缩屈服强度理论表征方法研究

4.1 引言

4.2 陶瓷短纤维增强镁合金基复合材料高温压缩屈服强度理论表征模型

4.2.1 模型的建立

4.2.2 模型的验证

4.2.3 影响因素分析

4.3 小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读学位期间取得的其他科研成果目录

C 学位论文数据集

致谢