SiC纤维增强TC17复合材料横向及扩散连接性能研究

摘要

连续SiC纤维增强钛基复合材料(TMCs)在沿纤维轴向方向（纵向）拥有较强的力学性能，而在垂直于纤维方向（横向）的强度较差，这成为复合材料在复杂环境中使用时的安全隐患之一。因此，研究TMCs的横向力学性能，对TMCs部件的工程化应用具有十分重要的意义。本文从单纤维增强复合材料，单层多纤维增强复合材料和多层多纤维增强复合材料三个方面对SiCf/TC17的横向力学性能进行了研究，采用有限元模拟计算对该类复合材料的横向失效模式、裂纹扩展规律以及宏观开裂过程进行了分析。同时，采用均匀设计试验的方法对TC17合金的扩散连接性能进行了研究。
　　对于单纤维增强复合材料，采用十字形结构试样对其横向力学性能进行了测试和分析，并通过SEM对拉伸断口及横切面进行了显微观察，结果表明，在横向载荷的作用下，单纤维试样应力-应变曲线的非线性拐点应力值为271±12MPa，该点是试样中部界面完全失效的起始点。结合有限元数值模拟计算结果，可以得到，复合材料界面失效模式为剪切失效，裂纹萌生于反应层和碳涂层之间的界面，位置在与加载方向成40～50°的圆周之间。裂纹萌生后，在剪切应力作用下沿轴向和周向同时扩展，在沿周向扩展过程中，0°附近界面在径向拉伸应力作用下先于90°附近界面失效，随后90°附近界面在周向剪切应力作用下失效。界面完全失效后，应力重新分配，随载荷增加界面张开程度加大，基体局部出现屈服，直至材料完全断裂。
　　对单层多纤维增强复合材料，使用直边形和狗骨形结构试样对其横向力学性能进行了研究，结果表明，对于直边形试样，应力-应变曲线的非线性拐点应力值为188±11MPa，该点应力值低于单纤维十字形试样，这是由于直边形试样端部纤维自由表面处存在应力集中，断裂试样纤维端部明显有突出现象，试样中心位置也有明显的界面开裂，开裂位置与单纤维试样界面开裂位置一致。对于狗骨形试样，裂纹首先起源于试样某一纤维端部，随后沿纤维轴向向内部扩展，由于应力的重新分配，邻近的纤维端部也会产生裂纹萌生，并向内扩展，随后界面开裂区域端部基体开始向内收缩并影响未开裂区域的基体向内回缩，导致纤维发生断裂，最后主断口区域相邻纤维的裂纹穿过基体，形成交汇，导致材料最终失效。
　　对于多层多纤维增强复合材料，同样使用了十字形结构试样对SiCf/TC17复合材料的室温横向拉伸性能及其损伤失效过程进行了研究。结果表明，SiCf/TC17复合材料室温应力-应变曲线受复合材料芯部的线弹性变形和TC17外包套的塑性变形双重影响，整体基本可以划分成4个阶段，分别为复合材料芯部的初始裂纹形成阶段、裂纹静止阶段、裂纹缓慢扩展阶段和失稳断裂阶段，而第一阶段体现了SiCf/TC17复合材料横向抗拉能力。在横向载荷作用下，SiCf/TC17复合材料的主要断裂机制包括纤维/基体界面开裂、界面微裂纹扩展进入基体、基体脆性断裂、局部纤维剪切断裂、断裂纤维簇形成等。复合材料的损伤由界面脱粘开裂开始，界面微裂纹贯穿基体与邻近的其它微裂纹相连，形成了复合材料初始裂纹面。裂纹面扩展过程中与不同位置的其它裂纹面交汇连接，产生了更大的宏观裂纹面。复合材料芯部完全破坏后TC17包套塑性断裂。
　　采用均匀设计试验的方法对TC17合金的扩散连接抗拉强度与表面粗糙度、加热温度、保温压力和保温时间之间的关系进行了研究。结果表明，当扩散连接表面粗糙度减小时，扩散连接后试样的抗拉强度会随之增大，当粗糙度达到Ra=0.1μm时，扩散连接后试样的抗拉强度与同工艺处理的母材强度基本相当。在扩散连接温度较低时，连接界面处容易出现孔洞，由于钛原子在α相和β相中的扩散速率不同，导致这些孔洞主要出现在α/α界面上，少部分出现在α/β界面上，而在β/β界面上的孔洞则极少。通过对扩散连接抗拉强度的回归分析，得到了相应的回归模型，由模型可知，温度对于扩散连接的抗拉强度影响最为显著，其次为保温时间，保温压力影响最小，考虑到三者之间的交互作用，以及模型的整体趋势，对于TC17扩散连接，甚至复合材料的制备过程，可以根据纤维与基体之间反应的剧烈程度以及加工的难易程度等方面进行综合考虑，最终确定这三个因素的取值，以获得最好的综合性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 SiCf／Ti基复合材料现状

1．2．1 连续单芯SiC纤维

1．2．2 钛合金基体

1．3 SiCf／Ti基复合材料的制备

1．3．1 预制体的制备方法

1．3．2 复合成型

1．4 SiCf／Ti基复合材料的界面

1．4．1 SiCf／Ti基复合材料界面残余应力

1．4．2 SiCf／Ti基复合材料界面剪切强度

1．5 复合材料的横向力学性能

1．5．1 研究复合材料横向性能的方法

1．5．2 复合材料横向性能的影响因素

1．6 Ti合金扩散连接研究现状

1．7 本文的选题意义及研究内容

第二章 单纤维增强复合材料横向性能研究

2．1 研究内容及实验方法

2．2 单纤维复合材料横向拉伸实验

2．2．1 横向载荷下的拉伸行为

2．2．2 单纤维复合材料横切面形貌

2．3 单纤维复合材料有限元模拟

2．3．1 有限元建模

2．3．2 内聚力模型

2．4 单纤维复合材料声发射检测实验

2．5 单纤维复合材料横向拉伸性能分析

2．5．1 横向载荷下界面失效模式

2．5．2 横向载荷下界面裂纹扩展路径

2．6 本章小结

第三章 单层多纤维增强复合材料横向性能研究

3．1 研究内容及实验方法

3．2 单层多纤维直边形复合材料横向拉伸实验

3．2．1 横向载荷下的拉伸行为

3．2．2 单层多纤维直边形试样拉伸失效后形貌

3．3 单层多纤维狗骨形复合材料横向拉伸实验

3．3．1 横向载荷下的拉伸行为

3．3．2 单层多纤维狗骨形试样拉伸失效后形貌

3．4 单层多纤维复合材料有限元模拟

3．5 单层多纤维复合材料横向拉伸断裂机制分析

3．6 本章小结

第四章 多纤维增强复合材料横向性能研究

4．1 研究内容及实验方法

4．2 多纤维复合材料横向拉伸实验

4．2．1 多纤维复合材料横向拉伸宏观断裂位置

4．2．2 多纤维复合材料横向拉伸应力-应变行为

4．2．3 多纤维复合材料断口形貌观察与分析

4．3 多纤维复合材料声发射检测实验

4．4 SiCf／TC17复合材料横向拉伸断裂机制分析

4．5 本章小结

第五章 TC17钛合金的扩散连接

5．1 研究内容及实验方法

5．2 TC17合金扩散连接实验方案

5．3 TC17合金扩散连接界面的组织

5．4 TC17合金扩散连接拉伸性能

5．4．2 TC17合金扩散连接抗拉强度回归分析

5．5 本章小结

第六章 全文结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果