sic纖維增強鈦基復(fù)合材料界面強度研究進展

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1、SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料界面強度研究進展第36卷2007笠第6期6月稀有金屬材料與工程RAREMETALERIAIlsANDENGINEERG,,01.36.NO.6June2007SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料界面強度研究進展原梅妮,楊延清,馬志軍,呂祥鴻,李健康,陳彥(西北工業(yè)大學(xué),陜西西安710072)摘要:綜述SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料界面強度的影響因素,微觀實驗測試技術(shù)以及數(shù)值模擬技術(shù).在此基礎(chǔ)上著重分析了微觀實驗測試技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)存在的問題,指出了界面強度定量研究的發(fā)展方向.關(guān)鍵詞:鈦基復(fù)合材料;SiC纖維;界面強度中圖法分類號:TG146.4文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1002

2、-185x(2007)06-04-IIl5碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料(SiC~Ti)具有使用溫度高,比強度高,比剛度高,抗蠕變,抗疲勞性能好等優(yōu)異特點,在航空,航天領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景.要獲得良好性能的鈦基復(fù)合材料,界面問題是關(guān)鍵.界面是基體與增強物之間化學(xué)成分有顯著變化,構(gòu)成彼此結(jié)合,起載荷傳遞作用的微小區(qū)域.在界面微觀機械性能中,界面強度對復(fù)合材料宏觀性能的好壞起決定性的作用【卜.如界面強度較低,復(fù)合材料在受力斷裂過程中,纖維容易發(fā)生脫粘,拔出,吸收斷裂能,從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性c;而界面強度高時,基體中裂紋前端的應(yīng)力集中不能引起纖維脫粘,裂紋容易貫穿纖維,使纖維斷裂.由于纖維斷裂

3、吸收的能量遠(yuǎn)小于纖維脫粘和拔出時吸收的能量,所以材料呈現(xiàn)脆性.另外,較高的界面強度對于復(fù)合材料橫向強度有利,而在縱向受載情況下,界面層起到阻止裂紋擴展作用,較低的界面強度比較有利.這就存在界面優(yōu)化問題.'因此,分析鈦基復(fù)合材料界面強度的影響因素,建立定量表征其界面強度的細(xì)觀測試技術(shù)及數(shù)值模擬技術(shù),為建立鈦基復(fù)合材料界面強度與宏觀性能的聯(lián)系以及優(yōu)化界面提供參考數(shù)據(jù),對進一步促進鈦基復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的意義.1影響界面強度的因素界面反應(yīng)對鈦基復(fù)合材料界面強度具有非常重要的影響.隨著界面反應(yīng)加劇,纖維與鈦合金基體化學(xué)結(jié)合緊密,相應(yīng)的界面強度提高.J.Hemptenmacher[】等人測

4、試了SCS.6/IMI834和SCS一6/Super2復(fù)合材料在700℃和800℃保溫不同時間的界面強度.SCS一6/IMI834和復(fù)合材料的界面剪切強度隨保溫時間延長呈線性增加,且熱處理800℃試樣界面剪切強度高于700℃.SCS一6/Super6t2復(fù)合材料,鈦基復(fù)合材料的界面反應(yīng)不能太弱,也不能太強.界面反應(yīng)太弱,會導(dǎo)致界面強度偏低,嚴(yán)重削弱復(fù)合材料的橫向力學(xué)性能;反之,界面反應(yīng)太強,界面強度較高,對其斷裂韌性和縱向抗拉伸強度不利【5.6】.鈦元素化學(xué)性質(zhì)活潑,高溫下易與纖維發(fā)生較強界面反應(yīng),導(dǎo)致界面強度過高.為了獲得合適的界面強度,阻止基體與纖維之間發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng),往往采用在S

5、iC纖維表面涂C,Y2O3/Y/Y2O3,TiB2來阻擋界面反應(yīng)】以及固化壓實復(fù)合材料應(yīng)盡量采用低的溫度和短的時間【9】.熱殘余應(yīng)力是影響界面強度的另一重要因素,纖維和基體熱膨脹系數(shù)的不匹配導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力,其中徑向熱殘余應(yīng)力對復(fù)合材料界面剪切強度起決定性作用.基體的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于纖維的熱膨脹系數(shù),徑向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力.隨著徑向殘余應(yīng)力降低,界面剪切強度降低.A.Hutson【l0】等人研究表明:SCS一6/TIMETAL~21S復(fù)合材料界面剪切強度隨著徑向殘余應(yīng)力減小而變小.而對于軸向殘余應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力,由熱力學(xué)原理可知:物體的應(yīng)力狀態(tài)不會自發(fā)地向著應(yīng)變能方向轉(zhuǎn)變,軸向殘余應(yīng)

6、力只能促進,而不會阻止界面裂紋擴展【ll1.因此,隨著軸向殘余應(yīng)力的增加,界面層包含的缺陷越多,相應(yīng)的界面強度越低.N.Chandra[】指出,隨著軸向殘余應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力越大,界面強度越低.,除上述因素外,界面強度還受多個因素影響,如界面反應(yīng)物,Possion膨脹,纖維排列方式,制備工藝,纖維涂層性質(zhì)以及基體性能等因素影響.當(dāng)界面層中存在阻擋界面反應(yīng)的產(chǎn)物時,界面強度升高程度收稿日期:2006.04-25基金項目:國家自然科學(xué)基金(50371069);教育部博士點基金(20030699013);航空基金(04G53044)資助作者簡介:原梅妮,女,1974年生,博士,西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,

7、陜西西安710072,電話:029,88486091稀有金屬材料與工程第36卷減弱;Possion膨脹越大,復(fù)合材料受壓時,纖維承受的徑向壓力越大,從而界面強度越高;不同纖維排列方式導(dǎo)致復(fù)合材料界面產(chǎn)生不同殘余應(yīng)力,從而影響界面強度;不同制備工藝下,界面反應(yīng)嚴(yán)重程度不同,從而影響界面強度.2試驗測試技術(shù)2.1單纖維拔出~(pnl1.out)f13,14】纖維拔出試驗是Broutman[在20世紀(jì)60年代提出的一種直接測定