2d-cfsic复合材料蠕变断裂及损伤机理研究

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1、2D-Cf/SiC复合材料蠕变断裂及损伤机理研宄张程煜李丽华张晓董宁李玫韩栋北工业大学超高温结构复合材料国家级重点实验研宄了2D-C,/SiC复合材料在空气中，温度分别为700°C和900°C,蠕变应力分别为50MPa、75MPa和lOOMPa条件下的蠕变断裂及损伤机理。运用拉森-米勒参数法拟合材料的蠕变断裂时间，使用扫描电子显微镜分析艿微观组织和断U形貌以进一步揭示其蠕变断裂机理。结果表明:2D-(；/SiC复合材料的蠕变断裂寿命与温度和应力密切相关，较高温度或应力会降低材料的蠕变断裂寿命;在蠕变过程中，材料除发生应力损伤外，还会发生氧化损伤;2D-C,/SiC复合材料

2、的氧化损伤比应力损伤对蠕变断裂时间有更显著的影响。关键词：2D-Cf/SiC;蠕变断裂时间;蠕变损伤;蠕变损伤和变形将导致该材料在服役过程中失效和断裂£11，因此揭示C/Sic的蠕变断裂和损伤机理成为该材料研究和成用的关键问题0目前，国内外对于C/SiC的蠕变性能己作了一定的研究。Boitier等［5-6］研究丫氩气屮2.5D-C/SiC复合材料在100(Tl40(TC温度范围

3、Aj的蠕变，指出其蠕变损伤机制包括基体开裂、基体裂纹扩展、界面脱粘、界面滑动和纤维断裂等。Lamouroux等XH研宄了硼改性2D-C/SiC复合材料在氧气中的蠕变断裂时间，结果表明硼改性基体能够

4、明显提高基体的抗氧化能力，使蠕变断裂时间大大延长。Verrilli等边1评价了2D-C/SiC复合材料在120CTC富氧(1000X10)条件屮的蠕变断裂时间，蠕变应力从lOOMPa增加到276MPa，其蠕变断裂时间从160h降低至4h。本课题组的前期研宄表明：3D-C/SiC复合材料的蠕变损伤除基体开裂和界面脱粘等机械损伤外，还存在纤维束夹角变化和孔隙变形等，且蠕变损伤在纤维束交叉处更为集中m。已有研宄多数是针对C/SiC复合材料在高于iooo°c的温度范围内开展的，而C/Sic作为航空发动机密封片和调节片等部件的松用，其工作温度一般低于1000°C,II其工作环境中含

5、有明显的氧化成分。因此，本文研究了2D-C/Sic复合材料在空气中700°C和9OO0C的蠕变断裂时间，并探讨了其损伤失效机理。1试验及方法以1K的T300碳纤维平纹编织布为增强体，在碳纤维表面沉积厚度约0.2Pm的热解碳界面，釆用CVI工艺沉积SiC基体，沉积温度为1000°C。将C/SiC复合材料加工成近尺寸试样后，采用CVD工艺在其表面沉积SiC涂层从而获得拉伸蠕变试样(图1)。其纤维体积分数为40%，密度约为2.Og/cm,残余气孔率为15%〜20%。蠕变试验在电子蠕变松弛试验机(RDL50，长春机械科学研宄院)上进行。试验温度为700°C和900°C，为保证材料

6、的温度均匀性，加热试样至温度后保温lh后开始试验。蠕变应力分别为50MPa、75MPa和lOOMPa，记录蠕变断裂吋间。为进一步研宄蠕变断裂机理，对部分蠕变断裂试样靠近断门处截取试样，使用不同粒度的碳化硅水砂纸和金刚石研磨膏对其剖面进行磨制和抛光。在扫描电子显微镜(SEM,HITACHIS-4700,日木)下观察其微观组织特征。2结果与讨论2.1蠕变断裂时间阁2所示为2D-Cr/SiC复合材料的平均蠕变断裂时间。可知在相同温度下，应力越大，蠕变断裂时间越短;应力相同时，温度越高，蠕变断裂时间越短。2D-C,/SiC复合材料在温度700°C、应力50MPa时的蠕变断裂时间最

7、长，平均寿命为113.2h。在该条件下，材料的蠕变断裂寿命的分散性取决于材料的损伤机制。蠕变条件为900°C/100MPa时，蠕变断裂时间最短，为3.Oh。为了进一步说明应力和温度对2D-Cr/SiC复合材料蠕变断裂时间的影响，根据材料的蠕变断裂时间结果，综合考虑温度、应力与蠕变断裂时间之间的关系，将断裂时间t,.和温度T表示为一个时间-温度(TTP)参数f(tr,T)=P(o),并建立o与P(o)的关系曲线，即TTP参数法［10］。拉森-米勒参数法(L-M)是最常用的TTP参数法，其方程为：式中，C为L-M常数，根据蠕变断裂时间确定该常数。即当应力一定时，P(o)为一确

8、定的值，1/T和lgt,.之间呈线性关系，纵轴的截距便是C［ll］。通过计算得到，C=5。图3为用L-M法表示的2D-C/SiC复合材料的o-p(o)曲线。可以发现，L-M法较准确地拟合了SD-CVSiC复合材料应力0与P(o)的关系。通过L-M法能够预测2D-Cr/SiC复合材料在空气中相应温度范围内的蠕变断裂时间。2.2断口形貌分析由于蠕变断裂后，2D-C/SiC试样并未及吋取出，仍处于高温区，因此断口上暴露的碳纤维会发生一定程度的氧化。蠕变温度为70(TC的试样断门上保留大量的拔出纤维，而900°C的蠕变断裂断口上纤维几