平纹叠层SiC/SiC复合材料室温和高温拉伸行为与破坏机理

通过单向拉伸试验,对比研究平纹叠层SiC/SiC复合材料在室温和高温(1 200℃)环境下的宏观力学特性,并采用扫描电镜对试验件断口进行观测,以分析其微观损伤模式和破坏机理.结果表明:平纹叠层SiC/SiC复合材料的室温和高温拉伸应力-应变行为均表现为非线性特征,具有较高的轴向拉伸基体开裂应力;两者拉伸强度相差不大,但高温下的断裂应变比室温下的高.从宏观断口分析可知,两者均呈现韧性断裂,但纤维拔出长度和断口平齐程度有所不同.材料内部产生的基体裂纹大部分与加载方向垂直;断面上经向纤维束发生纵向拉伸断裂破坏,内部存在严重的界面脱粘损伤以及纬向纤维束发生轴向劈裂破坏是材料在室温和高温下的拉伸破坏机理.高温下由于纤维与基体间的界面层在一定程度上被高温氧化而退化失效,使界面结合变弱和界面滑移力降低,从而产生较长的纤维拔出长度,所以高温下材料具有较高的断裂韧性.     

二维编织C/SiC复合材料开孔构件的拉-压力学性能研究

通过大量试验研究了二维编织C/SiC复合材料带孔构件的拉伸和压缩性能,结合断口观察分析了其在拉伸和压缩载荷下的损伤和破坏机理.试验结果表明,二维编织C/SiC复合材料带孔构件的强度主要受孔径w和构件宽度d之比的影响,其拉伸表现出完全的非线性特性,压缩在低应力时表现为线性,应力较高时则表现为非线性响应.断口观察表明,二维编织C/SiC复合材料开孔构件的拉伸和压缩都沿着开孔中线破坏.其拉伸断口较为平齐,基体开裂以及纤维拉伸断裂是主要破坏形式;压缩破坏呈现剪切断面,压缩断面和压缩加载方向形成一个较小夹角,层间分层和纵向纤维剪切断裂是其主要破坏形式.     

纳米SiC对C/C复合材料石墨化与抗氧化性能的影响规律

本文制备纳米SiC基体改性的SiC-C/C复合材料,利用X射线衍射技术、高分辨率透射电镜等研究SiC对碳材料的石墨化度的影响.纳米SiC能够显著促进碳基体材料的石墨化度,同时通过高分辨率透射电镜在纳米SiC颗粒周围观测到明显的石墨化结构,并且距离SiC越近,碳基体的石墨化程度越高.通过静态氧化实验研究SiC-C/C复合材料的抗氧化性能.结果表明,随着SiC加入量的增加复合材料的抗氧化性显著提高,纳米SiC在高温下生成较为均匀的SiO2保护层,覆盖在碳材料的表面,阻碍氧气与碳材料的接触,并且SiC含量越高,形成的保护层越厚,抗氧化能力越强.     

低热膨胀PVDF/PA11/SiC纳米复合材料的结构与性能研究

具有高度尺寸稳定性的聚合物材料在众多领域有着广泛的应用前景.文章以PVDF/PA11共混物为基体、以纳米SiC为填料制备具有低热膨胀性的三元高分子纳米复合材料,系统研究了纳米SiC对PVDF/PA11共混物结构和性能的影响.结果表明:通过熔融共混制备的该三元复合体系具有独特的阶层式构造,在PVDF和PA11这两相结构中,纳米SiC只选择性地分散在PA11相中,而PVDF相中分散有少量PA11的纳米微区;同时,SiC的加入也可引起PVDF/PA11共混物结构的变化.尤为重要的是,纳米SiC能有效的降低共混物的热膨胀性能,提高材料的拉伸强度和拉伸模量.     

纳米SiC颗粒增强铝基复合材料的拉伸性能

用粉末冶金法制备了纳米SiC颗粒增强纯Al基复合材料(AlMMCs),对该材料的微观结构和拉伸性能进行了研究·结果表明,纳米SiC颗粒在含量很少时即对Al有明显的强化作用,此时,纳米颗粒在基体中的分散比较均匀;当含量较高时则纳米颗粒易于团聚,团聚会使SiC颗粒对Al的强化作用降低·纳米SiC颗粒含量发生变化,SiCp/AlMMCs的断裂机制也有所改变·     

SiCf/SiC复合材料的水淬失效行为及模拟分析

采用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了不同尺寸的SiC_f/SiC复合材料，对复合材料的物理性能及水淬性能进行研究，并通过ABAQUS有限元模拟对水淬过程进行分析。结果表明，正交铺层的SiC_f/SiC复合材料的弯曲强度为553 MPa，层间拉伸强度为19.2 MPa。采用该复合材料进行水淬实验时，3次循环后出现明显裂纹，随着水淬次数的增加，裂纹发生扩展。样品尺寸增加时，S8和S12在水淬过程中均出现纵向基体裂纹，其中S12样品一端的5/6层出现沿纤维0°方向开裂的现象，因此S12在水淬过程中表现出更为复杂的开裂模式。通过有限元分析发现，水淬过程中，S4和S8样品6/7层裂纹出现了先开裂后闭合的趋势，这可能是该样品中主裂纹扩展“挤占”次裂纹空间所致。通过对样品在水淬过程中的应力计算，发现样品尺寸增大时，由于温度梯度引起的热应力增加，S8和S12样中的应力接近40 MPa，因此出现了基体开裂现象。     

SiCf／Al模型复合材料界面微区残余应力

实验测定界面附近残余应力的分布有利于深入研究金属基复合材料变形和断裂行为的微观机制,对制备综合性能良好的复合材料具有指导作用。采用束斑直径为30μm的微小X射线束,测定了单根SiC连续纤维及连续SiC纤维束增强纯Al模型复合材料中SiC纤维附近基体中的周向和径向残余应力分布,并将测量结果与有限元模拟结果进行了比较。     

SiC颗粒增强铝基复合材料细观损伤的温度效应

SiC颗粒增强铝基复合材料的宏观力学行为与其微观损伤机理密切相关,随温度的升高,材料力学性能明显下降,SiCp/A356复合材料表现出不同的细观损伤机理.文中对真空双搅拌方法制备的质量分数为20%的SiC颗粒增强铝基复合材料在室温和高温下的细观损伤机制进行了研究,在试样断口上,通过扫描电镜观察到了不同的裂纹萌生和扩展机制,根据不同温度下表现出的不同失效方法,归纳出了复合材料细观损伤的温度效应曲线.研究表明,在室温下复合材料的裂纹萌生以基体撕裂和颗粒断裂为主,高温下其裂纹萌生机制以颗粒脱离和基体撕裂为主.     

3D C/SiC复合材料的力学性能

对三维四向编织结构炭纤维增强碳化硅基复合材料的弯曲、断裂韧性和拉伸性能进行研究,利用扫描电镜(SEM)观察材料的断口形貌,获得该材料主要的力学性能及破坏规律.研究结果表明:三维C/SiC复合材料具有较高的弯曲强度和断裂韧性,最高值分别为465 MPa和15.1 MPa·m1/2;界面结合适中的材料纤维与纤维束被大量拔出,表现出较好的假塑性断裂特征;材料的拉伸强度最高达到168 MPa:材料在拉伸过程中,其纤维束在外力作用下向受力的轴向靠拢,纤维束间的夹角减少,材料总应变增加.     

SiC涂层C/C复合材料应力氧化失效行为

在氧化性气氛(21% O2 79% Ar)、不同拉应力下研究SiC涂层C/C复合材料在1 000 ℃和1 300 ℃的氧化失效行为;采用扫描电镜观察SiC涂层C/C复合材料氧化失效后的断口形貌.试验结果表明:当温度为1 000 ℃,拉应力由C/C复合材料拉伸强度的20%增加至50%时,SiC涂层C/C复合材料的应力氧化明显加剧,寿命由大于5.00 h缩短到2.92 h,应力对SiC涂层C/C复合材料的寿命有显著影响;当拉应力为C/C复合材料拉伸强度的50%,温度为1 000 ℃和1 300 ℃时,材料均在低温区断裂,应力氧化寿命分别为2.92 h和2.62 h,温度对应力氧化寿命的影响不明显;应力氧化失效以纤维的氧化失效为主,外加拉应力起促进作用.     

原位合成MoSi2/SiC复合材料的组织缺陷

TEM和HREM研究表明,原位合成MoSi2基复合材料的组织中,基体MoSi2中存在较多的位错,而且尤以MoSi2与SiC的界面处位错最为集中,SiC颗粒的内部缺陷的主要形式为孪晶和层错,纳米力学探讨分析表明,MoSi/SiC界面附近存在明显的硬度梯度,在材料制备冷却过程中,因MoSi2基体与SiC颗粒之间的热膨胀系数（CTE）的差别而导致的其中的残余热应力是造成上述组织特征的原因。     

聚氮硅烷催化裂解原位合成碳纳米管增强SiC/Si3N4复相陶瓷

以聚氮硅烷为前驱体,通过催化裂解原位生成SiC/Si3N4复相陶瓷,同时原位生成碳纳米管增韧相;研究热解温度、掺杂催化剂种类对SiC/Si3N4复相陶瓷微观结构及形态的影响,运用扫描电镜、高分辨率透射电镜、X射线衍射、综合热分析进行结构分析和表征.结果表明,催化裂解可有效增强陶瓷基体的强度和实现基体与纳米相的复合和分散,并降低SiC/Si3N4复相陶瓷晶化温度 .     

SiC/PTFE纳米复合材料定量分析方法

为对SiC/PTFE纳米复合材料微观结构进行定量分析,运用自主开发的、基于图像处理技术的纳米复合材料微观结构分析系统,用颗粒分散度计算方法,对SiC/PTFE纳米复合材料微观结构进行了计算和分析.结果表明：颗粒分散度能较好地定量表征纳米粒子在PTFE基体中分散的均匀性;随着SiC纳米粒子含量增加,颗粒分散度先增大后减小;SiC纳米粒子含量为7%时,颗粒分散度较高,复合材料中纳米粒子分散较均匀;偶联剂处理可以提高SiC纳米粒子在PTFE基体中颗粒分散度.     

球磨工艺对SiC/Mg非均匀纳米复合材料的影响

研究了一种通过室温球磨和低温球磨相结合制备SiC/Mg非均匀镁基纳米复合材料的方法.采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等手段对非均匀复合材料的微观结构进行分析,通过准静态压缩测试了SiC/Mg非均匀镁基纳米复合材料的性能,并对其强化机制和增韧机制进行了初步分析.研究结果表明,延长低温球磨时间可以减小软...     

纳米SiC颗粒强化AA6061的磨粒磨损行为

实验制备了纳米SiC颗粒强化AA6061基材料,并考察了其微观组织、硬度及磨损性能.结果表明:在20 N载荷下,强化试样的磨损率及摩擦系数均低于AA6061基体,其中0.6%SiC/AA6061复合材料的磨损率较基体降低50%.这主要是由于SiC颗粒自身良好的载荷承载能力,加之增强颗粒/基体间界面良好的结合,使SiC颗粒的添加提高了复合材料的磨损抗力.同时,促进了富铁机械转移层的形成,降低了摩擦系数和磨损率.AA6061基体和强化材料在20 N载荷下的磨损机制均为磨粒磨损.     

原位生长碳纳米管增强SiC_f/SiC复合材料的力学性能

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiCf/SiC)是航空航天和聚变能源等高技术领域理想的高温结构材料,改善纤维与基体的界面结合是提高其力学性能的关键。本文采用化学气相沉积法在纤维表面原位生长碳纳米管,以达到改善纤维与基体的结合同时对复合材料进行二次增强的目的。结果表明,采用碳纳米管增强的SiCf/SiC复合材料的力学性能有不同程度的提高,特别是当碳纳米管的体积分数为5.31%时,复合材料的断裂韧性提高106.3%。纤维表面的碳纳米管层与纤维结合较弱,能够促进纤维的拔出,从而促进复合材料断裂韧性的提高;另外,碳纳米管的拔出对复合断裂韧性的提高也有一定的促进作用。     

硅酸铝短纤维/铝合金复合材料的断口分析

利用SEM观察了硅酸铝短纤维/铝合金复合材料的拉伸断口,发现陶瓷增强相主要有三种破坏形式;当纤维沿拉伸方向的有效长径比超过临界值时纤维以断裂破坏为主;(近似)垂直于拉伸载荷的纤维因承受横向拉伸导致界面或纤维开裂而发生脱附;机械损伤及不均匀热收缩在陶瓷颗粒内产生的应力导致大颗粒发生开裂.纤维断裂能有效提高复合材料的强度;纤维脱附及颗粒开裂对材料的强度没有贡献.     

预疲劳对3D—C／SiC复合材料拉伸性能的影响

采用应力比为0.1,频率为20 Hz的正弦波于1300 ℃条件下对3D-C/SiC复合材料进行200 Mpa和80 Mpa的疲劳实验,在循环106次后在室温对其进行拉伸实验,并通过SEM观察其断口形貌,用光学显微镜观察基体裂纹密度.结果表明,经过200MPa疲劳处理的3D-C/SiC试样的比例极限、抗拉强度和断裂应变值与预疲劳前原始试样相比,分别提高110%,17%和29%,弹性模量比原始试样下降49%,基体裂纹密度和纤维的拔出长度等均明显增加;当最大疲劳应力低于基体开裂应力时,预疲劳处理对3D-C/SiC的拉伸性能几乎没有影响.     

原位观察铜网格增强Al/Cu复合材料的断裂行为

将一种按正交法编织的铜网格作为增强体引入到铝基体中制备了Al/Cu复合材料,再借助原位拉伸扫描电镜(SEM),观察了铝铜复合材料的组织演变,研究了其断裂机理与力学性能之间的关系.结果表明:在相同轧制变形量下,25 ℃冷轧和400 ℃热轧均可破碎增强体铜网格,并使其均匀分布于基体铝板.复合板原位拉伸下的载荷-位移曲线均表现出明显的弹性阶段、塑性阶段和失效阶段,微裂纹在Cu颗粒周围和应力集中处萌生,主裂纹及其扩展主要是Cu颗粒周围界面分层开裂与微裂纹沿滑移线方向的扩展共同作用下形成的,并且最终沿滑移线的断裂路径与单轴拉伸方向呈45°.发生在Al层的塑性断裂和Al/Cu结合界面上的界面分层断裂是Al/Cu复合板两种主要的失效方式.     

聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料的制备与性能

用原位无皂乳液聚合法制备了聚甲基丙烯酸甲酯/钠基蒙脱石(PMMA/MMT)、聚甲基丙烯酸甲酯/硅溶胶(PMMA/SiS)二元纳米复合材料,以及聚甲基丙烯酸甲酯/钠基蒙脱石/硅溶胶(PMMA/MMT/SiS)三元纳米复合材料.用凝胶液相色谱、小角X射线衍射、差热分析、热重分析以及拉伸测试探讨了纳米粒子种类、用量对聚合物组成、热稳定性和拉伸性能的影响.纳米粒子的加入使PMMA的分子量分布变宽.当纳米组分含量适当时,PMMA的热稳定性和拉伸强度得到增强,且三元纳米复合材料具有比二元纳米复合材料更好的热稳定性和更大的拉伸强度.