3D SiC-SiC復(fù)合材料熱化學(xué)環(huán)境行為.pdf

1、以C/SiC 和 SiC/SiC為代表的連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，并且具有類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感和不發(fā)生災(zāi)難性損毀等特點(diǎn)，是目前作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件最具潛力的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件復(fù)雜苛刻的多因素耦合服役環(huán)境可分為高溫?zé)峄瘜W(xué)環(huán)境和復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境。其中，高溫氧化腐蝕熱化學(xué)環(huán)境直接導(dǎo)致材料環(huán)境性能的演變，而復(fù)雜應(yīng)力加速環(huán)境性能演變。

2、因此，材料的高溫?zé)峄瘜W(xué)環(huán)境行為是認(rèn)識其在復(fù)雜應(yīng)力和熱化學(xué)耦合環(huán)境行為的基礎(chǔ)。對于C/SiC的熱化學(xué)環(huán)境行為已經(jīng)開展了廣泛研究，但是對于SiC/SiC，特別是對采用近似化學(xué)計(jì)量比的高性能 Hi-Nicalon纖維增韌的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(SiC/SiC)的熱化學(xué)環(huán)境行為缺少系統(tǒng)研究。因此，SiC/SiC材料熱化學(xué)環(huán)境行為的研究對該材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的應(yīng)用具有十分重要的意義。 本文采用化學(xué)氣相滲透工藝制備了以熱解碳為界面相的

3、3D SiC/SiC 復(fù)合材料，系統(tǒng)地測試、分析了該SiC/SiC 的熱物理性能和力學(xué)性能，研究了該 SiC/SiC的典型熱化學(xué)環(huán)境行為及其性能演變規(guī)律，并與C/SiC的相關(guān)性能進(jìn)行了比較。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 1．在25-1400℃范圍內(nèi)，SiC/SiC的熱膨脹系數(shù)比CVD SiC的略低，而比C/SiC的高，但三者的變化趨勢一致。SiC/SIC的熱擴(kuò)散系數(shù)比 C/SiC 的低，兩者隨溫度升高而降低。SiC/SIC 具有比

4、C/SiC 更好的力學(xué)性能。不同于C/SiC室溫彎曲強(qiáng)度的正態(tài)分布，SiC/SiC的室溫彎曲強(qiáng)度分布既可用兩參數(shù)的 Weibull分布，也可用正態(tài)分布描述。 2．在干燥空氣環(huán)境下，SiC/SiC 與 C/SiC表現(xiàn)出不同的氧化機(jī)理和強(qiáng)度保持率。在1100℃以下，SiC/SiC 的氧化過程是氧通過微裂紋經(jīng)“涂層→基體→界面相→界面相消耗后在纖維與基體間形成的環(huán)形通道”擴(kuò)散控制的非均勻氧化過程。在1100℃以上，SiC/SiC氧化過

5、程與C/SiC的一致，受氧通過表面氧化膜的擴(kuò)散控制，為表面氧化。低于1200℃，SiC/SiC氧化后的強(qiáng)度保持率均高于80％，而C/SiC氧化后的強(qiáng)度保持率低于60％。高于1300℃，SiC/SiC強(qiáng)度保持率快速降低，在1300℃和1400℃氧化后的強(qiáng)度保持率分別為65％和48％，而C/SiC的保持率在80％左右小幅波動(dòng)，并有上升趨勢。發(fā)現(xiàn)了在1100℃以下空氣環(huán)境中，適度的界面層氧化可以使SiC/SIC 具有更合適的界面結(jié)合強(qiáng)度，使材

6、料的韌性得到改善而強(qiáng)度基本不降低，即強(qiáng)韌性得到改善的自適應(yīng)現(xiàn)象。 3．1000℃：以上，氧水耦合濕氧環(huán)境加快了SiC/SiC的氧化，并且氧化速度隨著H<,2>O/O<,2>分壓比的增加或溫度的升高而加快，但是氧化主要發(fā)生在試樣表面。 1000～1200℃氧化10h后，SiC/SiC的強(qiáng)度無明顯下降，而C/SiC的強(qiáng)度保持率低于70％。在1300℃以上氧化10h后，SiC/SiC強(qiáng)度保持率線性下降，1300℃和1500℃氧

7、化后的強(qiáng)度保持率分別為82％和35％，而C/SiC的強(qiáng)度保持率基本恒定在75％。 4．在模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)的水/氧/硫酸鈉腐蝕環(huán)境中，低于1200℃，氧化主要發(fā)生在SiC涂層表面，其產(chǎn)物為以方石英形式存在的SiO<,2>。1200℃以上，SiC/SiC與Na<,2>SO<,4>熔鹽發(fā)生作用，試樣表面被玻璃態(tài)Na<,2>O·xSiO<,2>良好覆蓋。1300℃以上，腐蝕作用深入涂層內(nèi)部，開始出現(xiàn)SiC的主動(dòng)氧化，涂層氧化是主要腐蝕機(jī)理

8、。低于1200℃腐蝕10h后，SiC/SiC的強(qiáng)度基本無損失。在1200℃以上，SiC/SiC強(qiáng)度保持率線性下降，1300℃和1500℃腐蝕后的強(qiáng)度保持率分別為67％和32％。在1300℃以下腐蝕10h后，C/SiC的強(qiáng)度保持率低于70％，在1400-1500℃，C/SiC強(qiáng)度保持率基本維持在50％。兩種復(fù)合材料腐蝕后的強(qiáng)度保持率均比相應(yīng)濕氧環(huán)境氧化后的強(qiáng)度保持率略低。 5．在由1200℃高溫快速淬入25℃冷水的熱震過程中， S

9、iC/SiC的熱震損傷表現(xiàn)出明顯的方向性：在沿纖維編織方向表現(xiàn)出良好的抗熱震性能，經(jīng)過100次熱震循環(huán)后，強(qiáng)度保持率高達(dá)80％，而在垂直于纖維編織方向整體開裂損壞。相同條件下，C/SiC抗熱震能力比SiC/SiC的好，經(jīng)過100次熱震循環(huán)后觀察不到熱震破壞，其強(qiáng)度保持率高達(dá)83％。編織結(jié)構(gòu)、碳纖維和Hi-Nicalon碳化硅纖維導(dǎo)熱性能的不同以及它們在垂直于纖維方向熱膨脹系數(shù)的差異是兩種復(fù)合材料熱震破壞行為不同的主要原因。 6．

10、提出了采用斷裂功與基體開裂功的差值(w<.f,c>-W<,m>)和基體開裂功(W<,m>)之間的比值K<,S,T>=(W<,f,c>-W<,m>)/W<,m>作為衡量CMC-SiC強(qiáng)韌性的綜合指標(biāo)。采用該強(qiáng)韌性因子表征了熱化學(xué)環(huán)境對SiC/SiC強(qiáng)韌性的影響。 7．引入增量因素分析法，定量的分析了環(huán)境因素對SiC/SiC強(qiáng)度演變的效應(yīng)。結(jié)果指出各個(gè)環(huán)境要素對SiC/SiC強(qiáng)度的單獨(dú)影響不同，除水蒸汽有益于材料強(qiáng)度保持外，其余環(huán)境