航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件模擬環(huán)境下3D C-SiC的微結(jié)構(gòu)演變與失效機(jī)制.pdf

1、連續(xù)碳纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料(C/SiC)足一種在航空航天與能源領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的戰(zhàn)略性輕質(zhì)熱結(jié)構(gòu)材料，具有高比強(qiáng)與不發(fā)生災(zāi)難性斷裂等優(yōu)異特性，成為高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料的重要候選，有望滿足耐高溫抗氧化長壽命的目標(biāo)需求。 本文針對高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件多因素復(fù)雜環(huán)境，采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SFM)、透射電子顯微鏡(TEM)與高分辨電子顯微鏡(HRTEM)等多種分析手段，跨尺度表征了三維編織連續(xù)

2、碳纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料(3D C/SiC)在熱物理化學(xué)模擬條件和應(yīng)力模擬條件下的微結(jié)構(gòu)演變，圍繞微結(jié)構(gòu)演變-性能演變之間的關(guān)系，系統(tǒng)研究了3D C/SiC的環(huán)境行為演變規(guī)律，獲得了3D C/SiC的失效機(jī)制和微結(jié)構(gòu)控制單元與要索。在此基礎(chǔ)上，綜合歸納出材料的失效本質(zhì)，成功地分析了3D C/SiC在各種模擬環(huán)境中的失效模式與機(jī)理。主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下： 1．發(fā)現(xiàn)“簇”是連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 (CFCC)中普遍存在的結(jié)構(gòu)

3、特征，提出“纖維簇”是控制CFCC強(qiáng)韌化的主要結(jié)構(gòu)單元之一。纖維簇與單根纖維、纖維束三者之間的競爭與協(xié)同，形成了CFCC的跨尺度微結(jié)構(gòu)控制準(zhǔn)則框架，可實(shí)現(xiàn)CFCC的最佳強(qiáng)韌化，并成功應(yīng)用于 3D C/SiC的制備、性能控制、力學(xué)分析和失效機(jī)制中，有效地提高了材料的綜合效能。 2．首次提出CFCC的“仿生基本結(jié)構(gòu)模型”和“功能失效機(jī)制”，詳細(xì)闡述了其內(nèi)涵與主要內(nèi)容，統(tǒng)一了3D C/SiC在各種復(fù)雜環(huán)境中的失效機(jī)制和失效模型，成功應(yīng)

4、用于3D C/SiC的失效分析和材料優(yōu)化設(shè)計(jì)中。其與跨尺度微結(jié)構(gòu)控制準(zhǔn)則一起，成為陶瓷基復(fù)合材料新型強(qiáng)韌化理論的主要部分。 3．通過對3D C/SiC在不同模擬壞境的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)觀察，特別是從TEM和HRTEM角度深入對大量樣品分析，觀察到諸多具有普遍性的微觀機(jī)制和新現(xiàn)象，從而為分析3D C/SiC 的環(huán)境行為演變與獲得失效機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 (1)首次得到C/SiC所特有的典型微觀機(jī)制—缺口狀氧化—的TEM直觀證據(jù)

5、，完善了國際上有關(guān)缺口狀反應(yīng)的模型和認(rèn)識，分析了缺口狀氧化機(jī)制的形成過程。該機(jī)制屬多部位的非均勻氧化，普遍存在于熱物理化學(xué)介質(zhì)的環(huán)境中，是組元本征氧化性質(zhì)差異與應(yīng)力/熱物理化學(xué)介質(zhì)在微觀尺度交互作用的結(jié)果，對3D C/SiC復(fù)雜耦合環(huán)境的行為有重要影響。 (2)TEM觀察到700℃下3D C/SiC 中的基體和純水反應(yīng)生成SiO<,2>非晶膜，形膜溫度低于以往研究中所確定的溫度，從而對含水氣氛下3D C/SiC 環(huán)境行為與溫度變

6、化之間的天系有了新的理解。 (3)提出界面區(qū)的概念，完善了對CFCC界面結(jié)構(gòu)和作用的認(rèn)識，系統(tǒng)研究了C/SiC內(nèi)界面區(qū)與裂紋的相互作用機(jī)理及其影響因素，建立起裂紋偏斜和界面脫粘的物理模型，從而推進(jìn)了對C/SiC增切機(jī)制和力學(xué)行為的理解。 4．從微結(jié)構(gòu)演變-性能演變之間關(guān)系的角度，通過對不同分壓純氧氣氛、純水氣氛和純?nèi)埯}、不同分壓比含氧耦合氣氛下3D C/SiC，環(huán)境行為的比較研究，建立起3D C/SiC 在含氧氣氛中的失

7、效綜合示意圖，同時(shí)確定出： (1)氧化溫度區(qū)間及純氧氣氛下各區(qū)間的動(dòng)力學(xué)挖制要素。 (2)微結(jié)構(gòu)控制性單元和要素—涂層、熱歷史與含碳組元。 (3)熱物理化學(xué)環(huán)境主導(dǎo)因素—氧和鹽(Na<,2>SO<,4>)以及影響 3D C/SiC 最為嚴(yán)重的條件—水氧鹽耦合環(huán)境。 (4)含氧氣氛中的失效本質(zhì)—氧(和SO<,3>)對碳相的損傷破壞。 5．從結(jié)構(gòu)的角度，深入分析了3D C/SiC的兩大結(jié)構(gòu)特征 (即纖

8、維束交叉處(交界孔處)的SiC基體弱約束和應(yīng)力集中，以及強(qiáng)的弱界面結(jié)合)對力學(xué)行為的影響。在此叢礎(chǔ)上，從宏觀斷口形貌，纖維束、簇和單絲的拔出與斷裂特征、裂紋特征、界面區(qū)的脫粘和滑移、界面區(qū)與各組元結(jié)構(gòu)/織構(gòu)的變化等多個(gè)方面，對不同溫度不同應(yīng)力參數(shù)下3D C/SiC 單調(diào)拉伸、疲勞和蠕變的微結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了系統(tǒng)觀察與比較，確定出微結(jié)構(gòu)控制單元與要素，得出具體的失效機(jī)制。討論了3D C/SiC疲勞與蠕變失效機(jī)制的多尺度特性與棚互差異，表明兩者