JaciyChen_SiC纤维增强钛基复合材料的界面改性研究.pptVIP

主讲大纲 * 1.1 复合材料的简介 复合材料既然属于材料族谱，它的定义也应与材料定义的内涵相符，同时还必需反映出复合材料区别于传统材料的独特性质。 国际标准化组织(ISO)将复合材料定义为： 两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既能保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。 * 1.1.1 复合材料的特点 * 1.1.2 复合材料的结构模式 复合材料由基体和增强相两个组分组成。 复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体； 而另外一个相是以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强，称为增强相（增强剂、增强体）。 增强剂（相）一般比基体硬，强度、模量较基体大、可以是纤维状、颗粒状或层片状 Al2O3纤维 Al2O3片 * 1.2 复合材料的应用 * 1.3 SiC纤维的简介 性能特点 1、高强 4.5GPa 高模量 200~400GPa 2、化学稳定性好，耐酸碱 3、耐高温1300 ℃，强度不变；1000 ℃/氧化气氛，强度不变 4、与各种基体相容性好 金属基、陶瓷基、树脂基复合材料 制造方法 1、先驱体法 烷基硅烷→聚合纺丝→有机纤维→高温处理→ SiCF 2、CVD法 钨丝／碳丝→沉积室→ SiCF SiC颗粒 * 2.SiC纤维TMMSc的简介 * 2.1 TMMCs的界面问题 * 3. TMMCs的界面改性 改善TMMCs界面兼容性的方法包括纤维涂层法和基体合金化等,其中纤维涂层法被证明是控制界面反应和改善残余应力的最有效方法。纤维涂层法发展至今,已从C涂层等单一的涂层发展到功能更强的复合涂层或功能梯度涂层。 1.单涂层 涂层的分类 2.双涂层 3.复合涂层／功能梯度涂层 * 3.1复合材料涂层设计的原则 * 3.2.1 单-碳涂层的研究 C涂层是发展较早、应用也最为广泛的涂层如美国Textron公司生产的SCS-6 SiC纤维(C芯),带有石墨C涂层,且其最外层富Si,涂层的内侧富C部分可调节热膨胀系数的不匹配,外侧富Si部分是为了与基体中的Ti反应形成原位反应阻挡层。 但是,已有研究表明,涂层中的Si原子参与界面反应后生成的硅化物并不能有效阻止界面反应。随着高温热处理时间的延长,涂层逐渐被消耗殆尽,最后内部SiC也参与界面反应，即C涂层并不能有效减缓纤维与基体的界面反应。 * 3.2.2单-陶瓷涂层的研究 在已有C涂层的基础上,具有耐高温、化学稳定性较好的一些陶瓷材料通常也被考虑用作SiC纤维的保护涂层。如Al2O3、TiBx、VBx、TaBx、TiSi2、Y2O3、ZrO2、TiB2、HfO2、TiC、TiN等曾被用作TMMCs的界面反应阻挡层,并希望成为β相稳定剂,可使界面附近的基体不易开裂,因为β相钛合金的塑性比α相钛合金更好。在这些涂层中,只有TiB2和TiC涂层能成功阻止SiC/Ti界面反应。尽管如此,TiB2和TiC涂层纤维的强度也会分别降低15%和52%。此外,由于这些涂层为脆性材料,在机械载荷和热残余应力作用下易于首先开裂失效。 * 3.3.1 Ag/Ta双金属涂层的研究 从该设计原则考虑,选用金属材料作为涂层似乎比较理想,但是绝大多数金属都会与SiC纤维发生反应,不发生反应的又很难提供较强的结合强度。可见单一涂层很难同时满足所有设计的要求,只有采用双涂层或复合涂层才能进一步优化界面性能 Jeng等研究了Ag/Ta双金属涂层对SCS-6/Ti-25-10复合材料力学行为的影响。结果表明,Ag/Ta涂层能作为扩散阻碍层有效地控制界面反应,并能作为过渡层有效地调节热残余应力,因为Ag能阻碍SCS-6与Ta之间的反应,而Ta是一种β相稳定元素。但是,过强的界面剪切强度降低了复合材料的韧性而且Ag和Ta的价格比较昂贵 * 3.3.2稀土元素及其硼化物涂层 Deepak Upadhyaya研究了稀土元素及其硼化物涂层Gd/GdBx对SCS-6/Ti-6Al-4V和SCS-6/TiAl两种复合材料界面及性能的影响。结果表明,Gd/GdBx在1000℃以上作为反应阻碍层能有效地保护纤维,同时该涂层能很好地调节热残余应力,使两种复合材料的基体中均无热残余应力诱导的裂纹存在,但是GdBx涂层中仍有生长裂纹,对此DeepakUpadhyaya建议在GdBx涂层表面沉积一薄层的Gd来填充那些生长裂纹。