纤维混编cmc-sic的残余热应力与基体开裂应力研究-study on residual thermal stress and matrix cracking stress of fiber mixed cmc - sic.docx

Classifie index: TB 332 Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy Research of Residual Thermal Stress and Matrix Cracking Stress for CMC-SiC with Hybrid Fibers Ph.D. Candidate: LIU Shanhua Advisor： Professor ZHANG Litong Professor YIN Xiaowei Associate Advisor：  Associate Professor LIU Yongsheng Academic Degree Applied for： Doctor of Philosophy Speciality： Materials Science School of Materials Science School：  and Engineering 西北工业大学博士论文II 西北工业大学博士论文 II Date of Oral Defence： November, 2014 Unit of Degree Conferred： Northwestern Polytechnical University 摘 摘 要 西北工业大学博士论文 西北工业大学博士论文 摘 要 连续碳纤维（Cf）增韧碳化硅基（SiCm）复合材料在航空、航天和能源等领 域具有广阔应用前景。但是，由于 Cf 与 SiCm 的热膨胀系数不匹配，复合材料从 制备温度冷却到室温时会产生残余热应力而导致基体开裂，影响复合材料的性 能，尤其是复合材料的基体开裂应力。目前，国内尚未有人开展该复合材料残余 热应力与基体开裂应力关系的研究工作。 本文为了研究残余热应力与基体开裂应力的关系，将 Cf 和碳化硅纤维（SiCf） 三维混编后制备复合材料，研究混编方式对 SiCm 复合材料残余热应力分布、微 结构特征和强度分布的影响规律。在优选混编方式的基础上，研究了 Cf 与 SiCf 混编比例对复合材料基体开裂应力的影响。从复合材料细观力学角度建立了基体 开裂应力与残余热应力的关系。还研究了混编复合材料的热膨胀、热扩散和氧化 行为。主要研究内容与结果如下： 1）研究了 C/PyC/SiC、Cf 和 SiCf 不同混编方式、不同混编比例复合材料的 残余热应力分布。结果表明： （1）与 C/PyC/SiC 相比，Cf 和 SiCf 混编相间分布[(xC×ySiC)/PyC/SiC]和接 触分布[(xC-ySiC)/PyC/SiC]均可减少 SiCm 的轴向残余拉应力，以 Cf 与 SiCf 体积 分数比等于 1:2 为例，(C×2SiC)/PyC/SiC 和(C-2SiC)/PyC/SiC 中 SiCm 的轴向拉应 力从 726 MPa 分别减小至（349 和 227 MPa，θ=45°；174 和 39 MPa，θ=0°），从 SiCm 轴向应力的变化看，选择纤维混编接触分布为宜；(C×2SiC)/PyC/SiC 和 (C-2SiC)/PyC/SiC 中 SiCm 在θ=45°方向的径向应力从 100 MPa 分别增大至 123 和 145 MPa。在θ=0°方向，SiCm 的径向拉应力从 100 MPa 分别变为-43 和-28 MPa 的压应力，从 SiCm 径向应力的变化看，选择纤维混编相间分布为宜。 （2）以 Cf 和 SiCf 混编接触分布为例，SiCm 的轴向和径向残余热应力随 SiCf 体积分数的增加逐渐减小。当 Cf 和 SiCf 混编比例由 1:2 增至 1:4 时，复合材料结 构单元的轴向和径向残余热应力变化趋势（增加或减小）减缓，尤其是 SiCm 的 轴向拉应力在θ=45°方向从仅从 174 减小至 170 MPa。 2）研究了C/PyC/SiC、(C×2SiC)/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC复合材料的微结 构特征和强度分布。结果表明： （1）与C/PyC/SiC相比，两种混编复合材料中SiCm的裂纹数量和尺度均大幅 减少。在(C×2SiC)/PyC/SiC和(C-2SiC)/PyC/SiC中，发现Cf周围的SiCm仅存在小于 微米级的轴向裂纹，且其扩展方向仅指向Cf聚集区；而(C-2SiC)/PyC/SiC中SiCm 的微裂纹数量和尺度小于(C×2SiC)/PyC/SiC复合材料。统计表明，三种复合材料 I PAGE PAGE IV PAGE PAGE III 的 涂 层 裂 纹 均 服 从 均