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1、SiC纤维增强钛基复合材料界面强度研究进展第36卷2007笠第6期6月稀有金属材料与工程RAREMETALERIAIlsANDENGINEERG,,01.36.NO.6June2007SiC纤维增强钛基复合材料界面强度研究进展原梅妮,杨延清,马志军,吕祥鸿,李健康,陈彦(西北工业大学,陕西西安710072)摘要:综述SiC纤维增强钛基复合材料界面强度的影响因素,微观实验测试技术以及数值模拟技术.在此基础上着重分析了微观实验测试技术与数值模拟技术存在的问题,指出了界面强度定量研究的发展方向.关键词:钛基复合材料;SiC纤维;界面强度中图法分类号:TG146.4文献标识码:A文章编号:1002
2、-185x(2007)06-04-IIl5碳化硅纤维增强钛基复合材料(SiC~Ti)具有使用温度高,比强度高,比刚度高,抗蠕变,抗疲劳性能好等优异特点,在航空,航天领域具有广泛应用前景.要获得良好性能的钛基复合材料,界面问题是关键.界面是基体与增强物之间化学成分有显着变化,构成彼此结合,起载荷传递作用的微小区域.在界面微观机械性能中,界面强度对复合材料宏观性能的好坏起决定性的作用【卜.如界面强度较低,复合材料在受力断裂过程中,纤维容易发生脱粘,拔出,吸收断裂能,从而提高复合材料的断裂韧性c;而界面强度高时,基体中裂纹前端的应力集中不能引起纤维脱粘,裂纹容易贯穿纤维,使纤维断裂.由于纤维断裂
3、吸收的能量远小于纤维脱粘和拔出时吸收的能量,所以材料呈现脆性.另外,较高的界面强度对于复合材料横向强度有利,而在纵向受载情况下,界面层起到阻止裂纹扩展作用,较低的界面强度比较有利.这就存在界面优化问题.'因此,分析钛基复合材料界面强度的影响因素,建立定量表征其界面强度的细观测试技术及数值模拟技术,为建立钛基复合材料界面强度与宏观性能的联系以及优化界面提供参考数据,对进一步促进钛基复合材料的开发和应用具有重要的意义.1影响界面强度的因素界面反应对钛基复合材料界面强度具有非常重要的影响.随着界面反应加剧,纤维与钛合金基体化学结合紧密,相应的界面强度提高.J.Hemptenmacher[】等人测
4、试了SCS.6/IMI834和SCS一6/Super2复合材料在700℃和800℃保温不同时间的界面强度.SCS一6/IMI834和复合材料的界面剪切强度随保温时间延长呈线性增加,且热处理800℃试样界面剪切强度高于700℃.SCS一6/Super6t2复合材料,钛基复合材料的界面反应不能太弱,也不能太强.界面反应太弱,会导致界面强度偏低,严重削弱复合材料的横向力学性能;反之,界面反应太强,界面强度较高,对其断裂韧性和纵向抗拉伸强度不利【5.6】.钛元素化学性质活泼,高温下易与纤维发生较强界面反应,导致界面强度过高.为了获得合适的界面强度,阻止基体与纤维之间发生严重的界面反应,往往采用在S
5、iC纤维表面涂C,Y2O3/Y/Y2O3,TiB2来阻挡界面反应】以及固化压实复合材料应尽量采用低的温度和短的时间【9】.热残余应力是影响界面强度的另一重要因素,纤维和基体热膨胀系数的不匹配导致复合材料产生热残余应力,其中径向热残余应力对复合材料界面剪切强度起决定性作用.基体的热膨胀系数远大于纤维的热膨胀系数,径向残余应力为压应力.随着径向残余应力降低,界面剪切强度降低.A.Hutson【l0】等人研究表明:SCS一6/TIMETAL~21S复合材料界面剪切强度随着径向残余应力减小而变小.而对于轴向残余应变产生的应力,由热力学原理可知:物体的应力状态不会自发地向着应变能方向转变,轴向残余应
6、力只能促进,而不会阻止界面裂纹扩展【ll1.因此,随着轴向残余应力的增加,界面层包含的缺陷越多,相应的界面强度越低.N.Chandra[】指出,随着轴向残余应变产生的应力越大,界面强度越低.,除上述因素外,界面强度还受多个因素影响,如界面反应物,Possion膨胀,纤维排列方式,制备工艺,纤维涂层性质以及基体性能等因素影响.当界面层中存在阻挡界面反应的产物时,界面强度升高程度收稿日期:2006.04-25基金项目:国家自然科学基金(50371069);教育部博士点基金(20030699013);航空基金(04G53044)资助作者简介:原梅妮,女,1974年生,博士,西北工业大学材料学院,
7、陕西西安710072,电话:029,88486091稀有金属材料与工程第36卷减弱;Possion膨胀越大,复合材料受压时,纤维承受的径向压力越大,从而界面强度越高;不同纤维排列方式导致复合材料界面产生不同残余应力,从而影响界面强度;不同制备工艺下,界面反应严重程度不同,从而影响界面强度.2试验测试技术2.1单纤维拔出~(pnl1.out)f13,14】纤维拔出试验是Broutman[在20世纪60年代提出的一种直接测定
