界面性能对陶瓷基复合材料拉伸强度的影响.pdf

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第24卷第5期无机材料学报Vo.l24,No.52009年9月JournalofInorganicMaterialsSep.,2009文章编号:1000-324X(2009)05-0919-05DOI:10.3724/SP.J.1077.2009.00919界面性能对陶瓷基复合材料拉伸强度的影响杨成鹏,矫桂琼,王波(西北工业大学工程力学系,西安710129)摘要:基于陶瓷基复合材料拉伸试验现象引入了主裂纹损伤带的概念,并将其宽度定义为界面脱粘长度.由于界面性能对纤维应力集中有较大影响,并且控制着材料的断裂模式,分别给出了脆性断裂和韧性断裂的强度计算公式,并引入了应力集中系数和界面脱粘能量释放率.分析结果表明,拉伸强度随着应力集中系数和界面脱粘能量释放率的增大而减小.文中公式给出的预测值与试验值吻合较好,表明断裂时纤维所承担的应力用脱粘段纤维平均应力来衡量是合适的.关键词:界面性能;陶瓷基复合材料;应力集中;能量释放率;拉伸强度中图分类号:TB332文献标识码:AEffectsofInterfacePropertiesonTensileStrengthofCeramicMatrixCompositesYANGCheng-Peng,JIAOGu-iQiong,WANGBo(DepartmentofEngineeringMechanics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi.an710129,China)Abstract:Adefinitionofcentralcrackdamagedzone(CCDZ)isintroducedbasedontensionexperimentsofCeramicMatrixComposites(CMCs).ThewidthoftheCCDZisdefinedtoequalthedebondlengthandtheeffectofinterfacetoughnessisneglected.WhentheCMCsrupture,thestresscarriedbythefiberscanbees-timatedbythemeanfiberstresswithintheCCDZ.Furthermore,theruleofmixturesismodified.Consider-ingthattheinterfacepropertiescontrolthefracturemode,twokindsofmodelsarepresentedrespectivelyforbrittleandductilefracturestrength.Thestressconcentrationfactorandinterfacedebondenergyreleaserateareintroducedanddiscussed.Itindicatesthatboththeabovefactorsresultindeclineofthetensilestrengthastheyincrease.Thepredictionsofthegivenformulaeareingoodagreementwithexperimentaldata.Keywords:interfaceproperties;ceramicmatrixcomposites;stressconcentration;energyreleaserate;tensilestrength陶瓷基复合材料中,纤维的引入起到增强和增显著影响,是导致纤维增强陶瓷基复合材料性能的韧的作用,这归因于纤维的脱粘、拔出和桥联等增韧关键因素.界面结合过强,复合材料力学性能会急剧[2]机制.然而,纤维引入的增韧效果在很大程度上取决降低.纤维束拔出较长的试件强度较高,平齐断口[3][4]于纤维与基体之间的界面性能,因为界面可以调整意味着低强度.梅辉等也同样发现:具有较高断应力分布状态.界面剪切强度低,不利于载荷从基体裂强度和断裂应变的材料,纤维从大的基体裂纹中到纤维的传递;界面剪切强度高,虽然有利于载荷传拔出很长,纤维拔出较少的材料,断裂强度和断裂应递,但可能导致陶瓷基复合材料发生脆性断裂,起不变也相对较低.[1]到增韧效果.因此,陶瓷基复合材料的界面性能在目前,对于界面强弱与材料强度的定量关系还[5]很大程度上决定其力学行为.很少有文献报道.Kagawa等基于界面应力传递原界面强弱的直观表现是纤维的断裂拔出长度,理,对混合率公式进行变更,得出了单向复合材料纵[6]界面结合弱,纤维拔出长,相反则纤维拔出短.界面向拉伸强度的计算表达式;Curtin等应用统计强度性能对陶瓷基复合材料的强度、模量及断裂韧性都有理论,在载荷均匀分担假设的前提下,推导出了单向收稿日期:2008-12-15,收到修改稿日期:2009-02-23基金项目:国家自然科学基金(90405015)作者简介:杨成鹏(1983-),男,博士研究生.E-mai:l364663469@qq.com通迅联系人:矫桂琼,教授.E-mai:ljiaogq@nwpu.edu.cn 920无机材料学报第24卷复合材料的强度公式.此类公式中,拉伸强度的预测值随着界面结合的增强而增大,这表明界面越强对2纤维脱粘模型载荷传递越有利.然而,当界面结合强度超过一定限度,就会改变材料的断裂模式,对材料性能产生负面纤维增强陶瓷基复合材料制备过程中,由于纤影响.维与基体的热膨胀性能不同,会产生较大的热失配本工作考虑界面强度对材料断裂模式的影响,应力,导致基体开裂.承载时,随着裂纹张开位移的建立细观力学计算模型,基于剪滞理论和统计强度增大,界面会进一步脱粘,同时也会形成新裂纹.裂理论对混合率公式进行改进,给出陶瓷基复合材料纹饱和后,设平均裂纹间距为L,脱粘长度为Ld,定拉伸强度的计算表达式,并进行分析讨论.义其中一条裂纹为主裂纹,在其裂纹面上建立坐标轴原点,建立图2所示的桥联纤维细观力学分析1主裂纹损伤带模型.2.1强度在不考虑界面脱粘能的情况下,纤维应力状态在绝大多数纤维增强陶瓷基复合材料的强度试比较简单,是一种理想化的分析评估方法.设界面滑验中,都可以观察到一个主断裂面,如图1所示的大移应力为S,远场纤维应力为Rf,裂纹处应力集中系的基体裂纹,即主裂纹,它决定着材料的最终失效.数为K,则裂纹面上纤维应力为KRf,脱粘段纤维应主裂纹损伤带可以看作是以主裂纹为中心,界面脱力为Rf(x)=KRf-2Sx/r(x[Ld);当Ld[x[L/2粘长度范围内的全部区域,损伤形式有界面脱粘滑时,纤维应力为远场应力Rf.由Rf(Ld)=Rf,得出脱移、纤维断裂拔出等(图1).通常,主裂纹损伤区域粘长度为越大,意味着断裂过程所吸收的弹性能量越多,材料r的断裂韧性越大,最终的断裂强度越高.文献[7]通Ld=(K-1)Rf(1)2S过有限元计算表明:界面脱粘滑移及裂纹沿着纤维方按照Rosen提出的剪滞理论,基体裂纹间距可以表示向偏折可以大大降低纤维应力集中程度,使得纤维为不至于在较低应力水平就发生断裂,最大可能地发22挥纤维性能,提高材料断裂强度.因此,界面脱粘长(R+r)-4rRmuL=(2)度对材料拉伸性能有着至关重要的影响.4(R+r)S正因为主裂纹损伤带决定了材料的最终失效,其中Rmu是基体强度,R=r/Vf.根据最大应力判所以在很多强度分析中,将研究范围局限在主裂纹据,当KRf=Rfu时,纤维断裂失效,其中Rfu是纤维损伤带范围内,不仅仅使得分析过程变得非常简练,平均强度.而且得出的公式也很简单,便于应用,并且可以取得对于界面较强的材料,主裂纹损伤带比较窄,材比较满意的预测结果.Curtin在推导单向陶瓷基复合料可能发生脆性断裂,纤维拔出比较短,这种失效模材料拉伸强度公式的过程中,就仅仅考虑了脱粘长式往往导致低强度,由于纤维在脱粘长度范围内断度范围内纤维的失效概率,得出了单裂纹失效强度,裂的可能性极大,因此,可以用脱粘段纤维平均应力[6]且预测结果非常准确.水平来衡量断裂时纤维所承担的应力,表达式为基于以上分析,考虑到界面可以调整应力分布-1Rf=(K+1)Rfu(3a)状态,而界面强弱在很大程度上决定了主裂纹损伤2K[6]带的宽度,因此,可以从纤维平均应力出发,对混合若定义主裂纹损伤带宽度Lz=rKRf/(2S),断裂时率公式进行变更,得出拉伸强度的具体表达式.纤维平均应力为图1主裂纹损伤带示意图图2细观力学分析模型Fig.1SchematicdrawingofcentralcrackdamagedzoneFig.2Micromechanicsbasedanalysismodel 第5期杨成鹏,等:界面性能对陶瓷基复合材料拉伸强度的影响921-12表1参数及参数值Rf=2(K+1)Rfu(3b)Table1Parametersandvalues2K而对于弱界面材料,当载荷增大到一定程度,界面将ParameterSymbolValue会全部脱粘,这种情况下,往往会发生韧性断裂,纤Fiberstrength/MPaRfu963.1维拔出比较长,断裂时纤维平均应力为Matrixstrength/MPaRmu310SLFibermodulus/GPaE[10]-f140Rf=Rfu-(4)2rMatrixmodulus/GPaE[10]m195于是根据混合法得出:对于不同的主裂纹损伤带FibervolumefractionVf0.40定义,强界面复合材料的拉伸强度表达式分别为MatrixvolumefractionVm0.45K+1*Coatingthickness/LmD0.15Rcu(Ld)=VfRfu+VmRm(5a)2K2K+1*对于弱界面3D-C/SiC复合材料,有效纤维体积Rcu(Lz)=2VfRfu+VmRm(5b)2K分数为0.4,利用公式(5c)算出最终拉伸强度为*其中:Vf与Vm分别为纤维和基体的体积分数,Rm为419.91MPa,与文献[9]给出的试验值413.76MPa相复合材料断裂时的基体应力.弱界面复合材料的拉差6.15MPa.对于强界面脆性断裂的材料,文献[11]伸强度为给出的试验值为293.52MPa,而公式(5a)和(5b)给RSL*出的拉伸强度值分别为305.63与263.45MPa,可见cu=VfRfu-+VmRm(5c)2r试验值在两个预测值之间,公式(5a)的预测值与试公式(5a)和(5b)中显含应力集中系数K,且随着K验值较为接近,公式(5b)偏于保守.的增大,Rcu逐渐减小,因此,对于强界面材料,应力本文在计算时取K=Ec/(VfEf),Ec=VfEf+集中是导致其强度下降的重要原因.公式(5c)表明:VmEm,Ef、Em分别为纤维与基体的模量,Vm取0.6,对于弱界面材料,影响其强度的并不是应力集中.原因是在计算基体折减模量时已经考虑了空隙的影2.2实例计算响,最后得出K值为3.09;计算2D-C/SiC复合材料对于C/SiC复合材料,各组分材料参数如表1强度时,取有效纤维分数Vf为0.2;断裂时的基体应所示,需要说明的是:纤维模量Ef为就位模量,考虑力都取112.58MPa.了制备时高温环境和纤维弯曲对纤维性能的影响;2.3应力集中系数基体模量Em为折减模量,考虑了空隙的影响;Rfu的[8]在前面计算中,K的取值为常数.实际上,界面计算公式为强弱不同时,裂纹面上纤维所承受的应力集中程度1Rfu=0.373(6)并不相同.当把K看作是变量时,由公式(5a)得出D编织C/SiC复合材料的拉伸强度随着K值的变化规其中,D为纤维涂层厚度,公式考虑了纤维表面缺陷律如图3所示,可见应力集中对强度有很大影响.当对其性能的影响,然而,实例计算表明,这种强度折K无限增大时,2D-C/SiC复合材料强度最终趋于减方法低估了纤维强度,对编织角约为22b的C/SiC146.97MPa,3D-C/SiC的强度趋于243.28MPa,可复合材料而言,如果同时考虑纤维弯曲对其性能的见,界面脱粘情况下,应力集中的影响是有限度的.影响,则比较合适.*2.4界面韧性断裂时基体应力Rm的求法:临界有效承载面积[9]前面的分析并未考虑界面脱粘能,但实际上,界减缩率定义为面脱粘能对陶瓷基复合材料的强度还是有影响的.Rc=A(t)/A0(7)文献[12]根据能量平衡条件得出其中:A(t)为失效面积,A0为原始有效面积,于是断裂时的基体应力为rVmEmLd=(KRf-Rd)(9)*Rm=VmRmu(1-Rc)(8)2SEc当有效承载面积减小19.3%,材料就会最终失效,其中Rd为界面脱粘应力,具体表达式如下*1/2得出Rm的值为112.58MPa.EfEc#iRd=2(10)文献[4]给出2D-C/SiC室温拉伸强度值为rVmEm234.26MPa,且从断口照片看出为韧性断裂,利用公式中#i为界面脱粘能量释放率,对于热解碳界面式(5c)就可以计算出材料的拉伸强度为235.29MPa,2层,#i<1(J/m).显然,考虑界面能时,脱粘长度可见与试验值极为吻合.减小,根据2.1节的计算可知,主裂纹损伤带宽度Lz 922无机材料学报第24卷图3C/SiC复合材料拉伸强度随着应力集中系数的变化规图5强界面2D-C/SiC拉伸应力应变曲线律Fig.5Stress-straincurveforstronginterface2D-C/SiCFig.3VariationoftensilestrengthvsstressconcentrationcompositecoefficientforC/SiCcomposites应该由(1)式评估.公式(5a)修正为2111Rd*Rcu=1+Rfu-1-Vf+VmRm2KKRfu(11)当K取3.09时,Rcu随脱粘能量#i的变化规律如图4所示,#i越大,界面结合越强,最终拉伸强度越低.当界面结合很强,应力集中很高,由公式(11)给出2D-C/SiC强度下限值约为130MPa,与本工作试验值125MPa较为接近,其中拉伸应力-应变曲线与图6样品断口SEM照片断口电镜照片分别如图5和图6所示,可见断口极为Fig.6FracturesectionSEMphotographofthesample平整,纤维断裂拔出数量少、长度短.较弱时,会发生纤维束断裂拔出现象,这种断裂模式3纤维束拔出的韧性显然要差一些.文献[3]给出了2D-C/SiC复合材料的断口显微照片,其拉伸强度约为215MPa,当陶瓷基复合材料的界面结合较强,层间强度试验结果表明,纤维束拔出较长的试件强度较高.本文仍利用混合法来预测这种束拔出断裂的强度.根据混合率给出纤维束的纵向拉伸强度为Rbl=VfRfu+VmRmu(12)纤维束横向拉伸强度采用Kelly给出的经验表达式4Vf4VfRbt=Rmu1-+RI(13)PP其中RI为界面拉伸强度.设纵向纤维束分数为f,对公式(5a)进行变换,得出K+12Rcu=fRbl+(1-f)(1-Rc)Rbt(14)2K由于缺少界面拉伸强度RI的试验数据,这里给图4C/SiC拉伸强度与界面能的关系出2D-C/SiC复合材料拉伸强度随RI的变化范围,如Fig.4Ultimatetensilestrengthvsinterfaceenergyreleaseratefor图7所示,可以看出界面拉伸强度对整体拉伸性能C/SiCcomposites的影响不大. 第5期杨成鹏,等:界面性能对陶瓷基复合材料拉伸强度的影响923界面的强弱决定着复合材料的断裂模式.弱界面材料一般发生韧性断裂,其断裂强度和断裂应变都较大;强界面会导致材料发生脆性断裂,对材料的强度和断裂韧性起负面影响.界面结合较强时,界面能较大,同时裂纹处纤维所承受的应力集中也较大,这两者对拉伸强度都不利.因此,界面结合强度不宜太高.参考文献:[1]尹洪峰,徐永东,张立同.硅酸盐通报,1999(3):23-28.[2]何新波,张新明,张长瑞,等.中南工业大学学报,2000,31图72D-C/SiC拉伸强度随RI的变化范围(4):342-345.Fig.7TensilestrengthvsRIfor2D-C/SiCcomposites[3]管国阳,矫桂琼,张增光.复合材料学报,2005,22(4):81-85.[4]梅辉.2DC/SiC在复杂耦合环境中的损伤演变和失效机制.西安:西北工业大学博士论文,2007.4断裂韧性[5]KagawaY,FujitaT,OkuraA.ActaMetall.Mater.,1994,42(9):3019-3026.从能量的角度来分析:弱界面材料中纤维容易脱[6]CurtinWA,AhnBK,TakedaN.Actamater.,1998,46(10):3409-3420.粘、滑移,裂纹也容易偏折,扩展路径长,所以断裂[7]GonzÀlezC,LlorcaJ.Actamater.,2001,49(17):3505-3519.时吸收的能量较多,断裂韧性较高,发生韧性断裂;[8]ThomasH,HerwigP,KarlK.J.Am.Ceram.Soc.,1995,78而强界面材料界面不容易脱粘,脱粘长度小,裂纹不(1):133-136.易偏转,会横穿过纤维,扩展路径短,因此断面整[9]MeiH,ChengLF,ZhangLT,etal.Carbon,2007,45(11):齐,吸收的能量少,断裂韧性低,发生脆性断裂.2195-2204.[10]张增光.2D-C/SiC复合材料的弹性常数预测及失效模式研究.西安:西北工业大学博士论文,2005.5结论[11]王波,矫桂琼,潘文革,等.复合材料学报,2004,21(3):110-114.纤维增强陶瓷基复合材料断裂时纤维所承担的[12]HsuehCH.Actamater.,1996,44(6):2211-2216.应力,用主裂纹损伤带范围内纤维的平均应力来衡量是合适的,可以得到比较准确的强度预测值.