2d-sic sic陶瓷基复合材料的拉伸本构模型研究

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1、中国陶瓷工业CHINACERAMICINDUSTRY2013年10月第20卷第5期Oct．2013Vo1．20．No．5文章编号：1006—2874(2013)05—0010～052D—SiC／SiC陶瓷基复合材料的拉伸本构模型研究李潘王波甄文强(西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西西安710129)摘要通过单向拉伸试验，研究了2D-SiC／SiC复合材料的应力一应变行为。结果表明，材料单向拉伸应力一应变曲线表现出明显的双线性特征，且线弹性段较长。通过试件断口照片，分析了2D—SiC／SiC复合材料单向拉伸破坏机理和损伤模式。基于对损伤过程的假设，建立了二维连续纤维增强陶瓷基复合材料的双线

2、性本构模型，并将其应用于2D—SiC／SiC复合材料的应力一应变曲线模拟，模拟结果与试验值吻合很好。同时，分析计算表明，2D—SiC／SiC复合材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维柬决定，横向纤维对材料的整体模量和强度贡献很小。关键词SiC／SiC复合材料；拉伸性能；本构模型；损伤中圈分类号：TQ174．75文献标识码：A0引言wA等啷通过试验给出了SiC／SiC复合材料的拉伸、压缩、面内剪切和层间剪切性能承uGGLEs州RENN等I9l研究了CVISiC／SiC在1200℃下加载频率和环境对材料疲劳行为的影由于高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化等优良特性，连响，并给出了试件在1200oC下单

3、向拉伸的应力一应变曲线，续纤维增强陶瓷基复合材料在航空航天领域具有广阔的应用曲线也同样表现出了双线性特征。前景。目前，研究最多的连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFccs)本文将通过单向拉伸试验，得到2D—SiC／SiC复合材料的是碳纤维和碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料。碳纤维的抗氧拉伸强度、模量等基本力学性能及其应力一应变曲线。通过试化性能较差Ill，而碳化硅纤维在高温情况下，其拉伸强度和弹件断E1照片，分析材料在单向拉伸时的破坏机理和失效模式。性模量均无明显下降，因此，它比碳纤维具有更好的稳定性。基于对损伤的假设，建立二维连续纤维增强陶瓷基复合材料所以，SiC／SiC复合材料是在高温环境中最

4、有希望的材料锄。的双线性本构模型，并将其应用于2D—SiC／SiC复合材料的应总体来说，SiC／SiC复合材料还处于应用研究阶段，主要力一应变曲线模拟。用于航空航天发动机结构部件、核能反应堆壁等。可用于编织的SiC纤维制备工艺复杂、价格昂贵，严重限制了其应用领域的扩展嘞。国内已经成功研制SiC纤维，并用于制备SiC纤维1试验方法增强陶瓷基(sic)复合材料。目前，国内对SiC／SiC复合材料的研究还处于初级阶段，因此，基本力学性能研究和本构模型建本文使用的SiC／SiC复合材料为二维编织复合材料。制备立对SiC／SiC复合材料制备工艺的改进和工程应用有重要过程如下：将碳化硅纤维束编织成布，

5、叠层形成预制体；对纤意义。维进行表面处理，再在其表面沉积热解炭界面层；通过CVI目前，国外学者对SiC／SiC复合材料的力学行为做了大量工艺沉积SiC基体，最后制成2D-SiC／SiC复合材料平板，经研究。INGHELS等嘲比较了二维编织SiC／SiC和C／SiC在拉过裁剪得到狗骨形试件，试件形状与尺寸如图1所示，单位为伸载荷下的力学行为，发现了SiC／SiC拉伸应力一应变曲线IIlIn。材料密度为2．38g／cm'~，纤维体积含量约为40％。在试件的双线性和C／SiC拉伸应力一应变曲线的非线性特点。利用弹性应变和残余应变、能量密度将SiC／SiC复合材料的应力一应变行为分为可逆部分和不可

6、逆部分。MORSCHERtsl采用声3发射技术研究了编织SiC／SiC复合材料的损伤累计过程。L—REBILLAT等嘲研究了强界面对SiC／SiC复合材料拉伸力学{I_-I25{性能的影响。CAMUS等171基于对损伤的微观观察进行假设，一’130。一利用连续损伤力学理论，得到了二维编织SiC／SiC的宏观本构模型，能够较好的描述材料在复杂载荷下的力学行为。但模型图1试件形状及尺寸要求材料为损伤弹性，没有考虑材料的非弹性变形。NOZA-Fig．1Tensilespecimen收稿日期：2013-08-06通信联系人：李潘，E—mail：lipan263646@163．com2013年第5期

7、中国陶瓷工业两端粘贴带倒角加强片，防止试件局部压溃。试验在Ⅱ250STRON5567试验机上完成，采用位移控制加载，加载速度为0．3mm／min采用标距为25mm的引伸计以及在试件表面粘贴20o应变片实时测量材料的拉伸应变，本文中应变值取引伸计的数据。1501o02试验结果5O2．1拉伸试验结果通过单向拉伸试验测得2D-SiC／SiC复合材料的基本O力学性能，统计平均后得到：拉伸强度为224．12MPa，模量050010