多元多层基体的C/SiBC的剪切损伤机理及性能退化规律

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51172182
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
张程煜
依托单位：
西北工业大学
学科分类：
E0204.结构陶瓷
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
乔生儒；韩栋；李玫；严科飞；曹华伟；曹晓雨；王宣为；王海玲；折洁；
关键词：
C/SiBC 多元多层基体性能退化自愈合剪切变形

项目摘要

具有优良力学性能和抗氧化性的C/SiBC 材料是制造高推重比航空发动机热结构部件的重要材料。其具有自愈合功能的多元多层基体将明显改变由基体和界面决定的剪切变形行为。掌握该材料的剪切损伤机制和剪应力下的性能退化规律成为其发展和应用的必要前提。为此，本项目将深入研究C/SiBC 的层间和面内剪切变形和损伤机理，建立宏观剪切变形行为与微观损伤的联系。揭示长时间剪应力下C/SiBC的损伤累积行为及机制，获得C/SiBC的剪切性能退化规律。建立C/SiBC在剪应力下的损伤模型，进行损伤演变有限元建模仿真的研究。深入理解C/SiBC材料的剪切变形、损伤机理和性能退化规律。研究结果从宏观和微观角度深入认识和理解具有多元多层基体的陶瓷基复合材料的剪切损伤机理、变形行为和性能退化规律丰富现有的复合材料知识体系，具有重要科学意义。同时为材料和构件设计、制造和使用提供依据和思路。

结项摘要

具有优良力学性能和抗氧化性的C/SiBC 材料是制造高推重比航空发动机热结构部件的重要材料。其具有自愈合功能的多元多层基体将明显改变由基体和界面决定的剪切变形行为。掌握该材料的剪切损伤机制和剪应力下的性能退化规律成为其发展和应用的必要前提。.建立了连续纤维增强陶瓷基复合材料高温层间剪切强度和面内剪切强度测试方法，保障了本项目的顺利进行。编制了5项《中国航空工业集团公司标准》，填补了是国内无连续纤维增强陶瓷基复合材料高温力学性能试验方法的空白。获得了2D-C/SiC和2D-C/SiBC等5类CMC-SiC的高温层间剪切和面内剪切强度，初步掌握了CMC-SiC的层间剪切和面内剪切损伤特征，以及纤维取向、基体孔洞、基体应力和纤维/界面结合等关键影响因素。.系统研究了2D-C/SiC和2D-C/SiBC的剪切变形和损伤机理。层间剪切损伤完全不同于已知的拉伸损伤机制，即基体多裂纹机制。主要体现在有限的横向纤维束内裂纹的不断扩展并与相邻横向纤维束内裂纹合并，并伴随着基体开裂和界面脱粘。剪切裂纹数与剪切强度有很好对应关系。而面内剪切机制在于基体开裂导致的横向纤维束损伤与断裂，增加横向纤维束有效提高面内剪切强度。基于这些剪切损伤机制，使用剪切强度可有效的表征热震损伤，克服了抗拉强度对热震早期损伤敏感性低的弱点。.C/SiC的室温剪切疲劳极限高于室温剪切强度的80%。在高温空气中，热解碳界面和纤维氧化导致剪切疲劳寿命显著降低。因此，只要避免纤维和纤维/基体界面损伤，CMC-SiC具有很好的抵抗层间和面内剪切疲劳的能力。适当的剪切疲劳处理，有效缓解C/SiC内的应力集中，从而提高材料强度。建立了面内剪切蠕变断裂寿命tf与应力的关系。面内剪切蠕变断裂机制包括：基体开裂和横向纤维的氧化与断裂。基于上述剪切损伤机理，发明了多元多层涂层提高耐热钢表面抗蒸汽腐蚀性能的方法。.研究结果从宏观和微观角度深入认识和理解具有多元多层基体的陶瓷基复合材料的剪切损伤机理、变形行为和性能退化规律，丰富了现有的复合材料知识体系，具有重要科学意义。同时为材料和构件设计、制造和使用提供依据和思路。