主講大綱1.復合材料及SiC纖維的介紹2.SiC纖維增強鈦基復合材料的簡介3.纖維涂層法的研究4.結束語5.參考文獻9/25/202512:51:30PM1.1復合材料的簡介復合材料既然屬于材料族譜，它的定義也應與材料定義的內涵相符，同時還必需反映出復合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的獨特性質。國際標準化組織(ISO)將復合材料定義為：兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料。復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料。它既能保留原組成材料的重要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設計使各組分的性能相互補充并彼此關聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡單混合有本質區(qū)別。9/25/202512:51:30PM1.1.1復合材料的特點1.由兩種或多種不同性能的組分通過宏觀或微觀復合在一起的新材料，組分之間存在明顯的界面。2.各組分保持各自固有特性的同時，可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。3.復合材料具有可設計性9/25/202512:51:30PM1.1.2復合材料的結構模式復合材料由基體和增強相兩個組分組成。復合材料結構通常一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另外一個相是以獨立的形態(tài)分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和增強，稱為增強相（增強劑、增強體）。增強劑（相）一般比基體硬，強度、模量較基體大、可以是纖維狀、顆粒狀或層片狀Al2O3纖維Al2O3片9/25/202512:51:30PM1.2復合材料的應用9/25/202512:51:30PM1.3SiC纖維的簡介性能特點1、高強4.5GPa

高模量

200~400GPa2、化學穩(wěn)定性好，耐酸堿3、耐高溫1300℃，強度不變；1000℃/氧化氣氛，強度不變4、與各種基體相容性好金屬基、陶瓷基、樹脂基復合材料制造方法1、先驅體法烷基硅烷→聚合紡絲→有機纖維→高溫處理→SiCF2、CVD法鎢絲／碳絲→沉積室→

SiCFSiC顆粒9/25/202512:51:30PM2.SiC纖維TMMSc的簡介1.SiC纖維增強Ti基復合材料(TMMCs)具有比傳統(tǒng)鈦合金更高的比強度、比剛度,更高的抗蠕變和疲勞性能,被認為是航空壓氣機葉片、葉環(huán)和軸類等零部件的最具潛力的材料,從20世紀70年代以來一直受到各航空大國的廣泛關注。2.此外還可用于飛機蒙皮、支撐桁梁、加強筋等構件,可大幅度提高這些零部件的性能,減輕質量9/25/202512:51:30PM2.1TMMCs的界面問題1.由于Ti的活性很高,TMMCs在制備和高溫服役過程中,SiC纖維和Ti合金之間會發(fā)生嚴重的界面化學反應,不但使纖維強度劇烈下降,而且所形成的脆性反應產(chǎn)物將會在承載過程中首先產(chǎn)生裂紋,對復合材料的力學性能產(chǎn)生不可接受的負面影響2.此外,纖維與基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配也會使復合材料界面附近產(chǎn)生較大的熱殘余應力,在界面反應區(qū)和基體中形成早期裂紋。因此,TM-MCs的界面問題已成為制約其發(fā)展和應用的突出問題,并一直成為該領域研究的熱點9/25/202512:51:30PM3.TMMCs的界面改性改善TMMCs界面兼容性的方法包括纖維涂層法和基體合金化等,其中纖維涂層法被證明是控制界面反應和改善殘余應力的最有效方法。纖維涂層法發(fā)展至今,已從C涂層等單一的涂層發(fā)展到功能更強的復合涂層或功能梯度涂層。1.單涂層涂層的分類2.雙涂層3.復合涂層／功能梯度涂層9/25/202512:51:30PM

3.1復合材料涂層設計的原則

(1)涂層必須保護纖維強度不受損傷,即涂層不與纖維發(fā)生反應(2)涂層必須提供足夠的橫向強度,從而使復合材料有較高橫向抗拉強度;(3)涂層應該擁有一定的延展性,以提供更高的界面韌性;(4)涂層應當能發(fā)生一定的脫粘,從而使基體和涂層中的裂紋能沿纖維/涂層界面發(fā)生一定距離的偏轉;(5)最好能使涂層處于軸向殘余壓應力狀態(tài),避免裂紋或缺陷滲入涂層;9/25/202512:51:30PM3.2.1單-碳涂層的研究C涂層是發(fā)展較早、應用也最為廣泛的涂層如美國Textron公司生產(chǎn)的SCS-6SiC纖維(C芯),帶有石墨C涂層,且其最外層富Si,涂層的內側富C部分可調節(jié)熱膨脹系數(shù)的不匹配,外側富Si部分是為了與基體中的Ti反應形成原位反應阻擋層。但是,已有研究表明,涂層中的Si原子參與界面反應后生成的硅化物并不能有效阻止界面反應。隨著高溫熱處理時間的延長,涂層逐漸被消耗殆盡,最后內部SiC也參與界面反應，即C涂層并不能有效減緩纖維與基體的界面反應。9/25/202512:51:30PM3.2.2單-陶瓷涂層的研究在已有C涂層的基礎上,具有耐高溫、化學穩(wěn)定性較好的一些陶瓷材料通常也被考慮用作SiC纖維的保護涂層。如Al2O3、TiBx、VBx、TaBx、TiSi2、Y2O3、ZrO2、TiB2、HfO2、TiC、TiN等曾被用作TMMCs的界面反應阻擋層,并希望成為β相穩(wěn)定劑,可使界面附近的基體不易開裂,因為β相鈦合金的塑性比α相鈦合金更好。在這些涂層中,只有TiB2和TiC涂層能成功阻止SiC/Ti界面反應。盡管如此,TiB2和TiC涂層纖維的強度也會分別降低15%和52%。此外,由于這些涂層為脆性材料,在機械載荷和熱殘余應力作用下易于首先開裂失效。9/25/202512:51:30PM3.3.1Ag/Ta雙金屬涂層的研究從該設計原則考慮,選用金屬材料作為涂層似乎比較理想,但是絕大多數(shù)金屬都會與SiC纖維發(fā)生反應,不發(fā)生反應的又很難提供較強的結合強度?？梢妴我煌繉雍茈y同時滿足所有設計的要求,只有采用雙涂層或復合涂層才能進一步優(yōu)化界面性能Jeng等研究了Ag/Ta雙金屬涂層對SCS-6/Ti-25-10復合材料力學行為的影響。結果表明,Ag/Ta涂層能作為擴散阻礙層有效地控制界面反應,并能作為過渡層有效地調節(jié)熱殘余應力,因為Ag能阻礙SCS-6與Ta之間的反應,而Ta是一種β相穩(wěn)定元素。但是,過強的界面剪切強度降低了復合材料的韌性而且Ag和Ta的價格比較昂貴9/25/202512:51:30PM3.3.2稀土元素及其硼化物涂層DeepakUpadhyaya研究了稀土元素及其硼化物涂層Gd/GdBx對SCS-6/Ti-6Al-4V和SCS-6/TiAl兩種復合材料界面及性能的影響。結果表明,Gd/GdBx在1000℃以上作為反應阻礙層能有效地保護纖維,同時該涂層能很好地調節(jié)熱殘余應力,使兩種復合材料的基體中均無熱殘余應力誘導的裂紋存在,但是GdBx涂層中仍有生長裂紋,對此DeepakUpadhyaya建議在GdBx涂層表面沉積一薄層的Gd來填充那些生長裂紋。但是Gd/GdBx極易被氧化,因此給制備帶來了困難。9/25/202512:51:30PM3.3.3C/TiC/Ti功能梯度涂層Choy提出了C/TiC/Ti功能梯度涂層的方案,C涂層既可以防止Si的擴散,又可以作為熱殘余應力的緩解層;TiC層實際上為Ti含量和C含量梯度變化的涂層,能進一步阻止界面反應;Ti涂層的作用是提高纖維/基體結合強度,從而有效發(fā)揮纖維的承載功效。該方法只用到C和Ti兩種元素,比較經(jīng)濟,也解決了SiC/Ti界面問題,但作者沒有進行進一步實驗研究。9/25/202512:51:30PM3.3.4Ti/Y/Ti和C/SiC兩種涂層Majumdar提出了Ti/Y/Ti和C/SiC兩種涂層系統(tǒng)。Ti/Y/Ti系統(tǒng)的設計理由是:靠近纖維表面的薄的Ti涂層與纖維反應形成合適的界面結合強度;Y涂層因與纖維之間不發(fā)生界面反應,形成物理結合,所以既可作為擴散阻擋層,又能使擴展到纖維附近的裂紋發(fā)生偏轉;最外層的Ti涂層是為了防止內層涂層被氧化或污染。結果表明,纖維的原位強度急劇下降,復合材料橫向強度也較低,可能是由于Y層吸氧及其濺射態(tài)的柱狀晶結構所致。C/SiC涂層(C涂層靠近纖維一側,SiC靠近基體一側)則使纖維的原位強度得到了保護,復合材料也同時具有較好的橫向和縱向力學性能。該涂層體系雖然制備方便,但一方面由于SiC層作為反應犧牲層,在700℃以上時反應消耗速度較快,因此該涂層在該溫度下使用是不可取的;另一方面,增加的SiC層將增大纖維的直徑,因而需要考慮所用纖維在復合材料中的有效體積分數(shù)。9/25/202512:51:30PM3.3.5

Cu/Mo和Cu/W雙金屬涂層Guo等研究了Cu/Mo和Cu/W雙金屬涂層對SCS-6/Ti-15-3復合材料界面和力學性能的影響,發(fā)現(xiàn)兩種雙金屬涂層都能減緩界面反應速度,但Cu/Mo涂層更有利于提高復合材料的軸向拉伸性能和抗疲勞性能,如表1所示。熱暴露條件對復合材料界面和力學性能(如軸向和橫向拉伸強度、斷裂韌性、蠕變和疲勞性能等)的影響規(guī)律,還有待于深入細致的研究9/25/202512:51:30PM3.3.6TMMCs中各涂層的作用9/25/202512:51:30PM3.3.7我國對纖維涂層的研究目前我國對SiC/Ti界面改性的研究還主要停留在C涂層的使用,研究單位主要有西北工業(yè)大學和中國科學院等，而國外則大多是在已有富C涂層基礎上展開的研究(如前文所述),可見我國與國外還存在較大差距。蔡杉等研究了富碳B4C涂層對復合材料界面及力學性能的影響,結果表明,該涂層能有效阻隔纖維與基體的不良反應，但是B4C作為反應犧牲層,所起的作用與C涂層相當。王玉敏等近來報道了采用C/AlN和C/Al2O3梯度涂層進行界面改性,其調控能力和機理正在進一步研究中。9/25/202512:51:30PM4.結束語綜上所述,選擇SiC纖維表面涂層要從保護纖維、阻擋界面反應、改善界面結合、調和熱殘余應力等方面進行綜合考慮。單一的涂層通常難以實現(xiàn)以上所有功能,而雙涂層或復合涂層、功能梯度涂層則可同時滿足較多的功能需求,是更有發(fā)展前景的涂層。除了涂層的有效性之外,還要考慮到涂層