3D SiC/SiC复合材料热化学环境行为

论文摘要

以C／SiC和SiC／SiC为代表的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（CMC-SiC）具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，并且具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感和不发生灾难性损毁等特点，是目前作为航空发动机热端部件最具潜力的新型高温结构材料。航空发动机热端部件复杂苛刻的多因素耦合服役环境可分为高温热化学环境和复杂应力环境。其中，高温氧化腐蚀热化学环境直接导致材料环境性能的演变，而复杂应力加速环境性能演变。因此，材料的高温热化学环境行为是认识其在复杂应力和热化学耦合环境行为的基础。对于C／SiC的热化学环境行为已经丌展了广泛研究，但是对于SiC／SiC，特别是对采用近似化学计量比的高性能Hi-Nicalon纤维增韧的碳化硅陶瓷基复合材料（SiC／SiC）的热化学环境行为缺少系统研究。因此，SiC／SiC材料热化学环境行为的研究对该材料在航空发动机热端部件的应用具有十分重要的意义。本文采用化学气相渗透工艺制备了以热解碳为界面相的3D SiC／SiC复合材料，系统地测试、分析了该SiC／SiC的热物理性能和力学性能，研究了该SiC／SiC的典型热化学环境行为及其性能演变规律，并与C／SiC的相关性能进行了比较。主要研究内容和结果如下：1．在25-1400℃范围内，SiC／SiC的热膨胀系数比CVD SiC的略低，而比C／SiC的高，但三者的变化趋势一致。SiC／SiC的热扩散系数比C／SiC的低，两者随温度升高而降低。SiC／SiC具有比C／SiC更好的力学性能。不同于C／SiC室温弯曲强度的正态分布，SiC／SiC的室温弯曲强度分布既可用两参数的Weibull分布，也可用正态分布描述。2．在干燥空气环境下，SiC／SiC与C／SiC表现出不同的氧化机理和强度保持率。在1100℃以下，SiC／SiC的氧化过程是氧通过微裂纹经“涂层→基体→界面相→界面相消耗后在纤维与基体间形成的环形通道”扩散控制的非均匀氧化过程。在1100℃以上，SiC／SiC氧化过程与C／SiC的一致，受氧通过表面氧化膜的扩散控制，为表面氧化。低于1200℃，SiC／SiC氧化后的强度保持率均高于80％，而C／SiC氧化后的强度保持率低于60％。高于1300℃，SiC／SiC强度保持率快速降低，在1300℃和1400℃氧化后的强度保持率分别为65％和48％，而C／SiC的保持率在80％左右小幅波动，并有上升趋势。发现了在1100℃以下空气环境中，适度的界面层氧化可以使SiC／SiC具有更合适的界面结合强度，使材料的韧性得到改善而强度基本不降低，即强韧性得到改善的自适应现象。3．1000℃以上，氧水耦合湿氧环境加快了SiC／SiC的氧化，并且氧化速度随着H2O／O2分压比的增加或温度的升高而加快，但是氧化主要发生在试样表面。1000～1200℃氧化10h后，SiC／SiC的强度无明显下降，而C／SiC的强度保持率低于70％。在1300℃以上氧化10h后，SiC／SiC强度保持率线性下降，1300℃和1500℃氧化后的强度保持率分别为82％和35％，而C／SiC的强度保持率基本恒定在75％。4．在模拟航空发动机的水／氧／硫酸钠腐蚀环境中，低于1200℃，氧化主要发生在SiC涂层表面，其产物为以方石英形式存在的SiO2。1200℃以上，SiC／SiC与Na2SO4熔盐发生作用，试样表面被玻璃态Na2O·xSiO2良好覆盖。1300℃以上，腐蚀作用深入涂层内部，开始出现SiC的主动氧化，涂层氧化是主要腐蚀机理。低于1200℃腐蚀10h后，SiC／SiC的强度基本无损失。在1200℃以上，SiC／SiC强度保持率线性下降，1300℃和1500℃腐蚀后的强度保持率分别为67％和32％。在1300℃以下腐蚀10h后，C／SiC的强度保持率低于70％，在1400-1500℃，C／SiC强度保持率基本维持在50％。两种复合材料腐蚀后的强度保持率均比相应湿氧环境氧化后的强度保持率略低。5．在由1200℃高温快速淬入25℃冷水的热震过程中，SiC／SiC的热震损伤表现出明显的方向性：在沿纤维编织方向表现出良好的抗热震性能，经过100次热震循环后，强度保持率高达80％，而在垂直于纤维编织方向整体开裂损坏。相同条件下，C／SiC抗热震能力比SiC／SiC的好，经过100次热震循环后观察不到热震破坏，其强度保持率高达83％。编织结构、碳纤维和Hi-Nicalon碳化硅纤维导热性能的不同以及它们在垂直于纤维方向热膨胀系数的差异是两种复合材料热震破坏行为不同的主要原因。6．提出了采用断裂功与基体开裂功的差值(Wf,c-Wm)和基体开裂功（Wm）之间的比值KS,T=(Wf,c-Wm)／Wm作为衡量CMC-SiC强韧性的综合指标。采用该强韧性因子表征了热化学环境对SiC／SiC强韧性的影响。7．引入增量因素分析法，定量的分析了环境因素对SiC／SiC强度演变的效应。结果指出各个环境要素对SiC／SiC强度的单独影响不同，除水蒸汽有益于材料强度保持外，其余环境因素均引起SiC／SiC强度的降低，降低程度按高温＞硫酸钠熔盐＞氧依次减小，即高温是影响SiC／SiC在热化学环境下强度变化的最重要因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纤维增韧碳化硅基复合材料
• 1.2 CMC-SiC的应用
• 1.2.1 C/SiC的应用
• 1.2.2 SiC/SiC的应用
• 1.3 CMC-SiC的制备与性能
• 1.3.1 C纤维与SiC纤维
• 1.3.2 界面相材料
• 1.3.3 CMC-SiC的主要制备方法和材料性能
• 1.4 CMC-SiC的热化学环境行为
• 1.4.1 SiC的热化学环境行为
• 1.4.1.1 SiC的氧化
• 1.4.1.2 SiC的腐蚀
• 1.4.1.3 SiC的热震
• 1.4.2 C/SiC的热化学环境行为
• 1.4.2.1 C/SiC的氧化
• 1.4.2.2 C/SiC的熔盐腐蚀
• 1.4.2.3 C/SiC的热震
• 1.4.3 SiC/SiC的热化学环境行为
• 1.4.3.1 SiC/SiC的氧化
• 1.4.3.2 SiC/SiC的熔盐腐蚀
• 1.4.3.3 SiC/SiC的热震
• 1.4.4 CMC-SiC的热化学环境行为研究存在的问题
• 1.5 本文的选题依据和研究目标
• 1.6 研究内容
• 参考文献
• 第2章 3D SiC/SiC的结构与性能
• 2.1 前言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 试样制备
• 2.2.2 力学性能测试
• 2.2.3 热膨胀系数和热扩散系数测试
• 2.3 实验结果与分析讨论
• 2.3.1 3D SiC/SiC与3D C/SiC的微结构
• 2.3.2 3D SiC/SiC与3D C/SiC的热物理性能
• 2.3.2.1 3D SiC/SiC与3D C/SiC的热膨胀性能
• 2.3.2.2 3D SiC/SiC与3D C/SiC的热扩散性能
• 2.3.3 3D SiC/SiC与3D C/SiC的力学性能
• 2.3.3.1 3D SiC/SiC与3D C/SiC的室温力学性能
• 2.3.3.2 3D SiC/SiC的高温力学性能
• 2.3.3.3 3D SiC/SiC的室温弯曲强度分布
• 本章小结
• 参考文献
• 第3章 3D SiC/SiC在空气中的氧化行为
• 3.1 前言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 氧化实验
• 3.2.2 分析测试
• 3.3 实验结果与分析讨论
• 3.3.1 无涂层3D SiC/SiC与无涂层3D C/SiC在空气中的氧化行为
• 3.3.2 涂层3D SiC/SiC与涂层3D C/SiC在空气中的氧化行为
• 3.3.3 3D SiC/SiC的氧化机制
• 3.3.4 3D SiC/SiC氧化重量变化、剩余强度与氧化温度的关系
• 3.3.5 3D SiC/SiC与3D C/SiC氧化后的强度比较
• 本章小结
• 参考文献
• 第4章 3D SiC/SiC在氧水耦合湿氧环境的氧化行为
• 4.1 前言
• 4.2 实验过程
• 4.3 实验结果及分析讨论
• 4.3.1 Hi-Nicalon纤维在水氧环境的氧化行为
• 4.3.2 3D SiC/SiC在氧水耦合湿氧环境的氧化行为
• 4.3.3 3D SiC/SiC在氧水耦合湿氧环境的氧化机理探讨
• 4.3.4 3D SiC/SiC与3D C/SiC在氧水耦合湿氧环境的重量变化与强度变化
• 本章小结
• 参考文献
• 第5章 3D SiC/SiC在模拟航空发动机环境的腐蚀行为
• 5.1 前言
• 5.2 实验过程
• 5.3 实验结果及分析讨论
• 5.3.1 3D SiC/SiC腐蚀后的显微形貌及腐蚀产物分析
• 5.3.2 3D SiC/SiC的腐蚀重量变化与强度变化
• 5.3.3 3D SiC/SiC的腐蚀机理
• 5.3.4 3D SiC/SiC与3D C/SiC腐蚀后的重量变化与强度变化
• 本章小结
• 参考文献
• 第6章 3D SiC/SiC与3D C/SiC的热震行为
• 6.1 前言
• 6.2 实验过程
• 6.2.1 热震实验
• 6.2.2 试样的表征
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 热震对3D SiC/SiC和3D C/SiC力学性能的影响
• 6.3.2 3D SiC/SiC和3D C/SiC的热震损伤特征
• 6.3.2.1 3D SiC/SiC的热震损伤特征
• 6.3.2.2 3D C/SiC的热震损伤特征
• 6.4 分析讨论
• 6.4.1 热震对3D SiC/SiC力学性能的影响
• 6.4.2 热震对3D C/SiC力学性能的影响
• 6.4.3 3D SiC/SiC和3D C/SiC的热震损伤特征分析
• 本章小结
• 参考文献
• 第7章 3D SiC/SiC热化学环境性能演变表征与控制因素分析
• 7.1 前言
• 7.2 CMC-SiC环境性能表征
• 7.2.1 CMC-SiC的强韧性因子
• 7.2.2 热化学环境对SiC/SiC强韧性的影响
• 7.3 热化学环境因素对SiC/SiC强度影响的分析
• 7.3.1 增量因素分析法
• 7.3.2 热化学环境对Hi-Nicalon纤维束强度影响的分析
• 7.3.3 热化学环境对SiC/SiC强度影响的增量因素分析
• 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 致谢
• 附录:
• 攻读博士学位期间发表的论文及收录情况