陶瓷基复合材料强韧化与应用基础

本书是国内外从材料制备工艺的角度系统研究CMC强韧化的专著，对CMC材料及构件的设计、制备与应用具有重要指导意义，具有很高的学术价值，有助于提升我国在这类战略性材料上的应用水平。作者成来飞教授长期以来一直从事高温结构陶瓷、陶瓷基复合材料的理论和应用研究以及超高温复合材料服役环境模拟的研究与教学工作，本书的出版必将给行业相关人员带来有益参考。 

《陶瓷基复合材料强韧化与应用基础》通过研究增强纤维、界面相、基体、涂层四个微结构单元以及制备和服役环境对陶瓷基复合材料强韧性的影响及其协同作用，初步实现了根据服役要求进行强韧性设计与性能预测。

本书围绕陶瓷基复合材料强韧化与应用基础问题展开，分别介绍和讨论了陶瓷基复合材料的强韧化研究进展及其存在的问题，纤维种类、纤维丝束大小对强韧性的影响，界面相制备工艺对强韧性的影响，基体分布和基体多元多层改性对强韧性的影响，涂层和涂层改性对强韧性的影响，环境因素与微结构单元的非线性耦合作用，以及微结构单元的协同作用及其强韧化机理等。

本书的出版将为陶瓷基复合材料专业的研究生和相关研究人员及生产设计人员提供有益参考。

 

成来飞，西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室，教授，西北工业大学博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，*“长江学者”特聘教授，国家“新世纪百千万人才工程”入选者，首批超高温结构复合材料创新团队带头人，国防科技工业突出贡献中青年专家。主要研究方向为陶瓷基复合材料(CMC)环境模拟、制造与应用技术。现任西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室主任，兼管CMC和航空发动机环境模拟分室工作。此外，作者还是国务院学位委员会材料学科评议组成员、中国复合材料学会副理事长、中国材料研究学会常务理事、中国航空学会复合材料分会委员、中国航空学会非聚合物复合材料专业委员会主任等。

1986年毕业后，主要从事反应烧结氮化硅和热压烧结碳化硅结构陶瓷工艺理论的研究。1990年以后，开始主要从事自增韧氮化硅、C/C防氧化涂层、氧化铝陶瓷型芯和高性能耐火材料的研究与开发。1996年以后，主要从事连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料制备与应用考核研究。2000年以后到现在，开始主要从事连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料应用技术及超常服役环境下材料的环境模拟理论与方法研究。

参加和承担了国家863、国防973、国防重点预研、国家自然科学基金、其他部委科学基金、合作项目四十多项，其中作为课题负责人承担28项。获国家技术发明一等奖1项、国防科学技术进步一等奖1项、国家教学成果二等奖1项、中国国际发明展览会专利金奖1项、省部级科学技术奖5项、*提名自然科学二等奖1项。曾获*高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划基金、*跨世纪优秀人才培养计划基金、国务院特殊政府津贴、国防科工委委属高等学校优秀教师、首批国防科技工业“511人才工程”学术技术带头人、陕西科协第三届优秀科技青年工作者、陕西省跨世纪优秀人才奖等荣誉。

 

第1章绪论1

1.1引言1

1.2陶瓷基复合材料的微结构单元2

1.2.1增强纤维4

1.2.2界面相6

1.2.3基体11

1.2.4涂层13

1.3陶瓷基复合材料韧性的表征16

1.3.1KIC和断裂功16

1.3.2声发射技术17

1.4陶瓷基复合材料强韧性影响因素20

参考文献21

第2章纤维增强体与陶瓷基复合材料的强韧化26

2.1引言26

2.2纤维预制体结构参数26

2.2.1纤维体积分数与模量26

2.2.2纤维分布方式28

2.2.3纤维种类29

2.2.4纤维损伤29

2.3纤维种类与复合材料的强韧化30

2.3.1纤维束复合材料的强韧性30

2.3.2编织结构复合材料的强韧性33

2.4纤维丝束大小与复合材料的强韧化37

2.4.1纤维束复合材料的强韧化38

2.4.2二维复合材料的强韧化43

2.4.3三维复合材料的强韧化75

2.4.4三维针刺复合材料的强韧化92

2.5纤维模量与复合材料的强韧化98

参考文献102

第3章界面相与陶瓷基复合材料的强韧化106

3.1引言106

3.2界面相的作用106

3.2.1界面相对滑移阻力的影响108

3.2.2界面相对热失配残余应力的影响108

3.3PyC界面相与纤维束复合材料的强韧化112

3.3.1PyC界面相与SiC/SiC纤维束复合材料的强韧化112

3.3.2PyC界面相与C/SiC纤维束复合材料的强韧化116

3.4PyC界面相厚度与编织结构复合材料的强韧化126

3.4.1界面相厚度对无切口试样弯曲特性的影响127

3.4.2界面相厚度对单边切口试样弯曲特性的影响129

3.4.3界面相厚度对强韧性测试结果分散性的影响131

3.4.4热处理对界面相厚度与强韧性关系的影响132

3.4.5预制体结构对界面相厚度与强韧性关系的影响135

3.4.6纤维种类对界面相厚度与强韧性关系的影响137

3.5BN界面相与SiC/SiC纤维束复合材料的强韧化138

3.5.1界面相厚度对拉伸特性的影响138

3.5.2界面相热处理对拉伸特性的影响143

3.6界面相材料与SiC/SiC纤维束复合材料的强韧化147

3.6.1PyC界面相对拉伸特性的影响148

3.6.2PyC界面相厚度不同时的断裂行为149

3.7基于强韧化协同设计的界面相优化151

参考文献155

第4章基体与陶瓷基复合材料的强韧化158

4.1引言158

4.2基体微结构参数158

4.2.1基体多元多层改性158

4.2.2基体微裂纹与孔隙159

4.3基体分布与复合材料的强韧化160

4.3.1基体在复合材料中的分布特征160

4.3.2基体分布均匀性对复合材料强韧性的影响168

4.4SiC纳米线改性与复合材料的强韧化173

4.4.1显微结构173

4.4.2强韧性174

4.4.3断裂行为176

4.5CVI-PyC基体改性与复合材料的强韧化177

4.5.1CVI-PyC基体改性对显微结构的影响177

4.5.2CVI-PyC基体改性对强韧性的影响181

4.5.3CVI-PyC基体改性对断裂行为的影响181

4.6PIP-SiC基体改性与复合材料的强韧化186

4.6.1显微结构186

4.6.2强韧性187

4.6.3断裂行为189

4.7RMI-C/SiC基体改性与复合材料的强韧化191

4.7.1显微结构191

4.7.2拉伸性能195

4.7.3压缩性能197

4.7.4弯曲性能199

4.7.5层间剪切性能202

4.7.6面内剪切性能203

4.7.7冲击性能204

4.7.8断裂韧性204

4.8CVI-BxC陶瓷基体改性与复合材料的强韧化205

4.8.1显微结构205

4.8.2弯曲强度与断裂韧性210

4.8.3拉伸性能212

4.8.4剪切与压缩性能218

4.9Ti3SiC2陶瓷基体改性与复合材料的强韧化223

4.9.1反应熔体浸渗生成Ti3SiC2的热力学分析223

4.9.2Ti3SiC2基体改性与C/C-SiC复合材料的强韧化224

4.9.3Ti3SiC2基体改性与C/SiC复合材料的强韧化231

4.10强韧化机理238

4.10.1基体分布均匀性的强韧化机理238

4.10.2基体改性的强韧化机理238

4.10.3基体功能划分的多尺度强韧化机理240

参考文献240

第5章涂层与陶瓷基复合材料的强韧化243

5.1引言243

5.2涂层的作用243

5.3SiC晶须涂层改性与复合材料强韧化244

5.3.1显微结构244

5.3.2弯曲性能247

5.3.3断裂行为248

5.4CNTs涂层改性与复合材料的强韧化250

5.5EBCs涂层改性与复合材料的强韧化252

5.5.1BSAS涂层与复合材料的强韧性252

5.5.2Sc2Si2O7涂层与复合材料的强韧性253

5.6涂层热环境损伤修复与复合材料的强韧化255

5.6.1制备裂纹缺陷的修复对强韧性的影响256

5.6.2热损伤裂纹缺陷修复对强韧性的影响257

5.7强韧化协同设计的涂层优化260

5.7.1涂层设计原则260

5.7.2涂层修复原则260

参考文献261

第6章服役环境对陶瓷基复合材料强韧性的影响263

6.1引言263

6.2服役环境263

6.2.1疲劳263

6.2.2热震/热循环265

6.2.3高温气氛氧化266

6.2.4热处理268

6.3预疲劳处理与复合材料的强韧化270

6.3.1复合材料的应力应变行为270

6.3.2复合材料的强韧性变化272

6.4氧化处理与复合材料的强韧化275

6.4.1干燥空气环境氧化处理275

6.4.2水氧耦合环境氧化处理282

6.5热处理与复合材料的强韧化285

6.5.1热处理对复合材料拉伸性能的影响285

6.5.2热处理对复合材料拉伸性能影响机制291

6.5.3热处理对复合材料弯曲性能的影响294

6.5.4热处理对复合材料弯曲强韧性影响机制297

6.6热循环处理与复合材料的强韧化300

6.6.1不同环境气氛下热循环处理300

6.6.2约束条件下热循环处理303

6.7测试条件与复合材料的强韧化305

6.7.1试样尺寸305

6.7.2加载速率307

6.8陶瓷基复合材料的环境自适应性310

参考文献314

第7章陶瓷基复合材料各结构单元协同作用与性能预测319

7.1引言319

7.2复合材料微结构单元协同作用与强韧化机理319

7.2.1纤维和界面相协同作用与复合材料的强韧化319

7.2.2纤维和基体协同作用与复合材料的强韧化320

7.2.3涂层和基体协同作用与复合材料的强韧化321

7.2.4环境因素协同作用与复合材料的强韧化321

7.3纤维预制体结构与复合材料的强韧性322

7.3.1纤维预制体的结构特征322

7.3.2二维复合材料的强韧化325

7.3.32.5维复合材料的强韧化338

7.3.4三维复合材料的强韧化350

7.3.5三维针刺复合材料的强韧化355

7.3.6强度统一关系366

7.3.7不同预制体复合材料迟滞行为的对比371

7.4单胞元法预测复合材料性能374

7.4.1一维纤维束的单胞元微结构模型375

7.4.2二维编织纤维束的单胞元微结构模型376

7.4.3三维编织纤维束的单胞元微结构模型378

7.4.4包含孔隙结构的单胞元微结构380

7.4.5单胞元法预测复合材料力学性能382

参考文献390

 

20世纪70年代初，Aveston在连续纤维增强聚合物基复合材料和金属基复合材料的基础上，首次提出了连续纤维增强陶瓷基复合材料的概念；20世纪70年代末，Naslain在陶瓷基复合材料制造技术方面取得重大突破，拉开了国际陶瓷基复合材料研发的序幕；1991年，西北工业大学张立同院士团队另辟蹊径，开展陶瓷基复合材料研究，成为我国超高温结构复合材料发展的里程碑。

在国内外陶瓷基复合材料竞相发展的过程中，强韧化问题日益凸现。强韧化问题研究可分为两个层面：一是强韧化机理，二是强韧化实现。早期主要关注强韧化机理，如界面脱粘、裂纹扩展和纤维拔出等。陶瓷基复合材料强韧化机理是在聚合物基复合材料和陶瓷材料强韧化基础上提出的，而在利用这些机理实现强韧化的过程中，发现了一些难以解释的现象，例如：并不是纤维的强度越高强韧性越好；涂层除了保护作用外还有强韧化作用；界面的影响与工艺过程密切相关；基体的分布对强韧性有显著影响等。这些现象折射出强韧化的两个科学问题：复合材料各结构单元的强韧化协同问题，工艺过程强韧化的协同问题。阐明这两个科学问题，不但需要相关理论指导，而且还必须以材料制备技术发展和大量试样制备与测试表征为基础。这需要一个稳定团队坚持不懈的努力和相关经费的持续支持。

张立同院士团队以碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)为对象，在国防973和国家杰出青年基金等项目支持下，研究了微结构单元的强韧化协同问题；在国家自然科学基金重点项目和国防预研等项目支持下，研究了工艺过程与强韧化协同问题。本书是上述研究成果的总结和归纳，也是从材料制备工艺角度系统研究陶瓷基复合材料强韧化的一部专著。本书旨在通过研究增强纤维、界面相、基体和涂层四个微结构单元对陶瓷基复合材料强韧性的影响及其协同作用，初步实现根据服役要求进行陶瓷基复合材料强韧性设计与性能预测。

全书共7章，由笔者统筹组稿，梅辉教授协助组稿，张立同院士审定。第1章介绍陶瓷基复合材料的强韧化研究进展及其存在的问题。第2章介绍纤维种类和纤维丝束大小对强韧性的影响，重点讨论纤维的强韧化机理与纤维选择原则。第3章介绍界面相制备工艺对强韧性的影响，重点讨论界面相综合作用机理。第4章介绍基体分布和基体多元多层改性对强韧性的影响，重点讨论基体强韧化途径与机理。第5章介绍涂层和涂层改性对强韧性的影响，重点讨论涂层的强韧化机理。第6章介绍环境因素与微结构单元的非线性耦合作用，重点讨论环境强韧化途径与机理。第7章介绍微结构单元的协同作用及其强韧化机理，拟尝试建立预制体结构与强韧性的关系。

本书包含了孟志新和王毅强博士论文的内容，还采用了梅辉、吴守军、杨文彬、马军强、聂景江、汪海滨、陈曦、王红琴等学位论文的部分内容。同时还收录了殷小玮教授、王一光教授、范尚武副教授在强韧化方面的研究成果，以及乔生儒教授和矫桂琼教授课题组在本征力学性能方面的研究成果。长期研究过程中，团队的工程技术人员负责全部试样制备，并参与了部分性能测试。博士研究生孟志新、李建平、侯翼、朱艳参加了资料收集、整理和校对。

本书力求专业性和实用性结合，希望为陶瓷基复合材料专业研究生和相关研究人员提供参考，为生产部门工艺设计和设计部门的应用选材提供借鉴。但是，陶瓷基复合材料强韧化问题十分复杂，虽经团队十余年研究，一些研究成果仍在实践检验过程中，一些问题还处于不断认识阶段，肤浅和疏漏在所难免，恳请广大读者批评指正。

成来飞

2018.7