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1、SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的界面改性研究*Research Progress in Interfacial Modification of SiC FiberReinforced Titanium Matrix Composites演講人：王富廣學(xué)號(hào)：1103210142主講大綱7/19/2022 7:44:02 AM1.1 復(fù)合材料的簡(jiǎn)介復(fù)合材料既然屬于材料族譜，它的定義也應(yīng)與材料定義的內(nèi)涵相符，同時(shí)還必需反映出復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特性質(zhì)。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)將復(fù)合材料定義為： 兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或

2、金屬等幾類(lèi)不同材料通過(guò)復(fù)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(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能相互補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)區(qū)別。7/19/2022 7:44:02 AM1.1.1 復(fù)合材料的特點(diǎn)7/19/2022 7:44:02 AM1.1.2 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)模式復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)相兩個(gè)組分組成。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常一個(gè)相為連續(xù)相，稱(chēng)為基體；而另外一個(gè)相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會(huì)使材料的性能顯著改善和增強(qiáng)，稱(chēng)為增強(qiáng)相（增強(qiáng)劑、增強(qiáng)體）。增強(qiáng)劑（相）一般比基體硬，

3、強(qiáng)度、模量較基體大、可以是纖維狀、顆粒狀或?qū)悠瑺預(yù)l2O3纖維Al2O3片7/19/2022 7:44:02 AM1.2 復(fù)合材料的應(yīng)用7/19/2022 7:44:02 AM1.3 SiC纖維的簡(jiǎn)介性能特點(diǎn)1、高強(qiáng) 4.5GPa 高模量 200400GPa2、化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿3、耐高溫1300 ，強(qiáng)度不變；1000 /氧化氣氛，強(qiáng)度不變4、與各種基體相容性好 金屬基、陶瓷基、樹(shù)脂基復(fù)合材料制造方法1、先驅(qū)體法烷基硅烷聚合紡絲有機(jī)纖維高溫處理 SiCF2、CVD法鎢絲碳絲沉積室 SiCFSiC顆粒7/19/2022 7:44:02 AM2.SiC纖維TMMSc的簡(jiǎn)介7/19/2022 7:

4、44:02 AM2.1 TMMCs的界面問(wèn)題7/19/2022 7:44:02 AM3. 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(yīng)和改善殘余應(yīng)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(qiáng)的復(fù)合涂層或功能梯度涂層。 1.單涂層涂層的分類(lèi) 2.雙涂層 3.復(fù)合涂層功能梯度涂層7/19/2022 7:44:02 AM3.1復(fù)合材料涂層設(shè)計(jì)的原則7/19/2022 7:44:02 AM3.2.1 單-碳涂層的研究C涂層是發(fā)展較早、應(yīng)用也最為廣泛的涂層如美國(guó)Textron公司生產(chǎn)的SCS-6 SiC纖維

5、(C芯),帶有石墨C涂層,且其最外層富Si,涂層的內(nèi)側(cè)富C部分可調(diào)節(jié)熱膨脹系數(shù)的不匹配,外側(cè)富Si部分是為了與基體中的Ti反應(yīng)形成原位反應(yīng)阻擋層。但是,已有研究表明,涂層中的Si原子參與界面反應(yīng)后生成的硅化物并不能有效阻止界面反應(yīng)。隨著高溫?zé)崽幚頃r(shí)間的延長(zhǎng),涂層逐漸被消耗殆盡,最后內(nèi)部SiC也參與界面反應(yīng)，即C涂層并不能有效減緩纖維與基體的界面反應(yīng)。7/19/2022 7:44:02 AM3.2.2單-陶瓷涂層的研究在已有C涂層的基礎(chǔ)上,具有耐高溫、化學(xué)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(hù)涂層。如Al2O3、TiBx、VBx、TaBx、TiSi2、Y2O3、ZrO2、TiB

6、2、HfO2、TiC、TiN等曾被用作TMMCs的界面反應(yīng)阻擋層,并希望成為相穩(wěn)定劑,可使界面附近的基體不易開(kāi)裂,因?yàn)橄噔伜辖鸬乃苄员认噔伜辖鸶?。在這些涂層中,只有TiB2和TiC涂層能成功阻止SiC/Ti界面反應(yīng)。盡管如此,TiB2和TiC涂層纖維的強(qiáng)度也會(huì)分別降低15%和52%。此外,由于這些涂層為脆性材料,在機(jī)械載荷和熱殘余應(yīng)力作用下易于首先開(kāi)裂失效。7/19/2022 7:44:02 AM3.3.1 Ag/Ta雙金屬涂層的研究從該設(shè)計(jì)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(huì)與SiC纖維發(fā)生反應(yīng),不發(fā)生反應(yīng)的又很難提供較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度?？梢?jiàn)單一涂層很難同時(shí)滿足所有

7、設(shè)計(jì)的要求,只有采用雙涂層或復(fù)合涂層才能進(jìn)一步優(yōu)化界面性能Jeng等研究了Ag/Ta雙金屬涂層對(duì)SCS-6/Ti-25-10復(fù)合材料力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明,Ag/Ta涂層能作為擴(kuò)散阻礙層有效地控制界面反應(yīng),并能作為過(guò)渡層有效地調(diào)節(jié)熱殘余應(yīng)力,因?yàn)锳g能阻礙SCS-6與Ta之間的反應(yīng),而Ta是一種相穩(wěn)定元素。但是,過(guò)強(qiáng)的界面剪切強(qiáng)度降低了復(fù)合材料的韌性而且Ag和Ta的價(jià)格比較昂貴7/19/2022 7:44:02 AM3.3.2稀土元素及其硼化物涂層Deepak Upadhyaya研究了稀土元素及其硼化物涂層Gd/GdBx對(duì)SCS-6/Ti-6Al-4V和SCS-6/TiAl兩種復(fù)合材料界面及

8、性能的影響。結(jié)果表明,Gd/GdBx在1000以上作為反應(yīng)阻礙層能有效地保護(hù)纖維,同時(shí)該涂層能很好地調(diào)節(jié)熱殘余應(yīng)力,使兩種復(fù)合材料的基體中均無(wú)熱殘余應(yīng)力誘導(dǎo)的裂紋存在,但是GdBx涂層中仍有生長(zhǎng)裂紋,對(duì)此DeepakUpadhyaya建議在GdBx涂層表面沉積一薄層的Gd來(lái)填充那些生長(zhǎng)裂紋。但是Gd/GdBx極易被氧化,因此給制備帶來(lái)了困難。7/19/2022 7:44:02 AM3.3.3 C/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(kuò)散,又可以作為熱殘余應(yīng)力的緩解層;TiC層實(shí)際上為T(mén)i含量和C含量梯度變化的涂層,能進(jìn)一步阻止界面反應(yīng)

9、;Ti涂層的作用是提高纖維/基體結(jié)合強(qiáng)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(jì),也解決了SiC/Ti界面問(wèn)題,但作者沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。7/19/2022 7:44:02 AM3.3.4 Ti/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(shè)計(jì)理由是:靠近纖維表面的薄的Ti涂層與纖維反應(yīng)形成合適的界面結(jié)合強(qiáng)度;Y涂層因與纖維之間不發(fā)生界面反應(yīng),形成物理結(jié)合,所以既可作為擴(kuò)散阻擋層,又能使擴(kuò)展到纖維附近的裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn);最外層的Ti涂層是為了防止內(nèi)層涂層被氧化或污染。結(jié)果表明,纖維的原位強(qiáng)度急劇下降,

10、復(fù)合材料橫向強(qiáng)度也較低,可能是由于Y層吸氧及其濺射態(tài)的柱狀晶結(jié)構(gòu)所致。C/SiC涂層(C涂層靠近纖維一側(cè),SiC靠近基體一側(cè))則使纖維的原位強(qiáng)度得到了保護(hù),復(fù)合材料也同時(shí)具有較好的橫向和縱向力學(xué)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(yīng)犧牲層,在700以上時(shí)反應(yīng)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(fù)合材料中的有效體積分?jǐn)?shù)。7/19/2022 7:44:02 AM3.3.5 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(duì)SCS-6/Ti-15-3復(fù)合材料界面和力學(xué)性能的影響

11、,發(fā)現(xiàn)兩種雙金屬涂層都能減緩界面反應(yīng)速度,但Cu/Mo涂層更有利于提高復(fù)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(duì)復(fù)合材料界面和力學(xué)性能(如軸向和橫向拉伸強(qiáng)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(xì)致的研究7/19/2022 7:44:02 AM3.3.6 TMMCs中各涂層的作用7/19/2022 7:44:02 AM3.3.7我國(guó)對(duì)纖維涂層的研究目前我國(guó)對(duì)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(xué)和中國(guó)科學(xué)院等，而國(guó)外則大多是在已有富C涂層基礎(chǔ)上展開(kāi)的研究(如前文所述),可見(jiàn)我國(guó)與國(guó)外還存在較大差距。蔡杉等研究了富碳B4C

12、涂層對(duì)復(fù)合材料界面及力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,該涂層能有效阻隔纖維與基體的不良反應(yīng)，但是B4C作為反應(yīng)犧牲層,所起的作用與C涂層相當(dāng)。王玉敏等近來(lái)報(bào)道了采用C/AlN和C/Al2O3梯度涂層進(jìn)行界面改性,其調(diào)控能力和機(jī)理正在進(jìn)一步研究中。7/19/2022 7:44:02 AM4.結(jié)束語(yǔ)綜上所述,選擇SiC纖維表面涂層要從保護(hù)纖維、阻擋界面反應(yīng)、改善界面結(jié)合、調(diào)和熱殘余應(yīng)力等方面進(jìn)行綜合考慮。單一的涂層通常難以實(shí)現(xiàn)以上所有功能,而雙涂層或復(fù)合涂層、功能梯度涂層則可同時(shí)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,還要考慮到涂層制備的可行性和經(jīng)濟(jì)性,盡量降低成本,減少制備難度和

13、環(huán)境污染?？傮w看來(lái),在已有富C涂層基礎(chǔ)上發(fā)展有惰性金屬的復(fù)合涂層是較為經(jīng)濟(jì)適用的方法如Ti/Y/Ti或Ti/Gd/Ti涂層體系,通過(guò)高真空多靶磁控濺射技術(shù)制備復(fù)合涂層,徹底解決Y或Gd的氧化問(wèn)題,可用基體材料制備Ti層?？傊?發(fā)展涂層研究將極大地改善SiC/Ti界面相容性,進(jìn)一步推進(jìn)TMMCs在宇航領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用7/19/2022 7:44:02 AM5.參考文獻(xiàn)1. Leyens C, Hausmann J, Kumpfert J. Continuous fiber rein-forced titanium matrix composites: Fabrication, propertie

14、s and applicationJ. Adv Eng Mater,2019,5(6):3992. Matikas, Theodeore E. High temperature fiber fragmenta-tion characteristics of SiC single-fiber composite with tita-nium matricesJ. Adv Compos Mater,2019,17(1):753. 陳振中,金業(yè)壯,陳禮清.鋁、鈦基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用分析J.航空發(fā)動(dòng)機(jī),2019,32(4):404. 王玉敏,肖鵬,石南林,等. SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料界面研究及構(gòu)件研制J.中國(guó)材料進(jìn)展,2019,29(5):95. 楊延清,朱艷,馬志軍,等. SiC長(zhǎng)纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料的制備J.機(jī)械科