极端高温环境下2D C/SiC复合材料动态力学行为研究

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陶瓷基复合材料作为具有防热承载一体化功能的热结构材料,已被广泛的应用于高超声速飞行器和航空发动机的高温部件。其在高温下的力学性能对结构的安全性影响很大,除此之外,材料有时也面临着冲击载荷的威胁。因此,全面认识这类耐高温热结构材料在高温服役环境下动态力学行为,不仅仅对深入理解力-热-化学耦合作用下材料的变形与破坏机理具有重要的科学意义,而且也是结构抗冲击安全性设计的基本依据。然而,实验手段的制约,导致目前尚无法研究这类材料在极端服役温度环境下的动态力学性能。本文主要在分离式Hopkinson杆的基础上,发展了能够实现1600℃高温环境下材料动态力学行为研究的试验方法,并解决了高温环境下高速变形图像获取和高温散斑制作等问题。在此基础上,研究了陶瓷基复合材料在不同应变率(准静态、动态)、不同温度(室温~1600℃)、不同气体氛围(空气、氩气)、不同加载方式(压缩、拉伸)下的力学行为,明确了该材料的破坏模式和失效机制与温度和氧化的关系。本文的研究结果包括以下四个部分:第一部分:主要研究了无涂层和有涂层2D C/SiC陶瓷基复合材料在常温下的动态压缩压缩力学行为。通过相机捕捉了试样在准静态和动态加载下的变形过程,利用SEM分析了试样在不同加载工况下的破坏形貌。动态加载下试样的层间结合能力的提高以及试样内部多处裂纹同时成核导致试样的压缩强度随加载速率的增加而增加。最后在常温实验结果的基础上,结合压缩强度和弹性模量的率相关性,建立了2D C/SiC陶瓷基复合材料含损伤的率相关本构方程,且本构方程拟合曲线与实验曲线吻合较好。第二部分:主要建立了一种高温-高应变率耦合条件下的力学行为测试实验技术。在现有分离式Hopkinson杆的基础上,利用两个气缸组成双同步系统,利用Mo Si2为加热源设计具有保护气通气孔和石英玻璃观察窗口的超高温加热炉,利用半圆形陶瓷管和高温泡沫来固定试样,利用电路通断的原理来测量同步系统的冷接触时间,搭建了适用于超高温环境(1600℃)下的动态压缩力学性能测试的平台。在Hopkinson拉杆的基础上搭建了高温动态拉伸实验平台,实验开始前将试样在高温炉中加热,当加热到预定温度后通过推送机构将试样从高温炉中推到加载杆中进行加载,试样的固定及推送夹具的材料采用耐高温陶瓷。针对高温下图像过饱和问题,采用补蓝光并在镜头前安装蓝光滤光片的方法采集到理想的高温(1600℃)图像,通过高压喷枪喷涂高温胶的方式在试样表面制作了高温散斑。第三部分:研究了无涂层和有涂层2D C/SiC复合材料在高温(20℃~1600℃)高应变率下的压缩力学行为。在高温氩气环境下,残余应力随温度的变化使得无涂层和有涂层2D C/SiC试样的压缩强度随温度的升高而增加。同时,通过相机记录了试样在加载中的变形过程,试样的损伤角也随温度的升高而增加。在高温空气环境下,无涂层材料的碳纤维缺乏保护,纤维被严重氧化,材料的压缩力学性能急剧下。而对于有涂层材料,在SiC涂层的保护下,降低了材料在高温下的氧化程度,受到高温和氧化的耦合作用,有涂层材料的高温压缩强度随温度的升高先增加,后下降,再升高。在氩气环境下,两种材料的应变率系数随温度的升高而降低;而在空气环境中,在1000℃以下,应变率系数随温度的升高而增加,当温度超过1000℃时,有涂层材料的应变率系数随温度的增加而降低。第四部分:研究了有涂层2D C/SiC陶瓷基复合材料在高温(20℃~1600℃)高应变率下的拉伸力学行为。在高温氩气环境下受温度的影响,材料的拉伸强度随温度的升高先升高,后下降,到1200℃后再升高。结合试样的残余应力以及界面剪切强度,分析了试样在拉伸载荷下的强度增量随温度的变化规律,表明残余应力对材料基体开裂强度和界面剪切强度的影响使得材料表现出复杂的温度效应。空气环境下,基体开裂会加剧纤维的氧化,而在准静态下具有较长的加载时间,基体开裂对纤维氧化的影响远高于动态加载。在空气环境下,试样的应变率系数随温度的增加而急剧增加。而在氩气环境下,试样的应变率系数受温度的影响较小。
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