一種提高2D-C/SiC復合材料基體開裂應力的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及2D-C/SiC復合材料技術領域，具體為一種提高2D-C/SiC復合材料基體開裂應力的方法。
【背景技術】
[0002]2D-C/SiC復合材料具有高強度、高硬度、低密度、耐高溫等一系列優異的性能，近年來在航天航空等領域具有深遠的發展前景，研究提高該材料基體開裂應力，從而提高其高溫力學性能具有重要的意義。
[0003]2D-C/SiC復合材料的基體開裂應力對應于拉伸應力-應變曲線中的比例極限，當材料的加載應力達到基體開裂應力時，基體中會產生大量新的微裂紋。這些新的微裂紋一旦產生，便會隨著應力的增大而迅速的擴展，進而形成垂直于載荷方向的宏觀基體裂紋，最終會貫穿材料的整個橫截面，使基體中的纖維和基體界面不能有效地傳遞載荷，并且如果材料在氧化氣氛中服役，氧化性的氣氛會沿著基體裂紋進入材料的內部，使纖維氧化失效，從而影響材料的力學性能和使用壽命。
【發明內容】
[0004]要解決的技術問題
[0005]本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供一種有用的商業選擇。為此，本發明的一個目的在于提供一種提高2D_C/SiC復合材料基體開裂應力的方法，通過對材料進行預蠕變處理，提高其高溫力學性能和使用壽命。
[0006]技術方案
[0007]在本發明的一個方面，本發明提出一種提高2D_C/SiC復合材料基體開裂應力的方法，其特征在于:對2D_C/SiC復合材料進行2-3個周期的預蠕變處理，相鄰周期間隔不大于3天；每個周期采用以下步驟進行預蠕變處理:
[0008]步驟1:將2D_C/SiC復合材料裝夾后置于在真空環境中；
[0009]步驟2:對2D-C/SiC復合材料進行預蠕變，預蠕變溫度為1400°C -1600°C ;在2D-C/SiC復合材料達到預蠕變溫度后，保溫0.5-lh ;
[0010]步驟3:保溫結束后，對2D_C/SiC復合材料進行加載，加載應力為σ，σ取0.6?I倍的σ _，σ _為2D_C/SiC復合材料原始基體開裂應力的上限值；加載應力保持時間不小于8小時；而后對2D-C/SiC復合材料卸載并降至室溫，降溫速率不大于12°C /min。
[0011]進一步的優選方案，一種提高2D_C/SiC復合材料基體開裂應力的方法，其特征在于:步驟3中加載應力σ取0.8?I倍的σ _。
[0012]根據本發明的實施例，該方法利用材料中纖維具有比基體更高的彈性模量和低的蠕變速率的特點，對材料進行預蠕變處理，使原本處于殘余拉應力狀態下的基體變為處于殘余壓應力狀態，大大的下降了基體開裂的可能，顯著地提高了復合材料基體的開裂應力。
【附圖說明】
[0013]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0014]圖1是實施例中2D_C/SiC復合材料在未經預蠕變處理條件下材料的拉伸應力-應變曲線；
[0015]圖2是實施例中2D_C/SiC復合材料在預蠕變溫度為1400°C，蠕變應力為50MPa條件下預蠕變處理后的材料的拉伸應力-應變曲線；
[0016]圖3是實施例中2D_C/SiC復合材料在預蠕變溫度為1500°C，蠕變應力為50MPa條件下預蠕變處理后材料的拉伸應力-應變曲線。
【具體實施方式】
[0017]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0018]在2D_C/SiC復合材料中，碳纖維在溫度高于2100°C的時候才會發生蠕變現象，而化學氣相沉積(CVI)的SiC基體在高于1400°C時就能發生以晶界滑動為主要機制的蠕變。因此在2D-C/SiC復合材料中，纖維具有比基體更高的彈性模量和低的蠕變速率，通過對材料進行預蠕變處理，可以使材料內部的基體的應力狀態發生變化，使其由殘余拉應力狀態變為處于殘余壓應力狀態，而使纖維由殘余壓應力狀態變為處于殘余拉應力狀態。正是由于這種應力狀態的轉變，使材料在拉伸過程中發生應力再分配，基體應力通過應力再分配會逐漸轉移至纖維上，從而使材料的基體開裂應力得到顯著地提高。在相同的服役條件下，材料基體開裂的可能性下降，從而可以更好點的保護材料內部的纖維和界面，使其免受損傷，并最終提高材料的力學性能和使用壽命。
[0019]下面實施例中采用的2D_C/SiC復合材料為通過以下方式:由T300碳纖維束編織成(0° /90° )碳布，然后疊壓成二維編織預制體，再通過CVI工藝沉積適當厚度熱解碳界面相后再沉積碳化硅基體，而制得的纖維體積分數約為40%，孔隙率約為17%的2D-C/SiC復合材料。該材料的原始基體開裂應力范圍為40MPa?50MPa。
[0020]實施例1:
[0021]對2D_C/SiC復合材料進行2個周期的預蠕變處理，相鄰周期間隔為I天。
[0022]在第I周期內，采用以下步驟:
[0023]步驟1:將2D_C/SiC復合材料裝夾在拉伸試驗機上，并置于真空爐內；
[0024]步驟2:將預蠕變溫度設定為1400°C -1600°C，在該溫度范圍內，以化學氣相沉積工藝得到的SiC基體發生以晶界滑動為主要機制的蠕變，而碳纖維未發生蠕變；而本實施例中預蠕變溫度設定為1400°C，真空爐以15°C /min的升溫速率升溫；在2D_C/SiC復合材料達到預蠕變溫度后，保溫0.5h ;
[0025]步驟3:保溫結束后，對2D_C/SiC復合材料進行加載，加載應力為σ，σ取0.6?I倍的σ _，σ _為2D_C/SiC復合材料原始基體開裂應力范圍的上限值，在這一應力范圍內SiC基體不會發生開裂、界面脫粘等損傷行為；本實施例中o_S50MPa，σ取50MPa，加載應力保持時間為8小時；而后對2D_C/SiC復合材料卸載并降至室溫，降溫速率為10°C /min0
[0026]進行完第一周期的預蠕變處理后，間隔I天，以同樣的實驗參數進行第二周期預蠕變處理。圖2所示為本實施例中經過預蠕變處理后材料的拉伸應力-應變曲線，曲線中線性階段所對應的應力即為材料的基體開裂應力約為78MPa ;而如圖1所示，材料未經預蠕變處理的原始基體開裂應力近似為42MPa(處于40MPa?50MPa范圍內)；對比可以看出，在經過預蠕變處理后的材料的基體開裂應力得到明顯的提高。
[0027]實施例2:
[0028]對2D_C/SiC復合材料進行2個周期的預蠕變處理，相鄰周期間隔為I天。
[0029]在第I周期內，采用以下步驟:
[0030]步驟1:將2D_C/SiC復合材料裝夾在拉伸試驗機上，并置于真空爐內；
[0031]步驟2:將預蠕變溫度設定為1400°C -1600°C，在該溫度范圍內，以化學氣相沉積工藝得到的SiC基體發生以晶界滑動為主要機制的蠕變，而碳纖維未發生蠕變；而本實施例中預蠕變溫度設定為1500°C，真空爐以15°C /min的升溫速率升溫；在2D_C/SiC復合材料達到預蠕變溫度后，保溫0.5h ;
[0032]步驟3:保溫結束后，對2D_C/SiC復合材料進行加載，加載應力為σ，σ取0.6?I倍的σ _，σ _為2D_C/SiC復合材料原始基體開裂應力范圍的上限值，在這一應力范圍內S