JaciyChen-SiC纤维增强钛基复合材料的界面改性研究

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1、演 讲 人 ： 王 富 广学 号 ： 1103210142 主讲大纲1.复 合 材 料 及 SiC纤 维 的 介 绍2.SiC纤 维 增 强 钛 基 复 合 材 料 的 简 介3.纤 维 涂 层 法 的 研 究4.结 束 语5.参 考 文 献 5/4/2021 4:56:02 PM 1 .1 复合材料的简介 复 合 材 料 既 然 属 于 材 料 族 谱 ， 它 的 定 义 也 应 与 材 料 定 义 的内 涵 相 符 ， 同 时 还 必 需 反 映 出 复 合 材 料 区 别 于 传 统 材 料 的独 特 性 质 。 国 际 标 准 化 组 织 (ISO)将 复 合 材 料 定 义 为 ：

2、两 种 或 两 种 以 上 物 理 和 化 学 性 质 不 同 的 物 质 组 合 而 成 的 一种 多 相 固 体 材 料 。 复 合 材 料 是 由 有 机 高 分 子 、 无 机 非 金 属 或 金 属 等 几 类 不 同材 料 通 过 复 合 工 艺 组 合 而 成 的 新 型 材 料 。 它 既 能 保 留 原 组成 材 料 的 重 要 特 色 ， 又 通 过 复 合 效 应 获 得 原 组 分 所 不 具 备的 性 能 。 可 以 通 过 材 料 设 计 使 各 组 分 的 性 能 相 互 补 充 并 彼此 关 联 ， 从 而 获 得 更 优 秀 的 性 能 ， 与 一 般 材 料

3、 的 简 单 混 合有 本 质 区 别 。 5/4/2021 4:56:03 PM 1 .1 .1 复合材料的特点1.由 两 种 或 多 种 不 同 性 能 的 组 分 通 过 宏 观 或 微 观 复 合 在一 起 的 新 材 料 ， 组 分 之 间 存 在 明 显 的 界 面 。2.各 组 分 保 持 各 自 固 有 特 性 的 同 时 ， 可 最 大 限 度 地 发 挥各 种 组 分 的 优 点 ， 赋 予 单 一 材 料 所 不 具 备 的 优 良 特 殊 性能 。3.复 合 材 料 具 有 可 设 计 性 5/4/2021 4:56:03 PM 1 .1 .2 复合材料的结构模式 复

4、合 材 料 由 基 体 和 增 强 相 两 个 组 分 组 成 。 复 合 材 料 结 构 通 常 一 个 相 为 连 续 相 ， 称 为 基 体 ； 而 另 外 一 个 相 是 以 独 立 的 形 态 分 布 在 整 个 基 体 中 的 分散 相 ， 这 种 分 散 相 的 性 能 优 越 ， 会 使 材 料 的 性 能 显 著改 善 和 增 强 ， 称 为 增 强 相 （ 增 强 剂 、 增 强 体 ） 。 增 强 剂 （ 相 ） 一 般 比 基 体 硬 ， 强 度 、 模 量 较 基 体 大 、可 以 是 纤 维 状 、 颗 粒 状 或 层 片 状Al 2O 3纤 维 Al2O 3片5/

5、4/2021 4:56:03 PM 1 .2 复合材料的应用 5/4/2021 4:56:03 PM 1 .3 SiC纤维的简介 性 能 特 点1、 高 强 4.5GPa 高 模 量 200400GPa2、 化 学 稳 定 性 好 ， 耐 酸 碱3、 耐 高 温 1300 ， 强 度 不 变 ； 1000 /氧 化 气 氛 ， 强 度 不 变4、 与 各 种 基 体 相 容 性 好 金 属 基 、 陶 瓷 基 、 树 脂 基 复 合 材 料 制 造 方 法1、 先 驱 体 法烷 基 硅 烷 聚 合 纺 丝 有 机 纤 维 高 温 处 理 SiCF2、 CVD法钨 丝 碳 丝 沉 积 室 SiC

6、F SiC颗 粒 5/4/2021 4:56:03 PM 2 .SiC纤维TMMSc的简介1 . SiC纤 维 增 强 Ti基 复 合 材 料 (TMMCs)具 有 比 传 统 钛 合 金 更高 的 比 强 度 、 比 刚 度 ,更 高 的 抗 蠕 变 和 疲 劳 性 能 ,被 认 为 是 航空 压 气 机 叶 片 、 叶 环 和 轴 类 等 零 部 件 的 最 具 潜 力 的 材 料 ,从20世 纪 70年 代 以 来 一 直 受 到 各 航 空 大 国 的 广 泛 关 注 。2 . 此 外 还 可 用 于 飞 机 蒙 皮 、 支 撑 桁 梁 、 加 强 筋 等 构 件 ,可 大幅 度 提

7、高 这 些 零 部 件 的 性 能 ,减 轻 质 量 5/4/2021 4:56:04 PM 2 .1 TMMCs的界面问题1 . 由 于 Ti的 活 性 很 高 ,TMMCs在 制 备 和 高 温 服 役 过 程 中 ,SiC纤维 和 Ti合 金 之 间 会 发 生 严 重 的 界 面 化 学 反 应 ,不 但 使 纤 维 强 度剧 烈 下 降 ,而 且 所 形 成 的 脆 性 反 应 产 物 将 会 在 承 载 过 程 中 首 先产 生 裂 纹 ,对 复 合 材 料 的 力 学 性 能 产 生 不 可 接 受 的 负 面 影 响2 . 此 外 ,纤 维 与 基 体 之 间 的 热 膨 胀

8、系 数 不 匹 配 也 会 使 复 合 材 料界 面 附 近 产 生 较 大 的 热 残 余 应 力 ,在 界 面 反 应 区 和 基 体 中 形 成早 期 裂 纹 。 因 此 ,TM-MCs的 界 面 问 题 已 成 为 制 约 其 发 展 和 应用 的 突 出 问 题 ,并 一 直 成 为 该 领 域 研 究 的 热 点 5/4/2021 4:56:04 PM 3 . TMMCs的界面改性 改 善 TMMCs界 面 兼 容 性 的 方 法 包 括 纤 维 涂 层 法 和 基 体合 金 化 等 ,其 中 纤 维 涂 层 法 被 证 明 是 控 制 界 面 反 应 和 改善 残 余 应 力 的

9、 最 有 效 方 法 。 纤 维 涂 层 法 发 展 至 今 ,已 从C涂 层 等 单 一 的 涂 层 发 展 到 功 能 更 强 的 复 合 涂 层 或 功能 梯 度 涂 层 。 1.单 涂 层 涂 层 的 分 类 2.双 涂 层 3.复 合 涂 层 功 能 梯 度 涂 层 5/4/2021 4:56:04 PM 3 .1复合材料涂层设计的原则(1)涂 层 必 须 保 护 纤 维 强 度 不 受 损 伤 ,即 涂 层 不 与 纤 维 发 生 反 应(2)涂 层 必 须 提 供 足 够 的 横 向 强 度 ,从 而 使 复 合 材 料 有 较 高 横 向抗 拉 强 度 ;(3)涂 层 应 该

10、拥 有 一 定 的 延 展 性 ,以 提 供 更 高 的 界 面 韧 性 ;(4)涂 层 应 当 能 发 生 一 定 的 脱 粘 ,从 而 使 基 体 和 涂 层 中 的 裂 纹 能沿 纤 维 /涂 层 界 面 发 生 一 定 距 离 的 偏 转 ;(5)最 好 能 使 涂 层 处 于 轴 向 残 余 压 应 力 状 态 ,避 免 裂 纹 或 缺 陷 渗入 涂 层 ; 5/4/2021 4:56:04 PM 3 .2 .1 单-碳涂层的研究 C涂 层 是 发 展 较 早 、 应 用 也 最 为 广 泛 的 涂 层 如 美 国 Textron公 司 生 产 的 SCS-6 SiC纤 维 (C芯

11、),带 有 石 墨 C涂 层 ,且 其 最 外层 富 Si,涂 层 的 内 侧 富 C部 分 可 调 节 热 膨 胀 系 数 的 不 匹 配 ,外侧 富 Si部 分 是 为 了 与 基 体 中 的 Ti反 应 形 成 原 位 反 应 阻 挡 层 。 但 是 ,已 有 研 究 表 明 ,涂 层 中 的 Si原 子 参 与 界 面 反 应 后 生 成 的硅 化 物 并 不 能 有 效 阻 止 界 面 反 应 。 随 着 高 温 热 处 理 时 间 的延 长 ,涂 层 逐 渐 被 消 耗 殆 尽 ,最 后 内 部 SiC也 参 与 界 面 反 应 ，即 C涂 层 并 不 能 有 效 减 缓 纤 维

12、与 基 体 的 界 面 反 应 。 5/4/2021 4:56:05 PM 3 .2 .2单-陶瓷涂层的研究 在 已 有 C涂 层 的 基 础 上 ,具 有 耐 高 温 、 化 学 稳 定 性 较 好 的 一些 陶 瓷 材 料 通 常 也 被 考 虑 用 作 SiC纤 维 的 保 护 涂 层 。 如Al2O3、 TiBx、 VBx、 TaBx、 TiSi2、 Y2O3、 ZrO2、 TiB2、HfO2、 TiC、 TiN等 曾 被 用 作 TMMCs的 界 面 反 应 阻 挡 层 ,并希 望 成 为 相 稳 定 剂 ,可 使 界 面 附 近 的 基 体 不 易 开 裂 ,因 为 相 钛 合 金

13、 的 塑 性 比 相 钛 合 金 更 好 。 在 这 些 涂 层 中 ,只 有TiB2和 TiC涂 层 能 成 功 阻 止 SiC/Ti界 面 反 应 。 尽 管 如 此 ,TiB2和 TiC涂 层 纤 维 的 强 度 也 会 分 别 降 低 15%和 52%。 此 外 ,由 于这 些 涂 层 为 脆 性 材 料 ,在 机 械 载 荷 和 热 残 余 应 力 作 用 下 易 于首 先 开 裂 失 效 。 5/4/2021 4:56:05 PM 3 .3 .1 Ag/Ta双金属涂层的研究 从 该 设 计 原 则 考 虑 ,选 用 金 属 材 料 作 为 涂 层 似 乎 比 较 理 想 ,但 是

14、绝 大 多 数 金 属 都 会 与 SiC纤 维 发 生 反 应 ,不 发 生 反 应 的又 很 难 提 供 较 强 的 结 合 强 度 。 可 见 单 一 涂 层 很 难 同 时 满 足所 有 设 计 的 要 求 ,只 有 采 用 双 涂 层 或 复 合 涂 层 才 能 进 一 步 优化 界 面 性 能 Jeng等 研 究 了 Ag/Ta双 金 属 涂 层 对 SCS-6/Ti-25-10复 合 材 料力 学 行 为 的 影 响 。 结 果 表 明 ,Ag/Ta涂 层 能 作 为 扩 散 阻 碍 层有 效 地 控 制 界 面 反 应 ,并 能 作 为 过 渡 层 有 效 地 调 节 热 残

15、余 应力 ,因 为 Ag能 阻 碍 SCS-6与 Ta之 间 的 反 应 ,而 Ta是 一 种 相 稳定 元 素 。 但 是 ,过 强 的 界 面 剪 切 强 度 降 低 了 复 合 材 料 的 韧 性而 且 Ag和 Ta的 价 格 比 较 昂 贵 5/4/2021 4:56:05 PM 3 .3 .2稀土元素及其硼化物涂层 Deepak Upadhyaya研 究 了 稀 土 元 素 及 其 硼 化 物 涂 层Gd/GdBx对 SCS-6/Ti-6Al-4V和 SCS-6/TiAl两 种 复 合 材 料 界面 及 性 能 的 影 响 。 结 果 表 明 ,Gd/GdBx在 1000以 上 作

16、为反 应 阻 碍 层 能 有 效 地 保 护 纤 维 ,同 时 该 涂 层 能 很 好 地 调 节 热残 余 应 力 ,使 两 种 复 合 材 料 的 基 体 中 均 无 热 残 余 应 力 诱 导 的裂 纹 存 在 ,但 是 GdBx涂 层 中 仍 有 生 长 裂 纹 ,对 此DeepakUpadhyaya建 议 在 GdBx涂 层 表 面 沉 积 一 薄 层 的 Gd来 填 充 那 些 生 长 裂 纹 。 但 是 Gd/GdBx极 易 被 氧 化 ,因 此 给 制备 带 来 了 困 难 。 5/4/2021 4:56:05 PM 3 .3 .3 C/TiC/Ti功能梯度涂层 Choy提 出

17、 了 C/TiC/Ti功 能 梯 度 涂 层 的 方 案 ,C涂 层 既 可以 防 止 Si的 扩 散 ,又 可 以 作 为 热 残 余 应 力 的 缓 解 层 ;TiC层 实 际 上 为 Ti含 量 和 C含 量 梯 度 变 化 的 涂 层 ,能 进 一 步阻 止 界 面 反 应 ;Ti涂 层 的 作 用 是 提 高 纤 维 /基 体 结 合 强度 ,从 而 有 效 发 挥 纤 维 的 承 载 功 效 。 该 方 法 只 用 到 C和Ti两 种 元 素 ,比 较 经 济 ,也 解 决 了 SiC/Ti界 面 问 题 ,但 作 者没 有 进 行 进 一 步 实 验 研 究 。 5/4/2021

18、 4:56:05 PM 3 .3 .4 Ti/Y/Ti和C/SiC两种涂层 Majumdar提 出 了 Ti/Y/Ti和 C/SiC两 种 涂 层 系 统 。 Ti/Y/Ti系 统 的设 计 理 由 是 :靠 近 纤 维 表 面 的 薄 的 Ti涂 层 与 纤 维 反 应 形 成 合 适 的界 面 结 合 强 度 ;Y涂 层 因 与 纤 维 之 间 不 发 生 界 面 反 应 ,形 成 物 理 结合 ,所 以 既 可 作 为 扩 散 阻 挡 层 ,又 能 使 扩 展 到 纤 维 附 近 的 裂 纹 发 生偏 转 ;最 外 层 的 Ti涂 层 是 为 了 防 止 内 层 涂 层 被 氧 化 或

19、污 染 。 结 果表 明 ,纤 维 的 原 位 强 度 急 剧 下 降 ,复 合 材 料 横 向 强 度 也 较 低 ,可 能 是由 于 Y层 吸 氧 及 其 溅 射 态 的 柱 状 晶 结 构 所 致 。 C/SiC涂 层 (C涂 层靠 近 纤 维 一 侧 ,SiC靠 近 基 体 一 侧 )则 使 纤 维 的 原 位 强 度 得 到 了 保护 ,复 合 材 料 也 同 时 具 有 较 好 的 横 向 和 纵 向 力 学 性 能 。 该 涂 层 体系 虽 然 制 备 方 便 ,但 一 方 面 由 于 SiC层 作 为 反 应 牺 牲 层 ,在 700以上 时 反 应 消 耗 速 度 较 快 ,

20、因 此 该 涂 层 在 该 温 度 下 使 用 是 不 可 取 的 ;另 一 方 面 ,增 加 的 SiC层 将 增 大 纤 维 的 直 径 ,因 而 需 要 考 虑 所 用 纤维 在 复 合 材 料 中 的 有 效 体 积 分 数 。 5/4/2021 4:56:05 PM 3 .3 .5 Cu/Mo和Cu/W双金属涂层 Guo等 研 究 了 Cu/Mo和 Cu/W双 金 属 涂 层 对 SCS-6/Ti-15-3复 合 材 料 界 面 和 力 学 性 能 的 影 响 ,发 现 两 种 双 金 属 涂 层 都 能减 缓 界 面 反 应 速 度 ,但 Cu/Mo涂 层 更 有 利 于 提 高

21、复 合 材 料 的轴 向 拉 伸 性 能 和 抗 疲 劳 性 能 ,如 表 1所 示 。 热 暴 露 条 件 对 复合 材 料 界 面 和 力 学 性 能 (如 轴 向 和 横 向 拉 伸 强 度 、 断 裂 韧 性 、蠕 变 和 疲 劳 性 能 等 )的 影 响 规 律 ,还 有 待 于 深 入 细 致 的 研 究 5/4/2021 4:56:05 PM 3 .3 .6 TMMCs中各涂层的作用 5/4/2021 4:56:06 PM 3 .3 .7我国对纤维涂层的研究 目 前 我 国 对 SiC/Ti界 面 改 性 的 研 究 还 主 要 停 留 在 C涂 层 的 使用 ,研 究 单 位

22、主 要 有 西 北 工 业 大 学 和 中 国 科 学 院 等 ， 而 国 外则 大 多 是 在 已 有 富 C涂 层 基 础 上 展 开 的 研 究 (如 前 文 所 述 ),可 见 我 国 与 国 外 还 存 在 较 大 差 距 。 蔡 杉 等 研 究 了 富 碳 B4C涂 层 对 复 合 材 料 界 面 及 力 学 性 能 的 影 响 ,结 果 表 明 ,该 涂 层能 有 效 阻 隔 纤 维 与 基 体 的 不 良 反 应 ， 但 是 B4C作 为 反 应 牺牲 层 ,所 起 的 作 用 与 C涂 层 相 当 。 王 玉 敏 等 近 来 报 道 了 采 用C/AlN和 C/Al 2O3梯

23、 度 涂 层 进 行 界 面 改 性 ,其 调 控 能 力 和 机 理正 在 进 一 步 研 究 中 。5/4/2021 4:56:06 PM 4 .结束语 综 上 所 述 ,选 择 SiC纤 维 表 面 涂 层 要 从 保 护 纤 维 、 阻 挡 界 面反 应 、 改 善 界 面 结 合 、 调 和 热 残 余 应 力 等 方 面 进 行 综 合 考虑 。 单 一 的 涂 层 通 常 难 以 实 现 以 上 所 有 功 能 ,而 双 涂 层 或 复合 涂 层 、 功 能 梯 度 涂 层 则 可 同 时 满 足 较 多 的 功 能 需 求 ,是 更有 发 展 前 景 的 涂 层 。 除 了 涂

24、 层 的 有 效 性 之 外 ,还 要 考 虑 到 涂层 制 备 的 可 行 性 和 经 济 性 ,尽 量 降 低 成 本 ,减 少 制 备 难 度 和环 境 污 染 。 总 体 看 来 ,在 已 有 富 C涂 层 基 础 上 发 展 有 惰 性 金属 的 复 合 涂 层 是 较 为 经 济 适 用 的 方 法 如 Ti/Y/Ti或 Ti/Gd/Ti涂层 体 系 ,通 过 高 真 空 多 靶 磁 控 溅 射 技 术 制 备 复 合 涂 层 ,彻 底解 决 Y或 Gd的 氧 化 问 题 ,可 用 基 体 材 料 制 备 Ti层 。 总 之 ,发 展涂 层 研 究 将 极 大 地 改 善 SiC/

25、Ti界 面 相 容 性 ,进 一 步 推 进TMMCs在 宇 航 领 域 的 发 展 和 应 用 5/4/2021 4:56:06 PM 5 .参考文献 1. Leyens C, Hausmann J, Kumpfert J. Continuous fiber rein-forced titanium matrix composites: Fabrication, properties and applicationJ. Adv Eng Mater,2003,5(6):399 2. Matikas, Theodeore E. High temperature fiber fragmenta-t

26、ion characteristics of SiC single-fiber composite with tita-nium matricesJ. Adv Compos Mater,2008,17(1):75 3. 陈 振 中 ,金 业 壮 ,陈 礼 清 .铝 、 钛 基 复 合 材 料 在 航 空 发 动 机 上 的 应 用 分析 J.航 空 发 动 机 ,2006,32(4):40 4. 王 玉 敏 ,肖 鹏 ,石 南 林 ,等 . SiC纤 维 增 强 钛 基 复 合 材 料 界 面 研 究 及 构 件研 制 J.中 国 材 料 进 展 ,2010,29(5):9 5. 杨 延 清 ,朱 艳 ,马 志 军 ,等 . SiC长 纤 维 增 强 Ti基 复 合 材 料 的 制 备 J.机 械科 学 与 技 术 ,2002,21(3):424 6. Deepak Upadhyaya. Development of a superior coating sys-tem for continuous silicon carbide fibers for use in titanium based metal matrix composites D. Idaho:University of I-daho,1995 5/4/2021 4:56:06 PM