JaciyChenSiC纤维增强钛基复合材料的界面改性研究

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9/1/202311:48:51PM1.1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：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，与一般材料的简单混合有本质区别。9/1/202311:48:51PM1.1.1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9/1/202311:48:51PM1.1.2复合材料的结构模式复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Al2O3纤维Al2O3片9/1/202311:48:51PM1.2复合材料的应用9/1/202311:48:51PM1.3SiC纤维的简介性能特点1、高强4.5GPa

高模量

200~400GPa2、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→

SiCFSiC颗粒9/1/202311:48:51PM2.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,可大幅度提高这些零部件的性能,减轻质量9/1/202311:48:51PM2.1TMMCs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9/1/202311:48:51PM3.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9/1/202311:48:51PM

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;9/1/202311:48:51PM3.2.1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-6SiC纤维(C芯),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与基体的界面反应。9/1/202311:48:51PM3.2.2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β相稳定剂,可使界面附近的基体不易开裂,因为β相钛合金的塑性比α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。9/1/202311:48:51PM3.3.1Ag/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余应力,因为Ag能阻碍SCS-6与Ta之间的反应,而Ta是一种β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9/1/202311:48:51PM3.3.2稀土元素及其硼化物涂层DeepakUpadhyaya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。9/1/202311:48:51PM3.3.3C/TiC/Ti功能梯度涂层Choy提出了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。9/1/202311:48:51PM3.3.4Ti/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,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。9/1/202311:48:51PM3.3.5

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9/1/202311:48:51PM3.3.6TMMCs中各涂层的作用9/1/202311:48:51PM3.3.7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/Al2O3梯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。9/1/202311:48:51PM4.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/Ti界面相容性,进一步推进TMMCs在宇航领域的发展和应用9/1/202311:48:51PM5.参考文献1.LeyensC,HausmannJ,KumpfertJ.Continuousfiberrein-forcedtitaniummatrixcomposites:Fabrication,propertiesandapplication[J].AdvEngMater,2003,5(6):3992.Matikas,TheodeoreE.Hightemperaturefiberfragmenta-tioncharacteristicsofSiCsingle-fibercompositewithtita-niummatrices[J].AdvComposMater,2008,17(1):753.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):404.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