论文部分内容阅读
发展连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(SiC-CMC,包括C/SiC和SiC/SiC)复杂构件的制备技术是该新型复合材料应用的基础。我超高温结构复合材料重点实验室,基于化学气相渗透(CVI)工艺,在国际上率先发展了“CVI-C/SiC在线气相铆接技术”,成功解决了C/SiC复杂构件的制备难题,实现了C/SiC材料/结构一体化设计与制备,并在航空、航天器内外防热等结构中成功验证与应用。然而,与金属的螺栓或铆钉连接相比,由于C/SiC铆钉内部存在孔隙和微裂纹,使CVI-C/SiC铆接结构设计具有特殊性。本文以CVI-C/SiC铆接法制备的2D C/SiC单钉和多钉铆接单元为研究对象,从细观力学角度研究了2D C/SiC复合材料的结构单元性能、基本力学性能与2D C/SiC单钉铆接单元拉伸性能的关系;基于损伤力学建立了2D C/SiC单钉铆接单元的非线性有限元模型,模拟其非线性拉伸行为和铆钉剪断失效过程;还研究了氧化损伤对2D C/SiC单钉和多钉铆接单元拉伸行为的影响。上述研究为建立2D C/SiC铆接结构的设计准则奠定了基础,对发展2D C/SiC复杂构件的制备技术具有重要学术价值和应用前景。主要研究内容与结果如下:(1)研究了2D C/SiC铆钉总气孔率对2D C/SiC单钉铆接单元拉伸行为与失效机制的影响。表明:(a)在2D C/SiC单钉铆接单元拉伸过程中,铆钉受弯剪耦合应力作用而剪断失效,界面滑移与纤维桥联为铆钉剪断的失效机制。(b)2D C/SiC单钉铆接单元的铆钉剪断强度随铆钉总气孔率增大呈指数下降。为定量表征该强度下降规律,本文建立了2D C/SiC单钉铆接单元的修正刚体块滑移模型,计算表明铆钉剪断强度等于纤维桥联应力的弯曲应力分量与2D C/SiC复合材料的面剪强度之和。(c)为模拟其非线性拉伸行为与铆钉剪断失效过程,本文建立了2D C/SiC单钉铆接单元的非线性有限元模型,计算表明其非线性拉伸行为受控于铆钉的弯剪耦合失效,从而验证了修正刚体块滑移模型的正确性。(2)通过修正刚体块滑移模型,研究了氧化损伤对2D C/SiC复合材料力学行为和2D C/SiC铆接单元拉伸行为的影响。表明:(a)随氧化失重率增大,2D C/SiC复合材料的拉伸、面剪和层剪强度呈线性下降,2D C/SiC铆钉剪断强度呈指数下降,该下降规律均由2D C/SiC复合材料结构单元氧化前后的性能变化所致。(b)碳相氧化降低了2D C/SiC复合材料的界面滑移应力、基体断裂能和界面传载效率,使裂纹偏转机制由700℃氧化前后的双边偏转变为1000和1300℃氧化后的单边偏转。(3)通过2D C/SiC多钉铆接单元的拉伸应力-位移曲线和孔周应变-拉伸应力曲线,研究了其氧化前后的钉载分配。表明:(a)双钉纵排、三钉纵排和双钉横排铆接单元的铆钉剪断强度与单钉的相同,其钉载分配均匀。(b)三钉横排、三钉三角和四钉正方铆接单元的铆钉剪断强度比单钉的小,其钉载分配不均匀,这源于其各铆钉密度不一致。(c)氧化不改变多钉铆接单元的钉载分配,而氧化后大规模的纤维桥联/拔出使钉载分配趋于均匀。(4)针对2D C/SiC铆接单元的微结构和几何特征,优化了单钉铆接单元的拉伸性能。表明:(a)铆接区域的微结构特征具有非均匀性和随机性,如钉孔界面非均匀粘接、铆接板间非均匀粘接、铆接板孔周基体富集和孔隙随机分布。(b)钉孔界面粘接强度越高,2D C/SiC单钉铆接单元的拉伸性能越好。(c)2D C/SiC铆钉剪断失效的临界直径为4.3 mm,2D SiC/SiC铆钉为5.5 mm,3DN C/SiC铆钉为5.1 mm。(d)若铆钉直径相同,2D SiC/SiC铆钉剪断强度比2D C/SiC和3DN C/SiC的高。