不同界面SiC纖維束復合材料的拉伸力學行為

何宗倍，張瑞謙，付道貴，李 鳴，陳招科，邱邵宇

(1中國核動力研究設(shè)計院 反應(yīng)堆燃料及材料國家重點實驗室，成都 610213； 2中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；3中國核動力研究設(shè)計院 核燃料元件及材料研究所，成都 610213)

連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料(SiCf/SiC) 因具有耐高溫、抗熱震、低活化、耐輻照以及耐腐蝕等優(yōu)異性能，被認為是新型耐事故燃料包殼的理想候選材料之一[1-3]。SiCf/SiC復合材料區(qū)別于單體SiC陶瓷的關(guān)鍵就在于其具有較高的斷裂韌度和較好的塑性，不會發(fā)生脆性斷裂失效，而界面則為影響這一性能特征的關(guān)鍵因素[4-8]。

對SiC陶瓷基復合材料而言，界面結(jié)合強度過高或過低均對其力學性能有不利影響。當界面結(jié)合強度較高時，界面脫粘和纖維拔出較為困難，這使得基體裂紋不易偏轉(zhuǎn)，進而容易導致復合材料發(fā)生脆性斷裂；而當界面結(jié)合較弱時，界面?zhèn)鬏d能力較差，這又會影響復合材料的整體承載。如Droillard等研究了SiCf/SiC復合材料的斷裂韌度與PyC/SiC多層復合界面厚度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)較強的界面結(jié)合對提高材料的斷裂韌度有利[4]。界面結(jié)合強度除了與界面本身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)外還與SiC纖維有著密切的聯(lián)系。Brusson等以Hi-Nicalon S纖維和Tyranno-SA3纖維為對象研究了界面與纖維的匹配關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)界面結(jié)合強度會受纖維表面的粗糙度影響[5]。Rebillat等的研究結(jié)果也同樣表明纖維表面特征會影響界面結(jié)合強度[6-7]。而孟志新等的研究表明由于PyC界面對SiC纖維表面缺陷的修復作用，含PyC界面的SiC纖維束復合材料的拉伸強度、伸長率和Weibull模數(shù)均有明顯提高[9]。

SiCf/SiC復合材料的界面主要包含熱解炭界面(PyC)和PyC/SiC復合界面等，而目前對界面結(jié)合強度的優(yōu)化主要通過界面厚度的調(diào)整來實現(xiàn)[10-14]。而針對不同類型的SiC纖維，其表面粗糙度以及由于纖維和基體熱膨脹系數(shù)失配導致的界面熱殘余應(yīng)力均有較大差異，這些都會對SiCf/SiC復合材料的界面結(jié)合強度造成較大影響。為此，本工作針對國產(chǎn)三代SiC纖維，開展了不同界面SiC纖維束復合材料的制備，并對其拉伸力學性能進行了研究，同時通過有限元方法對不同界面厚度以及基體體積分數(shù)的纖維束復合材料進行了熱殘余應(yīng)力分析。

1 實驗材料與方法

SiC纖維束復合材料通過化學氣相滲透工藝(CVI)制備，制備PyC界面時，以C3H6為源氣，氬氣為稀釋氣體，沉積溫度在900℃左右。在完成界面沉積后，利用CVI工藝繼續(xù)進行SiC基體沉積，SiC基體沉積以三氯甲基硅烷為源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體，氫氣為載氣，沉積溫度在1050℃左右。為對比不同界面厚度和基體體積分數(shù)的SiC纖維束復合材料的拉伸性能，制備了4種SiC纖維束復合材料，分別標記為A，B，C和D。4種SiC纖維束復合材料的界面厚度、纖維和基體體積分數(shù)如表1所示。

表1 4種SiC纖維束復合材料的界面厚度、纖維和基體體積分數(shù)Table 1 Interface thicknesses, fiber and matrix volumefractions of four types of SiC fiber bundle reinforcedcomposites

采用INSTRON 3369型電子萬能材料試驗機對SiC纖維束復合材料進行拉伸力學性能測試，測試前將纖維束兩端的加強片固定于力學測試儀器的夾持器上，測試時采用位移控制，加載速率為0.2mm/min，拉伸標距為50mm，圖1為加載示意圖。測試時SiC纖維束復合材料的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變按如下公式計算：

σ=P/A，ε=Δl/l

(1)

式中：σ為拉伸強度；P為斷裂載荷；A為SiC纖維束復合材料的橫截面面積；ε為拉伸應(yīng)變；Δl和l分別為試樣的拉伸伸長量和拉伸標距。測試后通過掃描電鏡對試樣進行斷口觀察。

圖1 SiC纖維束復合材料拉伸力學性能測試示意圖Fig.1 Diagram for tensile mechanical property test ofSiC fiber bundle reinforced composites

2 熱殘余應(yīng)力分析

雖然理論上SiC纖維和CVI-SiC基體具有相近的熱膨脹系數(shù)，但由于實際獲得的SiC纖維在成分以及結(jié)晶度等方面與SiC基體存在明顯差異，因而兩者的熱膨脹系數(shù)并不相同，這使得SiCf/SiC復合材料從制備溫度冷卻到室溫時其界面會存在明顯的熱殘余應(yīng)力。為了解界面附近的熱殘余應(yīng)力分布特征，本工作利用ANSYS有限元軟件對SiC纖維束復合材料進行了熱殘余應(yīng)力分析。分析時以單根SiC纖維絲、界面及其周圍的基體為對象，并主要考慮其橫截面內(nèi)的應(yīng)力分布，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。在圖2(a)中纖維的半徑Rf為定值6μm，界面厚度Ri考慮50，100，200，300nm和400nm 5個值。若假設(shè)纖維、界面和基體在纖維束復合材料的軸向具有相同的長度，則SiC纖維束復合材料中基體的體積分數(shù)為Vm=1-(Rf+Ri)2/(Rf+Ri+Rm)2，該式中Rm為基體厚度值。建立幾何模型時，一旦界面厚度確定，則可由上式確定不同基體體積分數(shù)時模型中對應(yīng)的Rm值，基體體積分數(shù)考慮50%，60%，70%和80%這4個值?？紤]到模型的對稱性，僅選取其1/4進行有限元分析，并采用Plane183單元進行網(wǎng)格劃分。SiC纖維、PyC界面以及CVI-SiC基體的材料屬性如表2所示[15-16]。計算時參考溫度設(shè)置為1050℃，而均勻溫度設(shè)置為25℃，在模型左側(cè)和下側(cè)兩條邊界上設(shè)置對稱邊界條件，如圖2(b)所示。

圖2 SiC纖維束復合材料有限元分析模型(a)結(jié)構(gòu)模型示意圖；(b)劃分網(wǎng)格后的模型及邊界條件Fig.2 Finite element analysis model of the SiC fiber bundle reinforced composites(a)schematic of the structure model;(b)meshed model and boundary conditions

ConstituentElasticmodulus/GPaPoissonratioCoefficient of thermalexpansion/(10-6K-1)SiC fiber3420.203.7PyC interface350.235.6SiC matrix3500.214.6

3 結(jié)果與討論

3.1 界面熱殘余應(yīng)力

圖3給出了基體體積分數(shù)和界面厚度對徑向熱殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，其中圖3(a)為不同基體體積分數(shù)下界面徑向熱殘余應(yīng)力隨界面厚度的變化規(guī)律，可知，當界面厚度一定時，基體體積分數(shù)越大界面所受徑向壓應(yīng)力也越大，而當基體體積分數(shù)一定時界面徑向壓應(yīng)力隨界面厚度的增加而減小。對于纖維增強陶瓷基復合材料，其界面結(jié)合強度τi可表示為：

τi=μ(σth+σR)

(2)

式中：μ為界面摩擦因數(shù)；σth為界面徑向熱殘余應(yīng)力；σR為纖維粗糙度引起的徑向應(yīng)力。由式(2)可知，當纖維粗糙度一定時，界面徑向熱殘余應(yīng)力越大其界面結(jié)合強度越高。因而由圖3(a)中的結(jié)果可知，SiC纖維束復合材料中的基體體積分數(shù)越大時，其界面徑向結(jié)合強度越大，纖維拔出越難，而界面厚度的增加可以降低界面結(jié)合強度。圖3(b)為基體體積分數(shù)為80%時，界面厚度不同時徑向熱殘余應(yīng)力沿著纖維、界面和基體的分布特征，由圖可知，界面厚度越大，纖維受到的壓應(yīng)力越小，且徑向壓應(yīng)力在纖維內(nèi)部基本恒定，但在基體中其值會隨著與界面距離的增加而逐漸減小。

圖4給出了基體體積分數(shù)和界面厚度對環(huán)向熱殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，其中圖4(a)為不同基體體積分數(shù)下界面環(huán)向熱殘余應(yīng)力隨界面厚度的變化規(guī)律，由圖可知，界面環(huán)向熱殘余應(yīng)力的變化規(guī)律與徑向熱殘余應(yīng)力一致，但其值小于徑向熱殘余應(yīng)力。圖4(b)為基體體積分數(shù)為80%時，界面厚度不同時環(huán)向熱殘余應(yīng)力沿著纖維、界面和基體的分布特征，由圖可知，在纖維內(nèi)部環(huán)向熱殘余應(yīng)力也基本恒定，但其值會隨著界面厚度的增加而略微減小，但在基體內(nèi)環(huán)向熱殘余應(yīng)力與徑向熱殘余應(yīng)力在分布特征上有較大差異，這主要表現(xiàn)為在界面附近基體的環(huán)向熱殘余拉應(yīng)力會達到最大值，而該值隨后又會隨著與界面距離的增大而逐漸減小。

3.2 應(yīng)力應(yīng)變與強度特征

圖5為SiC纖維束復合材料A，B和C的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖5可知，3種纖維束復合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈線性特征，這意味著上述SiC纖維束復合材料在基體開裂后不久就發(fā)生了整體斷裂失效，其在拉伸應(yīng)力作用下未經(jīng)歷明顯的基體裂紋飽和、界面脫粘和滑移等能量耗散過程。這是由于上述3種纖維束復合材料均具有較高的基體含量，這使得界面處存在較大的徑向壓應(yīng)力，進而導致界面較難發(fā)生脫粘滑移。由于界面不容易脫粘，基體裂紋間距較小，局部會發(fā)生應(yīng)力及能量集中，裂紋容易沿垂直加載方向擴展，這將導致纖維束復合材料過早發(fā)生斷裂[17]。從圖5也可發(fā)現(xiàn)，雖然上述纖維束復合材料的拉伸強度隨著界面厚度的增加而增大，但其值仍偏低。

圖3 基體體積分數(shù)和界面厚度對徑向熱殘余應(yīng)力的影響(a)Vm=50%,60%,70%和80%時界面徑向熱殘余應(yīng)力隨界面厚度的變化規(guī)律；(b)Vm=80%時徑向熱殘余應(yīng)力的分布特征Fig.3 Effects of matrix volume fraction and interface thickness on radial thermal residual stress(a)variations of interface radial thermal residual stress with interface thickness for Vm=50%,60%,70% and 80%;(b)distribution characteristics of radial thermal residual stress for Vm=80%

圖4 基體體積分數(shù)和界面厚度對環(huán)向熱殘余應(yīng)力的影響(a)Vm=50%，60%，70%和80%時界面環(huán)向熱殘余應(yīng)力隨界面厚度的變化規(guī)律；(b)Vm=80%時環(huán)向熱殘余應(yīng)力的分布特征Fig.4 Effects of matrix volume fraction and interface thickness on hoop thermal residual stress(a)variations of interface hoop thermal residual stress with interface thickness for Vm=50%,60%,70% and 80%;(b)distribution characteristics of hoop thermal residual stress for Vm=80%

圖5 SiC纖維束復合材料A，B和C的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curves of SiC fiber bundlereinforced composites A, B and C

圖6為SiC纖維束復合材料D的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖6可知，該類纖維束復合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線按斜率可分為兩個部分，而這兩部分拐點的應(yīng)力值在400MPa左右。當應(yīng)力遠小于400MPa時，SiC纖維束復合材料的基體和纖維均處于彈性階段，而隨著應(yīng)力逐漸接近400MPa，基體裂紋開始出現(xiàn)，但此時裂紋數(shù)量仍較少，且這些基體裂紋還未引起界面脫粘，因而能量耗散較少，這使得該階段整體呈近似線性特征；而當應(yīng)力大于400MPa時，界面開始發(fā)生脫粘，同時基體裂紋密度逐漸飽和[17]，此時纖維成為主要的承載單元，這使得應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率降低，同時由于某些纖維發(fā)生斷裂，該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線還具有鋸齒狀特征。雖然SiC纖維束復合材料D與B具有相同的界面厚度，但前者的基體體積含量更低，這使其界面徑向熱殘余應(yīng)力更小，因而界面更容易發(fā)生脫粘。界面脫粘后，基體裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擴展路徑加長，且由于裂紋不在一個橫截面上擴展，因此減輕了纖維應(yīng)力集中，同時也減緩了斷裂過程；另一方面，基體裂紋張開并擴展后，界面脫粘使連續(xù)纖維在脫粘長度范圍內(nèi)承受了更高的應(yīng)力，纖維性能得到了更大程度的發(fā)揮[17-18]，這些都對提高SiC纖維束復合材料的強度有利，因而SiC纖維束復合材料D的強度要大于SiC纖維束復合材料B。

圖6 SiC纖維束復合材料D的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Tensile stress-strain curves of SiC fiber bundlereinforced composites D

另外，陶瓷基復合材料的基體體積分數(shù)也可從另外一個角度影響其拉伸強度。由參考文獻[19]可知，陶瓷基復合材料的拉伸強度可由下式計算：

(3)

式中：K為基體裂紋擴展至纖維處時裂紋前端的應(yīng)力集中系數(shù)；σf為纖維拉伸強度；σm為基體拉伸強度；αc為臨界面積縮減率，其意義為復合材料拉伸裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展時的橫截面積與原始橫截面積的比值[20]。在纖維增強陶瓷基復合材料中，基體裂紋附近的應(yīng)力場會因纖維橋連機制的存在而發(fā)生重新分配，這使得裂紋前端應(yīng)力場得到緩解[21]，但當基體體積分數(shù)較高時，纖維的這一作用會減弱，這間接導致基體裂紋尖端應(yīng)力集中系數(shù)K增大；而由于陶瓷材料本身抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力較差，過高的基體體積分數(shù)還會導致陶瓷基復合材料損傷容限降低，因而在拉伸應(yīng)力作用下其發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴展的臨界橫截面積會增大，這意味著αc增大。由以上分析并結(jié)合式(3)可知過高的基體體積分數(shù)將對提高SiC纖維束復合材料的拉伸強度不利。

3.3 斷口形貌

圖7為SiC纖維束復合材料A，B和C的拉伸斷口形貌，由圖7可知，隨著界面厚度的增加SiC纖維束復合材料的纖維拔出長度逐漸增大，3種纖維束復合材料的最大纖維拔出長度分別約為20，60μm和170μm。圖8為SiC纖維束復合材料D的拉伸斷口形貌特征，由圖8可知，該類纖維束復合材料的拉伸斷口具有較多的纖維拔出，且其拔出長度最大值在270μm左右。

圖7 SiC纖維束復合材料A，B和C的拉伸斷口形貌 (a)A類試樣；(b)B類試樣；(c)C類試樣Fig.7 Tensile fracture morphologies of SiC fiber bundle reinforced composite A,B and C(a)A type specimen;(b)B type specimen;(c)C type specimen

圖8 SiC纖維束復合材料D拉伸斷口形貌Fig.8 Tensile fracture morphologies of SiC fiber bundlereinforced composite D

由界面脫粘模型可知[22-23]，初始基體裂紋形成后，基體裂紋處的纖維脫粘長度ld≤lc/2，其中l(wèi)c為基體初始裂紋間距，而纖維斷裂時的拔出長度lf≤2ld，由上述關(guān)系可得纖維斷裂時的拔出長度最大值應(yīng)與初始裂紋間距相近。而基體裂紋飽和時的裂紋間距l(xiāng)cs應(yīng)滿足lcs≤lc。如果令圖7和圖8中的纖維最大拔出長度近似等于lc，則可得SiC纖維束復合材料A，B，C和D的飽和裂紋間距的最大值分別為20，60，170μm和270μm。由于飽和裂紋間距與界面結(jié)合強度τi存在如下關(guān)系[24]：

(4)

式中σs為基體裂紋飽和時的應(yīng)力值，對于本工作中的4類纖維束復合材料，由圖5和圖6中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征可知其值可分別取為143，217，349MPa和400MPa。則由式(4)最終計算可得SiC纖維束復合材料A，B，C和D界面結(jié)合強度的最小值分別為182，92，52MPa和10MPa。

圖9為SiC纖維束復合材料A的拉伸斷口橫截面形貌。由于該類復合材料具有較高的基體體積分數(shù)和較小的界面厚度，因而其界面結(jié)合強度較高，這導致其橫截面較多的纖維發(fā)生無拔出斷裂，如圖9(a)所示，這些纖維的斷裂面與基體的斷裂面幾乎平齊，這表明其斷裂時幾乎未發(fā)生界面滑移。而在圖9(b)中還可發(fā)現(xiàn)，在界面附近的基體上出現(xiàn)了軸向基體裂紋，這表明基體受到較大的環(huán)向拉應(yīng)力作用，這與圖4中的環(huán)向熱殘余應(yīng)力的計算結(jié)果具有一致性。

圖9 SiC纖維束復合材料A拉伸斷口橫截面形貌(a)纖維斷裂特征；(b)基體軸向裂紋Fig.9 Cross-section morphologies of tensile fracture of SiC fiber bundle composite A(a)fracture characteristics of fiber;(b)matrix longitudinal crack

4 結(jié)論

(1)由于SiC纖維與SiC基體熱膨脹系數(shù)的差異，SiC纖維束復合材料仍存在明顯的徑向熱殘余應(yīng)力和環(huán)向熱殘余應(yīng)力；對纖維而言其所受徑向和環(huán)向熱殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而對基體而言其所受徑向熱殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力而環(huán)向熱殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。

(2)由于基體體積分數(shù)增大會使界面結(jié)合強度提高，因而過高的基體體積分數(shù)對SiC纖維束復合材料的韌性和強度均有不利影響。為使SiC纖維束復合材料在較高的基體體積分數(shù)下仍具有較好的韌性和強度，其需要有較大的界面厚度。

(3)針對國產(chǎn)SiC纖維開展復合材料界面厚度的優(yōu)化時需要考慮熱殘余應(yīng)力的影響，同時還需兼顧其與基體體積分數(shù)的匹配。