【摘 要】
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连续SiC纤维增强Ti基复合材料具有高比强度、高比刚度以及良好的耐高温、抗蠕变及优异的疲劳性能,广泛适用于不高于800℃的工作环境,是制备轻质化结构件的理想选材,在航空航天领域应用前景广泛。然而SiCf/Ti复合材料也有其局限性:一方面,通过各种方法制备的SiCf/Ti复合材料会在纤维与基体间产生含脆性物质的反应层,并且复合材料制备完成降温时,不可避免的会产生热残余应力,这都在一定程度上影响其力学
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连续SiC纤维增强Ti基复合材料具有高比强度、高比刚度以及良好的耐高温、抗蠕变及优异的疲劳性能,广泛适用于不高于800℃的工作环境,是制备轻质化结构件的理想选材,在航空航天领域应用前景广泛。然而SiCf/Ti复合材料也有其局限性:一方面,通过各种方法制备的SiCf/Ti复合材料会在纤维与基体间产生含脆性物质的反应层,并且复合材料制备完成降温时,不可避免的会产生热残余应力,这都在一定程度上影响其力学性能;另一方面,SiCf/Ti复合材料具有各向异性,其横向强度通常只有纵向强度的1/3,由于SiCf/Ti复合材料在服役时难免受到横向载荷,因此研究其横向性能十分必要。本文通过Abaqus有限元分析软件,根据复合材料细观结构的对称性分布,选取体积代表单元建立了二维平面应变有限元模型,分析了纤维排布方式(四方、六方)、纤维体积分数(25~55%)、界面反应层(Ti C)厚度(0.5~1.3μm)等因素对SiCf/TC17复合材料各组分径向、环向热残余应力分布规律的影响。结果表明:一般情况下,纤维六方排布对比纤维四方排布有更均匀的热残余应力分布,纤维四方排布的复合材料受到更大的径向热残余压应力和环向热残余拉应力。纤维体积分数增加,会降低纤维与界面所受径向热残余压应力,增大基体所受的环向拉应力;纤维体积分数越高,复合材料内部各组分的热残余应力分布均匀性越差;界面反应层厚度对热残余应力影响较小。在热残余应力场的基础上,研究了复合材料界面反应层处受横向载荷时应力分布规律,并通过引入双线性内聚力模型探究了不同纤维体积分数(25~45%)、不同温度(25~400℃)和不同纤维排布方式(四方、六方)对SiCf/TC17复合材料界面失效机制、失效范围以及横向力学性能的影响。结果表明:界面结合强度一定时,纤维体积分数的增加和服役温度升高,会使横向拉伸载荷下的SiCf/TC17复合材料界面失效机制由剪切失效转变为径向失效,而纤维排布方式对界面失效机制影响不大;常温下,纤维体积分数在25%~45%的区间内,SiCf/TC17复合材料界面失效机制为剪切失效;纤维体积分数为25%时,复合材料界面在服役温度200℃以下为剪切失效,200℃以上为径向失效;复合材料界面失效范围以四分之一圆周计约为0°至75°。常温下,随着纤维体积分数由25%升至45%,纤维四方排布复合材料的界面初始分离应力由343MPa降至250MPa,最终横向失效应力由459MPa降至248MPa;纤维六方排布的界面初始分离应力由261MPa降至250MPa,最终横向失效应力由390MPa降至290MPa;固定25%纤维体积分数且四方排布下,随着服役温度由25℃上升至400℃,复合材料界面初始分离应力由343MPa降至309MPa,最终横向失效应力由459MPa降至348MPa;显然纤维体积分数的增加,服役温度的升高会导致复合材料横向力学性能下降;就纤维排布方式而言,纤维体积分数低于35%时四方排布横向性能更优异,高于35%以纤维六方排布为宜。另外,来自径向的热残余应压力能明显阻碍复合材料界面脱粘,界面失效后复合材料最终的横向性能在很大程度上取决于基体合金的强度。
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