2.3　纖維種類與復合材料的強韌化

不同種類的纖維具有不同的熱膨脹性能和模量，導致其與基體的匹配程度不同。SiC纖維與SiC基體的熱膨脹和模量匹配程度優(yōu)于C纖維，表現(xiàn)出更好的強韌化作用，在纖維束復合材料和編織結構復合材料中都有體現(xiàn)。

2.3.1　纖維束復合材料的強韌性

通常，纖維束復合材料也稱作Mini復合材料。1k Mini-C/SiC和0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的拉伸性能如表2-1所示。表中C.V代表變異系數(shù)，是衡量數(shù)據(jù)分散性的參數(shù)。還需要說明的是，這兩種纖維束復合材料所用纖維分別是日本Toray公司的1k T-300 C纖維和日本碳素公司生產(chǎn)的0.5k Hi-Nicalon SiC纖維。制備這兩種纖維束復合材料PyC界面相和SiC基體的工藝相同。此外，對1k Mini-C/SiC復合材料在沉積基體前先對纖維預制體進行了熱處理，其與0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的纖維體積分數(shù)分別為44%和26%。未考慮纖維體積分數(shù)的影響時，對比這兩種纖維束復合材料的強韌性（表2-1）可知，0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的拉伸性能低于1k Mini-C/SiC復合材料的拉伸性能，其拉伸強度、延伸率以及斷裂功分別比1k Mini-C/SiC復合材料的低42%、10%和45%。纖維體積分數(shù)是影響復合材料拉伸性能的重要因素，因此對比復合材料拉伸性能時應考慮纖維體積分數(shù)對拉伸性能的影響。

纖維體積分數(shù)對復合材料拉伸性能的影響如圖2-3所示。從圖中可見，1k Mini-C/SiC和0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的拉伸強度、延伸率以及斷裂功幾乎均與纖維體積分數(shù)呈線性關系。根據(jù)圖中擬合表達式，即可對纖維體積分數(shù)不同復合材料的拉伸性能進行預測。對于纖維體積分數(shù)為44%的1k Mini-C/SiC復合材料，其拉伸強度、延伸率和斷裂功的預測值分別為533.87MPa、0.75%和2.47MJ/m3；對于纖維體積分數(shù)為26%的0.5k Mini-SiC/SiC復合材料，其拉伸強度、延伸率和斷裂功的預測值分別為348.60MPa、0.78%和1.95MJ/m3。比較發(fā)現(xiàn)，預測值與實測值（見表2-1）之間存在誤差。修正后的表達式列于表2-2，其中，預測公式等號右邊的系數(shù)即修正系數(shù)，是由實測值和預測值的比值得到的。

根據(jù)修正公式對比纖維體積分數(shù)對1k Mini-C/SiC和0.5k Mini-SiC/SiC拉伸性能的影響如圖2-4所示。從圖2-4（a）中可以看到，當纖維體積分數(shù)小于47.77%時，0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的拉伸強度高于1k Mini-C/SiC復合材料；當纖維體積分數(shù)大于47.77%時，0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的拉伸強度低于1k Mini-C/SiC復合材料。由圖2-4（b）和圖2-4（c）可知，在預測值合理的范圍內（即延伸率和斷裂功均大于零），0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的延伸率和斷裂功均高于1k Mini-C/SiC復合材料，而不受纖維體積分數(shù)的影響。由此可見，纖維種類對復合材料強韌性的影響與纖維體積分數(shù)有關，并且纖維體積分數(shù)存在臨界值。

圖2-5為1k Mini-C/SiC和0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的典型拉伸應力-位移曲線。可以看到，這兩種纖維束復合材料的拉伸行為均表現(xiàn)為脆性斷裂特征。1k Mini-C/SiC復合材料的拉伸曲線可分為四個階段，0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的拉伸曲線可分為三個階段，并且兩者在第一到第三階段具有相似變形行為。第一階段為加載的初始階段，該階段主要表現(xiàn)為拉伸曲線存在左尾跡。對于纖維束復合材料而言，左尾跡的存在與實驗機夾頭與試樣相對滑移和復合材料與其黏結處的互相調整有關。左尾跡結束之后，復合材料進入變形的第二階段。復合材料在該階段發(fā)生線性變形，拉伸曲線斜率保持恒定。1k Mini-C/SiC和0.5k Mini-SiC/SiC復合材料大約分別在210MPa和180MPa結束了第二階段而進入拉伸變形的第三階段。復合材料在該階段發(fā)生非線性變形，拉伸曲線斜率在該階段逐漸減小，且基體在該階段產(chǎn)生新裂紋，并隨應力增加而增殖。對于0.5k Mini-SiC/SiC復合材料，當基體裂紋達飽和狀態(tài)，應力也達最大值，復合材料此時發(fā)生斷裂。而1k Mini-C/SiC，當基體裂紋達飽和狀態(tài)時，未斷的纖維開始承擔幾乎所有外加載荷，復合材料進入拉伸變形的第四階段。第三階段和第四階段拐點對應的應力稱為基體裂紋飽和應力，1k Mini-C/SiC復合材料的基體裂紋飽和應力約為300MPa。由圖2-5可知，第四階段是一個偽線性硬化階段，1k Mini-C/SiC復合材料在應力達到最大值時發(fā)生斷裂。

綜上所述，1k Mini-C/SiC和0.5k Mini-SiC/SiC復合材料的拉伸變形行為主要區(qū)別在于，當基體裂紋達到飽和狀態(tài)之后，1k Mini-C/SiC復合材料的外加載荷幾乎全部由未斷的纖維承擔，而0.5k Mini-SiC/SiC復合材料在基體裂紋達到飽和狀態(tài)時隨即發(fā)生斷裂。

2.3.2　編織結構復合材料的強韌性

由3D-C/SiC和3D-SiC/SiC的微觀形貌（圖2-6）可以看出，這兩種復合材料在纖維束間的CVI-SiC基體中存在殘余孔隙，而3D-C/SiC中纖維束間孔洞較3D-SiC/SiC的略大，這與兩種復合材料的孔隙率測試結果一致（3D-C/SiC密度和氣孔率分別為1.8g/m3和18%，3D-SiC/SiC的密度和氣孔率分別為2.5g/m3和13.5%）。在3D-C/SiC中，受纖維表面溝槽的影響，熱解碳界面相較為皺褶，界面相和纖維緊密結合在一起，但在熱解碳界面相和SiC基體之間存在間隙。同時可明顯觀察到，SiC基體內部存在垂直于纖維且間距分布均勻的微裂紋。在3D-SiC/SiC中，熱解碳界面相比較平整，界面相與纖維和基體緊密地結合在一起，三者之間觀察不到間隙，而且在CVI-SiC基體內部觀察不到垂直于纖維方向的微裂紋。這與1000℃采用CVI制備的Hi-Nicalon/PyC/SiC復合材料在室溫時纖維徑向承受的殘余熱壓應力［15］相一致，表明SiC/SiC各結構單元間的熱匹配較好。因此，室溫下Hi-Nicalon/PyC/SiC中的Hi-Nicalon纖維比C/SiC中的碳纖維更難滑移拔出。

纖維種類不同造成復合材料的熱膨脹性能也有差別，圖2-7是3D-C/SiC、3D-SiC/SiC和CVD-SiC熱膨脹系數(shù)與溫度的關系。在25～1400℃，三者的熱膨脹系數(shù)變化趨勢一致，兩種復合材料的熱膨脹系數(shù)均低于CVD-SiC的熱膨脹系數(shù)，而CVD-SiC的熱膨脹系數(shù)與3D-SiC/SiC的接近，但遠高于3D-C/SiC的熱膨脹系數(shù)，其數(shù)值約為3D-C/SiC的2倍。同時，在低于750℃時，三者的熱膨脹系數(shù)均隨溫度升高而增加。此外，在750～900℃時，三者的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化出現(xiàn)平臺，并在880℃左右出現(xiàn)整個溫度區(qū)間的極大值點。在900℃以上時，三者熱膨脹系數(shù)均隨溫度的升高而減小。

纖維增韌復合材料的熱膨脹系數(shù)可采用下式描述［16，17］：

　　（2-5）

式中，α、V和E分別代表熱膨脹系數(shù)、體積分數(shù)及彈性模量，下標com、f和m分別指代復合材料、纖維和基體。

在25～1000℃，SiC基體的平均熱膨脹系數(shù)和彈性模量分別為4.6×10-6℃-1和420GPa［15，18］，Hi-Nicalon SiC纖維的分別為3.1×10-6～3.5×10-6℃-1和270GPa，T300碳纖維的則分別為-0.7×10-6℃-1（纖維長度方向）和230GPa［18～21］。由圖（2-7）可知，CVD-SiC的熱膨脹系數(shù)與3D-SiC/SiC的很接近，但遠遠高于3D-C/SiC的熱膨脹系數(shù)。此外，由于纖維種類不同，兩種復合材料內部的殘余熱應力不同，C/SiC由于纖維和基體的熱失配，從制備溫度冷卻至室溫后，基體內部在垂直于纖維束方向上存在大量微裂紋，而SiC/SiC幾乎沒有熱失配，室溫時基體在垂直于纖維束的方向上基本無微裂紋。

由3D-C/SiC和3D-SiC/SiC復合材料室溫力學性能（表2-3）和室溫彎曲載荷位移曲線（圖2-8）可知，3D-SiC/SiC比3D-C/SiC具有更好的強度和彎曲斷裂韌性。圖2-9是這兩種復合材料室溫彎曲斷口形貌。通常，斷口形貌可以通過纖維的聚集程度來描述。纖維的聚集程度主要以“單絲”“束”和“簇”計。單絲（filament）是纖維的最小聚集單位；束（bundle或tow）是纖維成品和預制體編織時的最小聚集單位，通常由幾千根單絲纖維組成；簇（cluster）則是纖維束內介于單絲和束之間的纖維聚集單位。關于“簇”的概念雖早有報道，但一直沒有得到更多關注，直到近年來才又提出“簇”的概念［22］，并將其作為一種重要的纖維聚集單位來分析CMC的斷裂機制。對于連續(xù)纖維增強復合材料而言，完全以單絲纖維或完全以單束纖維聚集拔出的情況很少見，往往是單絲、不同聚集程度的簇和束拔出共存。這三者在斷口形貌中所占比例多少往往可反映復合材料界面結合的強弱程度，進而反映復合材料綜合力學性能的優(yōu)劣。由圖2-9可見，這兩種復合材料均有大量纖維拔出，并以纖維簇形式拔出為主。但與3D-C/SiC相比，3D-SiC/SiC纖維拔出更明顯，拔出長度更長，斷裂纖維長度也更參差不齊。CMC的彎曲（拉伸）損傷破壞過程涉及分層、界面脫粘、基體開裂、裂紋擴展以及纖維斷裂拔出等，其中界面脫粘和纖維拔出是最主要能量吸收機制，決定了CMC的斷裂行為［23，24］。由于Hi-Nicalon SiC纖維的直徑（約14μm）比T300C纖維（約7μm）的大，CVI過程中SiC基體更容易填充纖維束間和束內孔隙，SiC/SiC中的纖維束和束內纖維受CVI-SiC約束更強；同時，SiC/SiC中熱物理匹配性較好，熱殘余應力小，基體在垂直于纖維束方向基本無微裂紋，因而受載時纖維能較好承載，復合材料可發(fā)生明顯界面滑移、脫粘和纖維斷裂。與SiC纖維相比，在界面結合強度相同情況下，C/SiC復合材料由于存在較大熱失配應力，C纖維不能有效發(fā)揮承載作用，并且基體內部在垂直于纖維束方向存在大量微裂紋，導致纖維受載時更易損傷斷裂。

纖維增韌復合材料發(fā)生破壞瞬間的纖維滑移量可表示為：

　

　（2-6）

式中，Гi和Гf分別是開始出現(xiàn)界面脫粘和纖維斷裂的能量；Gf是纖維剪切模量；Gm是基體剪切模量；rf是纖維半徑；Ef是纖維模量；R是所討論的單向復合材料中纖維周圍的基體厚度（假設這兩種復合材料中纖維束內R值相同）。結合Hi-Nicalon SiC纖維與T300 C纖維自身性能參數(shù)［18，20，26～32］和圖2-6所示兩種復合材料的界面狀況可知，3D-SiC/SiC在室溫破壞后纖維拔出長度將大于3D-C/SiC的拔出長度，這也定性說明在同等實驗條件（試樣尺寸、試樣中纖維分布、界面相厚度及相同測試手段）下，3D-SiC/SiC比3D-C/SiC具有更大的彎曲位移。

由此可見，不同纖維種類的物理性能決定了復合材料中殘余熱應力及應力再分布情況的不同，從而導致了復合材料的強韌性差異。