【摘 要】
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碳纤维增韧碳化硅陶瓷（C/SiC）复合材料综合了碳纤维和碳化硅陶瓷的优势,具有高比强、高比模、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等优异性能,被广泛的应用于航空航天、汽车工业、军工、能源等领域。C/SiC复合材料具有各向异性和强韧性的特点,属于典型的难加工材料。磨削加工是C/SiC复合材料的首选加工工艺,但是磨粒作用下C/SiC复合材料的纤维、界面、基体损伤破坏机制以及材料去除机理尚不明确,加工表面和亚表面损伤
【基金项目】
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国家自然科学基金； 高校博士点基金； 天津大学访问学者项目；
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碳纤维增韧碳化硅陶瓷（C/SiC）复合材料综合了碳纤维和碳化硅陶瓷的优势,具有高比强、高比模、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等优异性能,被广泛的应用于航空航天、汽车工业、军工、能源等领域。C/SiC复合材料具有各向异性和强韧性的特点,属于典型的难加工材料。磨削加工是C/SiC复合材料的首选加工工艺,但是磨粒作用下C/SiC复合材料的纤维、界面、基体损伤破坏机制以及材料去除机理尚不明确,加工表面和亚表面损伤不易控制,这些问题严重制约了C/SiC复合材料的加工和工程应用,本文针对上述关键问题展开了系统性研究。为监测拉伸过程中材料损伤过程,本文将声发射技术引入到单向C/SiC复合材料横向拉伸试验。试验过程中监测了发生于碳纤维与碳化硅基体界面的大规模脱粘失效现象,测量了界面横向脱粘强度,掌握了界面脱粘行为规律,揭示了界面横向脱粘和基体脆性断裂的频率成分分布。在此基础上建立了材料损伤行为与信号特征的映射关系,揭示了载荷作用下的C/SiC复合材料界面失效机制和基体裂纹扩展断裂规律,为进一步研究C/SiC复合材料磨削的材料去除机理提供了理论支撑。针对陶瓷基复合材料各相结构破坏不易观测、传统划擦试验难以分辨划痕的切入、切出状态等问题,本文提出了一种单颗磨粒高速划擦试验方案:水平螺旋划擦,磨粒水平螺旋划擦运动结合试件微小倾角布置,实现了将划擦深度和划痕长度解耦,理论上可获得微小划擦深度下的较长划痕。基于该试验方案开展了单向C/SiC复合材料单颗金刚石磨粒划擦试验,通过分析划擦力、划痕表面和亚表面形貌,揭示了在单颗磨粒作用下纤维、基体和界面的破坏失效机制,掌握了C/SiC复合材料单颗磨粒磨削的材料去除机理。在单颗磨粒划擦试验的基础上,本文进行了单向C/SiC复合材料金刚石砂轮平面磨削试验,研究了碳纤维方向角对材料去除机制的影响。基于试验结果,本文分析了纤维方向角和磨削参数对磨削力、表面粗糙度和表面形貌的影响规律。基于单颗磨粒划擦和磨削试验的研究结果,探明了纤维方向角对复合材料磨削过程中碳纤维与碳化硅基体界面剪切、界面脱粘以及基体脆性断裂行为的影响机制,揭示了基于界面细观力学行为的C/SiC复合材料去除机理。本文的研究成果为分析C/SiC复合材料界面力学行为、裂纹扩展和材料损伤演化机制提供了理论基础,完善了陶瓷基复合材料磨削理论体系,为陶瓷基复合材料的高质量磨削提供了关键的理论和技术支持。
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