【摘 要】
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随着航空航天科技水平的不断发展,现代新型飞行器对于材料性能的要求愈加苛刻,具有高熔点、低密度及优异高温强度等特点的Nb-Si基高温合金,被认为是有望取代Ni基高温合金最理想材料之一,在航空航天发动机设计制造领域具有广阔的应用前景,但由于Nb/Nb5Si3复合材料的室温断裂韧性较差,限制了其在航空航天发动机上的应用。大量研究表明通过加入纤维增强相能够同时提高材料的强度和韧性,以达到整体提升材料综合性
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随着航空航天科技水平的不断发展,现代新型飞行器对于材料性能的要求愈加苛刻,具有高熔点、低密度及优异高温强度等特点的Nb-Si基高温合金,被认为是有望取代Ni基高温合金最理想材料之一,在航空航天发动机设计制造领域具有广阔的应用前景,但由于Nb/Nb5Si3复合材料的室温断裂韧性较差,限制了其在航空航天发动机上的应用。大量研究表明通过加入纤维增强相能够同时提高材料的强度和韧性,以达到整体提升材料综合性能的目的。短碳纤维具有密度小,高比强度,高比刚度,高温性能和耐疲劳性能好等优点,且相较于长碳纤维可以避免各向异性,是一种非常理想的复合材料增强体。本文结合高能球磨及放电等离子烧结法成功制备了短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料,并着重研究了以下三部分内容:（1）探索了烧结温度（1450℃,1500℃和1550℃）对短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料的纤维烧结损伤、致密度、微观组织及力学性能的影响规律;（2）探究了短碳纤维含量（0 wt%,0.5 wt%,1.0 wt%,1.5 wt%和2.0 wt%）对短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料的致密度,微观组织及力学性能的影响规律;（3）揭示了短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料的界面反应和强化机制。通过对短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料的研究,发现短碳纤维作为增强体对提高Nb/Nb5Si3复合材料的综合性能有积极作用。本文对进一步优化短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料性能提供研究思路及技术途径,获得的主要研究结论如下:（1）烧结温度对短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料的致密度,微观组织及力学性能均有显著影响,通过实验结果发现短碳纤维在Nb/Nb5Si3中呈现均匀分布,在1500℃烧结温度下制备的短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料,其致密度高、纤维损伤小、界面结合强度良好,力学性能最佳,但当烧结温度提升至1550℃时,复合材料的力学性能减弱,这可能是由于界面反应对碳纤维造成损伤,导致纤维力学性能降低,减弱了碳纤维在复合材料中的强化作用。（2）短碳纤维加入Nb/Nb5Si3复合材料后显著提升了该材料的力学性能,且随着纤维含量的增加,复合材料的维氏硬度、抗拉强度和断裂韧性均得到提升,但延伸率却呈现先增后降的趋势。根据扫描电镜观察发现,复合材料的断口表现为界面脱粘和纤维拔出,表明在短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料的拉伸断裂过程中,界面脱粘和纤维拔出行为是主要的增韧机理,而载荷转移是短碳纤维增强Nb/Nb5Si3复合材料的主要强化机制。（3）界面相Nb4C3的生成对载荷传递有着积极的影响,其在增强体与基体之间具有锚钉作用,能够有效地将基体所受载荷传递至纤维以起到强化效果,但界面产物Nb4C3相过多的生成会对碳纤维有损伤作用从而降低碳纤维载荷承受能力。本文建立了载荷传递效率与Nb4C3相等效直径间的关系,创新性地探索出了Nb4C3相等效直径的控制方法,表明可以通过控制烧结温度和时间的方式来调控界面产物等效直径以达到调控载荷传递效率的目的。
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