【摘 要】
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连续纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的耐高温氧化性能、高温力学性能,同时具备低密度、高比模量、高比强度的优点,在航空航天热端部件、高超音速飞行器等高温极端环境中得以广泛应用。随着飞行器性能提升和高安全要求,对陶瓷基复合材料的高温力学性能和可靠性提出了挑战。研究陶瓷基复合材料的变形失效过程有助于深刻理解材料力学响应和破坏机制,并为工艺优化和强度评估提供重要依据。原位力学测试不仅可以获得材料的力学参数,
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连续纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的耐高温氧化性能、高温力学性能,同时具备低密度、高比模量、高比强度的优点,在航空航天热端部件、高超音速飞行器等高温极端环境中得以广泛应用。随着飞行器性能提升和高安全要求,对陶瓷基复合材料的高温力学性能和可靠性提出了挑战。研究陶瓷基复合材料的变形失效过程有助于深刻理解材料力学响应和破坏机制,并为工艺优化和强度评估提供重要依据。原位力学测试不仅可以获得材料的力学参数,还可以研究外载下微结构变形和裂纹萌生与扩展等行为,建立外载与开裂行为的关系。因此,本文对三种预制体结构（2D-Cf/Si C、2D-Si Cf/Si C和3D-Si Cf/Si C）的陶瓷基复合材料开展了微观表征和原位力学测试,获得了材料的微结构特征、抗拉强度和断裂力学性能参数,对三种材料的变形与失效过程进行了原位观测,分析了预制体结构对力学性能和失效行为的影响。研究成果如下:（1）通过室温和高温拉伸测试,获得了材料的应力-应变响应、抗拉强度、断裂应变等力学参数,发现室温下2D-Cf/Si C、2D-Si Cf/Si C和3D-Si Cf/Si C复合材料的抗拉强度和断裂应变依次增大,在1300℃空气环境中,2D-Cf/Si C和2D-Si Cf/Si C复合材料的抗拉强度均下降,断裂应变有所提升。（2）通过原位观测研究了材料在轴向载荷下的内部裂纹及微缺陷的演化过程。发现三种复合材料在室温和高温下的断裂位置均发生在Z向纤维束附近,且在拉伸失效时均表现出基体裂纹萌生、纤维/基体界面脱粘、裂纹偏转扩展、裂纹分叉形成二次裂纹、纤维桥联和纤维断裂等损伤特征。（3）通过三点弯曲测试,得到了三种材料在室温和高温下的载荷-挠度响应以及断裂韧性。发现室温下2D-Cf/Si C、3D-Si Cf/Si C和2D-Si Cf/Si C复合材料的断裂韧性依次增大,在1300℃氩气环境中,虽然2D-Cf/Si C复合材料的纤维力学性能下降,但残余热应力的释放以及适中的界面结合强度使其断裂韧性大幅度提高;在2D-Si Cf/Si C和3D-Si Cf/Si C复合材料中,残余热应力的释放不能弥补纤维力学性能下降的影响,使其高温下的断裂韧性降低。（4）采用原位观测技术研究了预制体结构对材料主裂纹扩展形式的影响。2D-Cf/Si C复合材料和2D-Si Cf/Si C复合材料在厚度方向缺少增强纤维,层间性能差,在室温和1300℃氩气环境中均以经纬纱分层破坏为主,裂纹扩展路径长,而3D-Si Cf/Si C复合材料的裂纹扩展受到Z向穿刺纤维束的阻碍作用,主裂纹基本沿着Z向纤维束扩展,部分经纬纱分层,裂纹扩展路径短。
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