不同界面SiC纖維束復合材料的拉伸力學行為

何宗倍，張瑞謙，付道貴，李 鳴，陳招科，邱邵宇

(1中國核動力研究設計院 反應堆燃料及材料國家重點實驗室，成都 610213； 2中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；3中國核動力研究設計院 核燃料元件及材料研究所，成都 610213)

連續碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料(SiCf/SiC) 因具有耐高溫、抗熱震、低活化、耐輻照以及耐腐蝕等優異性能，被認為是新型耐事故燃料包殼的理想候選材料之一[1-3]。SiCf/SiC復合材料區別于單體SiC陶瓷的關鍵就在于其具有較高的斷裂韌度和較好的塑性，不會發生脆性斷裂失效，而界面則為影響這一性能特征的關鍵因素[4-8]。

對SiC陶瓷基復合材料而言，界面結合強度過高或過低均對其力學性能有不利影響。當界面結合強度較高時，界面脫粘和纖維拔出較為困難，這使得基體裂紋不易偏轉，進而容易導致復合材料發生脆性斷裂；而當界面結合較弱時，界面傳載能力較差，這又會影響復合材料的整體承載。如Droillard等研究了SiCf/SiC復合材料的斷裂韌度與PyC/SiC多層復合界面厚度的關系，發現較強的界面結合對提高材料的斷裂韌度有利[4]。界面結合強度除了與界面本身的結構特征有關外還與SiC纖維有著密切的聯系。Brusson等以Hi-Nicalon S纖維和Tyranno-SA3纖維為對象研究了界面與纖維的匹配關系，他們發現界面結合強度會受纖維表面的粗糙度影響[5]。Rebillat等的研究結果也同樣表明纖維表面特征會影響界面結合強度[6-7]。而孟志新等的研究表明由于PyC界面對SiC纖維表面缺陷的修復作用，含PyC界面的SiC纖維束復合材料的拉伸強度、伸長率和Weibull模數均有明顯提高[9]。

SiCf/SiC復合材料的界面主要包含熱解炭界面(PyC)和PyC/SiC復合界面等，而目前對界面結合強度的優化主要通過界面厚度的調整來實現[10-14]。而針對不同類型的SiC纖維，其表面粗糙度以及由于纖維和基體熱膨脹系數失配導致的界面熱殘余應力均有較大差異，這些都會對SiCf/SiC復合材料的界面結合強度造成較大影響。為此，本工作針對國產三代SiC纖維，開展了不同界面SiC纖維束復合材料的制備，并對其拉伸力學性能進行了研究，同時通過有限元方法對不同界面厚度以及基體體積分數的纖維束復合材料進行了熱殘余應力分析。

1 實驗材料與方法

SiC纖維束復合材料通過化學氣相滲透工藝(CVI)制備，制備PyC界面時，以C3H6為源氣，氬氣為稀釋氣體，沉積溫度在900℃左右。在完成界面沉積后，利用CVI工藝繼續進行SiC基體沉積，SiC基體沉積以三氯甲基硅烷為源物質，氬氣為稀釋氣體，氫氣為載氣，沉積溫度在1050℃左右。為對比不同界面厚度和基體體積分數的SiC纖維束復合材料的拉伸性能，制備了4種SiC纖維束復合材料，分別標記為A，B，C和D。4種SiC纖維束復合材料的界面厚度、纖維和基體體積分數如表1所示。

表1 4種SiC纖維束復合材料的界面厚度、纖維和基體體積分數Table 1 Interface thicknesses, fiber and matrix volumefractions of four types of SiC fiber bundle reinforcedcomposites

采用INSTRON 3369型電子萬能材料試驗機對SiC纖維束復合材料進行拉伸力學性能測試，測試前將纖維束兩端的加強片固定于力學測試儀器的夾持器上，測試時采用位移控制，加載速率為0.2mm/min，拉伸標距為50mm，圖1為加載示意圖。測試時SiC纖維束復合材料的拉伸應力和應變按如下公式計算：

σ=P/A，ε=Δl/l

(1)

式中：σ為拉伸強度；P為斷裂載荷；A為SiC纖維束復合材料的橫截面面積；ε為拉伸應變；Δl和l分別為試樣的拉伸伸長量和拉伸標距。測試后通過掃描電鏡對試樣進行斷口觀察。

圖1 SiC纖維束復合材料拉伸力學性能測試示意圖Fig.1 Diagram for tensile mechanical property test ofSiC fiber bundle reinforced composites

2 熱殘余應力分析

雖然理論上SiC纖維和CVI-SiC基體具有相近的熱膨脹系數，但由于實際獲得的SiC纖維在成分以及結晶度等方面與SiC基體存在明顯差異，因而兩者的熱膨脹系數并不相同，這使得SiCf/SiC復合材料從制備溫度冷卻到室溫時其界面會存在明顯的熱殘余應力。為了解界面附近的熱殘余應力分布特征，本工作利用ANSYS有限元軟件對SiC纖維束復合材料進行了熱殘余應力分析。分析時以單根SiC纖維絲、界面及其周圍的基體為對象，并主要考慮其橫截面內的應力分布，對應的結構模型如圖2所示。在圖2(a)中纖維的半徑Rf為定值6μm，界面厚度Ri考慮50，100，200，300nm和400nm 5個值。若假設纖維、界面和基體在纖維束復合材料的軸向具有相同的長度，則SiC纖維束復合材料中基體的體積分數為Vm=1-(Rf+Ri)2/(Rf+Ri+Rm)2，該式中Rm為基體厚度值。建立幾何模型時，一旦界面厚度確定，則可由上式確定不同基體體積分數時模型中對應的Rm值，基體體積分數考慮50%，60%，70%和80%這4個值。考慮到模型的對稱性，僅選取其1/4進行有限元分析，并采用Plane183單元進行網格劃分。SiC纖維、PyC界面以及CVI-SiC基體的材料屬性如表2所示[15-16]。計算時參考溫度設置為1050℃，而均勻溫度設置為25℃，在模型左側和下側兩條邊界上設置對稱邊界條件，如圖2(b)所示。

圖2 SiC纖維束復合材料有限元分析模型(a)結構模型示意圖；(b)劃分網格后的模型及邊界條件Fig.2 Finite element analysis model of the SiC fiber bundle reinforced composites(a)schematic of the structure model;(b)meshed model and boundary conditions

ConstituentElasticmodulus/GPaPoissonratioCoefficient of thermalexpansion/(10-6K-1)SiC fiber3420.203.7PyC interface350.235.6SiC matrix3500.214.6

3 結果與討論

3.1 界面熱殘余應力

圖3給出了基體體積分數和界面厚度對徑向熱殘余應力的影響規律，其中圖3(a)為不同基體體積分數下界面徑向熱殘余應力隨界面厚度的變化規律，可知，當界面厚度一定時，基體體積分數越大界面所受徑向壓應力也越大，而當基體體積分數一定時界面徑向壓應力隨界面厚度的增加而減小。對于纖維增強陶瓷基復合材料，其界面結合強度τi可表示為：

τi=μ(σth+σR)

(2)

式中：μ為界面摩擦因數；σth為界面徑向熱殘余應力；σR為纖維粗糙度引起的徑向應力。由式(2)可知，當纖維粗糙度一定時，界面徑向熱殘余應力越大其界面結合強度越高。因而由圖3(a)中的結果可知，SiC纖維束復合材料中的基體體積分數越大時，其界面徑向結合強度越大，纖維拔出越難，而界面厚度的增加可以降低界面結合強度。圖3(b)為基體體積分數為80%時，界面厚度不同時徑向熱殘余應力沿著纖維、界面和基體的分布特征，由圖可知，界面厚度越大，纖維受到的壓應力越小，且徑向壓應力在纖維內部基本恒定，但在基體中其值會隨著與界面距離的增加而逐漸減小。

圖4給出了基體體積分數和界面厚度對環向熱殘余應力的影響規律，其中圖4(a)為不同基體體積分數下界面環向熱殘余應力隨界面厚度的變化規律，由圖可知，界面環向熱殘余應力的變化規律與徑向熱殘余應力一致，但其值小于徑向熱殘余應力。圖4(b)為基體體積分數為80%時，界面厚度不同時環向熱殘余應力沿著纖維、界面和基體的分布特征，由圖可知，在纖維內部環向熱殘余應力也基本恒定，但其值會隨著界面厚度的增加而略微減小，但在基體內環向熱殘余應力與徑向熱殘余應力在分布特征上有較大差異，這主要表現為在界面附近基體的環向熱殘余拉應力會達到最大值，而該值隨后又會隨著與界面距離的增大而逐漸減小。

3.2 應力應變與強度特征

圖5為SiC纖維束復合材料A，B和C的典型拉伸應力-應變曲線。由圖5可知，3種纖維束復合材料的拉伸應力-應變曲線均呈線性特征，這意味著上述SiC纖維束復合材料在基體開裂后不久就發生了整體斷裂失效，其在拉伸應力作用下未經歷明顯的基體裂紋飽和、界面脫粘和滑移等能量耗散過程。這是由于上述3種纖維束復合材料均具有較高的基體含量，這使得界面處存在較大的徑向壓應力，進而導致界面較難發生脫粘滑移。由于界面不容易脫粘，基體裂紋間距較小，局部會發生應力及能量集中，裂紋容易沿垂直加載方向擴展，這將導致纖維束復合材料過早發生斷裂[17]。從圖5也可發現，雖然上述纖維束復合材料的拉伸強度隨著界面厚度的增加而增大，但其值仍偏低。

圖3 基體體積分數和界面厚度對徑向熱殘余應力的影響(a)Vm=50%,60%,70%和80%時界面徑向熱殘余應力隨界面厚度的變化規律；(b)Vm=80%時徑向熱殘余應力的分布特征Fig.3 Effects of matrix volume fraction and interface thickness on radial thermal residual stress(a)variations of interface radial thermal residual stress with interface thickness for Vm=50%,60%,70% and 80%;(b)distribution characteristics of radial thermal residual stress for Vm=80%

圖4 基體體積分數和界面厚度對環向熱殘余應力的影響(a)Vm=50%，60%，70%和80%時界面環向熱殘余應力隨界面厚度的變化規律；(b)Vm=80%時環向熱殘余應力的分布特征Fig.4 Effects of matrix volume fraction and interface thickness on hoop thermal residual stress(a)variations of interface hoop thermal residual stress with interface thickness for Vm=50%,60%,70% and 80%;(b)distribution characteristics of hoop thermal residual stress for Vm=80%

圖5 SiC纖維束復合材料A，B和C的拉伸應力-應變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curves of SiC fiber bundlereinforced composites A, B and C

圖6為SiC纖維束復合材料D的拉伸應力-應變曲線。由圖6可知，該類纖維束復合材料的拉伸應力-應變曲線按斜率可分為兩個部分，而這兩部分拐點的應力值在400MPa左右。當應力遠小于400MPa時，SiC纖維束復合材料的基體和纖維均處于彈性階段，而隨著應力逐漸接近400MPa，基體裂紋開始出現，但此時裂紋數量仍較少，且這些基體裂紋還未引起界面脫粘，因而能量耗散較少，這使得該階段整體呈近似線性特征；而當應力大于400MPa時，界面開始發生脫粘，同時基體裂紋密度逐漸飽和[17]，此時纖維成為主要的承載單元，這使得應力應變曲線斜率降低，同時由于某些纖維發生斷裂，該階段應力-應變曲線還具有鋸齒狀特征。雖然SiC纖維束復合材料D與B具有相同的界面厚度，但前者的基體體積含量更低，這使其界面徑向熱殘余應力更小，因而界面更容易發生脫粘。界面脫粘后，基體裂紋發生偏轉，擴展路徑加長，且由于裂紋不在一個橫截面上擴展，因此減輕了纖維應力集中，同時也減緩了斷裂過程；另一方面，基體裂紋張開并擴展后，界面脫粘使連續纖維在脫粘長度范圍內承受了更高的應力，纖維性能得到了更大程度的發揮[17-18]，這些都對提高SiC纖維束復合材料的強度有利，因而SiC纖維束復合材料D的強度要大于SiC纖維束復合材料B。

圖6 SiC纖維束復合材料D的拉伸應力-應變曲線Fig.6 Tensile stress-strain curves of SiC fiber bundlereinforced composites D

另外，陶瓷基復合材料的基體體積分數也可從另外一個角度影響其拉伸強度。由參考文獻[19]可知，陶瓷基復合材料的拉伸強度可由下式計算：

(3)

式中：K為基體裂紋擴展至纖維處時裂紋前端的應力集中系數；σf為纖維拉伸強度；σm為基體拉伸強度；αc為臨界面積縮減率，其意義為復合材料拉伸裂紋發生失穩擴展時的橫截面積與原始橫截面積的比值[20]。在纖維增強陶瓷基復合材料中，基體裂紋附近的應力場會因纖維橋連機制的存在而發生重新分配，這使得裂紋前端應力場得到緩解[21]，但當基體體積分數較高時，纖維的這一作用會減弱，這間接導致基體裂紋尖端應力集中系數K增大；而由于陶瓷材料本身抵抗裂紋失穩擴展的能力較差，過高的基體體積分數還會導致陶瓷基復合材料損傷容限降低，因而在拉伸應力作用下其發生裂紋失穩擴展的臨界橫截面積會增大，這意味著αc增大。由以上分析并結合式(3)可知過高的基體體積分數將對提高SiC纖維束復合材料的拉伸強度不利。

3.3 斷口形貌

圖7為SiC纖維束復合材料A，B和C的拉伸斷口形貌，由圖7可知，隨著界面厚度的增加SiC纖維束復合材料的纖維拔出長度逐漸增大，3種纖維束復合材料的最大纖維拔出長度分別約為20，60μm和170μm。圖8為SiC纖維束復合材料D的拉伸斷口形貌特征，由圖8可知，該類纖維束復合材料的拉伸斷口具有較多的纖維拔出，且其拔出長度最大值在270μm左右。

圖7 SiC纖維束復合材料A，B和C的拉伸斷口形貌 (a)A類試樣；(b)B類試樣；(c)C類試樣Fig.7 Tensile fracture morphologies of SiC fiber bundle reinforced composite A,B and C(a)A type specimen;(b)B type specimen;(c)C type specimen

圖8 SiC纖維束復合材料D拉伸斷口形貌Fig.8 Tensile fracture morphologies of SiC fiber bundlereinforced composite D

由界面脫粘模型可知[22-23]，初始基體裂紋形成后，基體裂紋處的纖維脫粘長度ld≤lc/2，其中lc為基體初始裂紋間距，而纖維斷裂時的拔出長度lf≤2ld，由上述關系可得纖維斷裂時的拔出長度最大值應與初始裂紋間距相近。而基體裂紋飽和時的裂紋間距lcs應滿足lcs≤lc。如果令圖7和圖8中的纖維最大拔出長度近似等于lc，則可得SiC纖維束復合材料A，B，C和D的飽和裂紋間距的最大值分別為20，60，170μm和270μm。由于飽和裂紋間距與界面結合強度τi存在如下關系[24]：

(4)

式中σs為基體裂紋飽和時的應力值，對于本工作中的4類纖維束復合材料，由圖5和圖6中的應力-應變曲線特征可知其值可分別取為143，217，349MPa和400MPa。則由式(4)最終計算可得SiC纖維束復合材料A，B，C和D界面結合強度的最小值分別為182，92，52MPa和10MPa。

圖9為SiC纖維束復合材料A的拉伸斷口橫截面形貌。由于該類復合材料具有較高的基體體積分數和較小的界面厚度，因而其界面結合強度較高，這導致其橫截面較多的纖維發生無拔出斷裂，如圖9(a)所示，這些纖維的斷裂面與基體的斷裂面幾乎平齊，這表明其斷裂時幾乎未發生界面滑移。而在圖9(b)中還可發現，在界面附近的基體上出現了軸向基體裂紋，這表明基體受到較大的環向拉應力作用，這與圖4中的環向熱殘余應力的計算結果具有一致性。

圖9 SiC纖維束復合材料A拉伸斷口橫截面形貌(a)纖維斷裂特征；(b)基體軸向裂紋Fig.9 Cross-section morphologies of tensile fracture of SiC fiber bundle composite A(a)fracture characteristics of fiber;(b)matrix longitudinal crack

4 結論

(1)由于SiC纖維與SiC基體熱膨脹系數的差異，SiC纖維束復合材料仍存在明顯的徑向熱殘余應力和環向熱殘余應力；對纖維而言其所受徑向和環向熱殘余應力均為壓應力，而對基體而言其所受徑向熱殘余應力為壓應力而環向熱殘余應力為拉應力。

(2)由于基體體積分數增大會使界面結合強度提高，因而過高的基體體積分數對SiC纖維束復合材料的韌性和強度均有不利影響。為使SiC纖維束復合材料在較高的基體體積分數下仍具有較好的韌性和強度，其需要有較大的界面厚度。

(3)針對國產SiC纖維開展復合材料界面厚度的優化時需要考慮熱殘余應力的影響，同時還需兼顧其與基體體積分數的匹配。