正交鋪層PIP-SiCf/SiC復合材料的水淬失效行為

高 曄，姜卓鈺，周怡然，呂曉旭，宋 偉，焦 健*

(1 中國航發北京航空材料研究院 先進復合材料國防科技重點實驗室，北京 100095；2 中國航發北京航空材料研究院表面工程研究所，北京 100095；3 中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110027)

連續碳化硅纖維增強碳化硅基體(SiCf/SiC)復合材料因其優異的耐高溫、抗腐蝕性、高比強度等特點，被認為是先進航空發動機熱端部件的首選材料[1]。由于航空發動機工作狀態的變化，陶瓷材料的本征脆性及纖維、界面層及基體各組分之間性能的不匹配，使得抗熱震性能成為制約SiCf/SiC復合材料使用的關鍵問題[2-4]。在眾多制備SiCf/SiC復合材料的工藝中，預浸料鋪貼工藝具備操作方便、可設計性強等優點，是實現該材料工程化的優選工藝。在以樹脂基復合材料、金屬基復合材料等其他類型復合材料為研究對象的報道中，多基于熱循環/熱震實驗對材料的抗熱震性能進行研究。Zrida等[2]測量了[(+45/-45)/(90/0)]2s鋪層Cf/聚酰亞胺復合材料對不同熱循環次數后的裂紋密度，發現熱循環最高溫度影響較大。Liu等[5]，Kubit等[6]分別對碳納米管增強銅基復合材料、玻璃纖維增強鋁基復合材料熱循環后的基本力學性能進行表征，研究熱震對材料失效模式的影響。Liu等[7]，Zhou等[8]開展水淬實驗，分別研究層疊Al2O3-MgO復合材料及ZrB2-SiC復合材料表面壓痕的裂紋擴展行為，對其臨界熱震溫差的影響因素進行分析。李悅彤[9]測量了(Cf-SiCf)/SiBCN復合材料在水淬實驗后殘余彎曲強度，研究不同燒結工藝參數及熱處理溫度的影響。Yang等[10]對層疊氧化物復合材料進行水淬實驗后發現，界面層開裂和基體微裂紋是主要失效模式，且熱震后的性能衰減隨鋪層角度的變化而有所不同，并提出了一種可描述材料剛度下降的連續損傷模型。本工作通過先驅體浸漬裂解(PIP)工藝制備正交鋪層SiCf/SiC復合材料，開展高溫水淬實驗研究，并結合基于連續損傷模型的有限元仿真方法，綜合分析該材料在水淬過程中的失效模式，研究正交鋪層方式對失效行為的影響規律，為SiCf/SiC復合材料的使用提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 樣品制備

在單向KD-Ⅱ SiC纖維表面涂刷液態聚碳硅烷(polycarbosilane, PCS)制備SiC纖維預浸料單向帶，將其按[0/90]，[0/90/0]，[0/0/90/90]三種不同鋪層方式分別進行鋪貼，總層數均為12層，SiCf/SiC水淬試樣示意圖如圖1所示。在0.5 MPa壓力及120 ～240 ℃熱壓固化3 h后制備出平板實驗件，隨后800 ℃高溫裂解1 h，并采用PIP工藝進行致密化。浸漬-裂解一次為1個循環，循環9次制備出SiCf/SiC復合材料平板件毛坯。通過激光切割為尺寸20 mm×20 mm×3 mm的方形試樣后進行水淬實驗。

圖1 SiCf/SiC水淬試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of water quenching SiCf/SiC samples

1.2 水淬實驗

將三種不同鋪層方式的方形試樣放置在耐火平板上，夾至預熱到1200 ℃馬弗爐中保溫10 min，待試樣加熱均勻后，將其夾出并迅速投入冷水(室溫約為25 ℃)中，為1次水淬熱震循環。8次循環后將試樣表面氧化層進行拋光，通過ZWSP-4K CN體式顯微鏡觀察試樣表面形貌及裂紋狀態，Nova Nano SEM450掃描電子顯微鏡觀察試樣內部微觀形貌。

圖2 SiCf/SiC復合材料熱性能Fig.2 Thermal properties of SiCf/SiC composites

2 水淬過程有限元模擬

2.1 有限元模擬方法

將高溫材料進行水淬的過程是溫度場、應力/應變場及冷卻水介質流場等的復雜耦合過程，還涉及材料與水介質之間的交互作用。目前，鮮有針對SiCf/SiC復合材料的公開報道。本工作參考金屬材料水淬過程模擬方法，對SiCf/SiC復合材料的水淬過程做如下假設：忽略試樣應力/應變對水淬過程的影響；忽略試樣變形、開裂等引起的溫度變化。假設材料為連續介質且成分均勻；假設材料性能僅為與溫度相關的參數，水淬過程對材料性能無影響[11]。比熱容c在20 ℃取值0.8 J/(g·℃)、1200 ℃取值1.0 J/(g·℃)，0°及90°方向SiCf/SiC復合材料熱導率及線膨脹系數如圖2所示[12-13]。忽略材料力學性能參數隨溫度的變化，彈性模量E、剪切模量G及泊松比ν具體數值見表1[13-15]。

表1 SiCf/SiC復合材料力學性能[13-15]Table 1 Mechanical properties of SiCf/SiC composites[13-15]

材料與水介質之間的表面換熱系數h是計算水淬過程溫度場的重要邊界條件，受水介質及材料溫度、水流狀態與材料表面狀態等因素的影響較大。本工作在選取換熱系數時參考碳合金鋼圓柱體水淬過程，假設該參數與工件表面溫度相關[16]，見表2。

表2 SiCf/SiC復合材料表面換熱系數Table 2 Surface heat transfer coefficient of SiCf/SiC composites

根據模型對稱性選取試樣1/4模型進行分析，采用有限元軟件Abaqus/Standard建立方形試樣，尺寸為10 mm×10 mm×3 mm。將模型沿厚度方向均分為12層，每層厚度方向網格數量為1，并根據局部坐標系定義材料方向為0°或90°，單元類型為C3D8RT，沙漏控制選取增強型。相鄰層間設置接觸，有限元模型如圖3所示。對稱面設置位移對稱邊界條件，其余外表面與水(溫度25 ℃)直接接觸，模型初始溫度為1200 ℃。為保證計算結果有效性，模型所有網格長寬比不超過3∶1。

圖3 1/4試樣有限元模型Fig.3 Finite element meshes of one quarter of sample

2.2 層間接觸模擬方法

層間接觸屬性采用內聚力模型進行描述，其本構模型為雙線性traction-separation模型(圖4)。材料性能表現為初始損傷產生前后的線彈性與剛度線性軟化兩個階段。本工作僅對該模型進行簡述，詳細計算流程可參閱相關參考文獻或ABAQUS幫助文檔[17]。初始損傷選取二次應力準則：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖4 雙線性traction-separation模型(單一受力狀態)Fig.4 Bilinear traction-separation model(pure loading state)

本工作制備的SiCf/SiC復合材料平均層間拉伸性能為16.1 MPa，假設層間為純SiC基體，內聚力模型參數不同失效類型的極限強度σ及臨界斷裂能GC如表3所示[18]。

表3 SiCf/SiC復合材料層間性能參數[18]Table 3 Interlaminar properties parameters of SiCf/SiC composites[18]

3 結果與討論

3.1 水淬實驗

3.1.1 鋪層方式對致密化效果的影響

[0/90]，[0/90/0]，[0/0/90/90]三種正交鋪層SiCf/SiC復合材料水淬前后的表面形貌如圖5所示。由圖5(a-1)，(b-1)，(c-1)可以看出，PIP工藝制備的材料表面均存在初始缺陷(箭頭所示)，[0/90]鋪層含量最高，致密化效果最差，這是由于該鋪層0°，90°兩個方向纖維正交次數最多，阻礙了聚碳硅烷(PCS)在不同層之間的流動，難以有效浸潤纖維；而對于另外兩種鋪層，由于相鄰兩層纖維方向相同，可互相填補束間間隙，致密化程度顯著提升。

圖5 不同鋪層試樣水淬前后表面形貌(a)[0/90];(b)[0/90/0];(c)[0/0/90/90];(1)未水淬;(2)水淬8次Fig.5 Surface topographies of different laminates before and after water quenching(a)[0/90];(b)[0/90/0];(c)[0/0/90/90];(1)as-received;(2)after 8 times

3.1.2 水淬過程失效模式分析

正交鋪層SiCf/SiC復合材料在水淬實驗后產生了大量裂紋，如圖5(a-2)，(b-2)，(c-2)所示，失效模式主要可分為兩種：

(1)層間開裂：沿x軸方向裂紋。水淬過程是材料表面的極速降溫過程，試樣內外將產生較大的溫度梯度及熱應力，而對正交鋪層復合材料而言，由于沿厚度方向纖維取向發生改變，材料性能突變，因此水淬過程中各層應力沿厚度方向也會突變、不連續。此外，層間無纖維增韌，當各層應力差異較大時，會導致層間開裂現象。在8次水淬循環后，試樣均出現了不同程度的層間開裂。不同鋪層試樣的層間開裂位置有所不同：[0/90]鋪層，主要位于3/4層之間，且裂紋貫穿表面,如圖5(a-2)所示；[0/90/0]鋪層，主要位于試樣厚度中心的兩層0°之間，即6/7層之間，為貫穿性裂紋。此外，在3/4層中間局部區域也發生了部分開裂，如圖5(b-2)所示；[0/0/90/90]鋪層，開裂情況最小，未出現貫穿性裂紋，僅在5/6層及8/9層之間靠近邊角區域發生了局部開裂，如圖5(c-2)所示。

(2)基體開裂：沿z軸方向裂紋。由于纖維束間基體為脆性，且SiC基體存在大量原始微孔洞，在熱應力的作用下基體將先于纖維產生破壞，導致水淬實驗后產生大量縱向基體裂紋。不同鋪層試樣基體裂紋密度也有所差異，具體表現為：[0/0/90/90]鋪層最低，而[0/90]鋪層最高。這可能是由于采用[0/0/90/90]鋪層時，初始缺陷數量最少，致密化程度最高，且沿厚度方向纖維取向變化次數最少。而[0/90]鋪層與之相反，導致水淬過程應力不連續現象最為嚴重，基體裂紋數量也最多。

值得注意的是，雖然PIP工藝制備的復合材料存在大量孔洞，但不是所有孔洞均會產生裂紋。圖6為SiCf/SiC復合材料水淬實驗后微觀形貌。可以看出，裂紋的擴展多沿著纖維束間進行(圖6(a))，而當原始孔洞與裂紋所在層不同時，層間開裂有可能繞過原始孔隙進行擴展，而不會跨越不同層間的界面(圖6(b))。

圖6 SiCf/SiC復合材料水淬實驗后微觀形貌(a)基體裂紋;(b)原始孔洞及分層Fig.6 SEM micrographs of SiCf/SiC composites after water quenching(a)matrix crack;(b)initial pore and delamination

3.2 模擬

3.2.1 水淬過程溫度變化分析

水淬過程中層間損傷的計算是非線性難收斂問題，且計算量較大，為此首先對不同鋪層試樣的水淬溫度場進行模擬，結果如圖7所示。

圖7 試樣芯部及頂角溫度變化曲線模擬結果Fig.7 Simulated temperature curves of the core and corner of samples

由于SiCf/SiC復合材料不同方向熱導率差距較小，因此三種鋪層方式模擬得到的溫度變化曲線基本一致。試樣芯部的溫度變化主要由傳熱主導，因熱導率較低，芯部溫度變化在水淬開始時較為平緩，隨后保持平穩，溫度下降率由73.8 ℃/求解時間增加至188.5 ℃/求解時間；試樣頂角與水接觸區域最大，且直接發生熱交換，因此在水淬開始時溫度劇烈下降，溫度下降率可達3156.2 ℃/求解時間，是芯部溫度下降率的16.7倍。當頂角溫度降至約100 ℃后逐漸平緩，此時試樣內外溫差增加至最大值1077 ℃，隨后逐漸減小。因此，在對層間開裂進行模擬時，總求解時間設置為1，即計算到試樣內外溫差最大的時刻。

3.2.2 鋪層方式對層間開裂位移的影響

方形試樣層間開裂模擬結果如圖8所示。可以看出，不同鋪層方式方形試樣的開裂模式存在較大差異：[0/90]鋪層，求解時間為0.4時，不同層間均有微開裂產生(箭頭所示)。求解時間為1.0時，3/4層、8/9層之間的開裂成了貫穿主裂紋，而其他的層間裂紋均已閉合；[0/90/0]鋪層，求解時間為0.4時，僅6/7層之間存在貫穿裂紋。求解時間為1.0時，9/10層之間產生整體開裂，3/4層中間局部區域產生部分開裂；[0/0/90/90]鋪層，求解時間為0.4時，不同層間發生不同程度微開裂。求解時間為1.0時，4/5層、8/9層之間局部開裂，其余層間裂紋閉合。

圖8 不同鋪層試樣在不同求解時間的層間開裂位移模擬結果Fig.8 Simulation results of delamination displacement of samples with different lay-up methods at different step time

綜合對比模擬結果及圖5水淬實驗結果可以看出，模擬得到的不同鋪層方形試樣的層間開裂模式與開裂位置基本與實驗結果吻合，證實本工作建立的模擬方法的有效性。

造成同一試樣在不同求解時間開裂形式變化的原因是，本工作采用的是基于損傷累積的裂紋漸進擴展模擬方法，因此，在水淬實驗過程中，試樣局部應力最大點會達到材料層間開裂強度，局部損傷D增加到1時即產生局部開裂，隨后試樣內部應力重分布，如圖9所示，進而導致層間裂紋的漸進擴展現象。

圖9 不同求解時間[0/90/0]鋪層試樣z向應力分布Fig.9 Stress distribution along z direction of [0/90/0] laying samples at different step time

為了進一步研究層間開裂位移隨求解時間的變化規律，將試樣典型特征點(見圖8中標識點)開裂位移隨求解時間的變化列于圖10。三種鋪層試樣均表現出主裂紋不斷擴展，次裂紋逐漸閉合的現象。其原因在于，試樣局部損傷D=1產生局部開裂后，由于整體應力會發生重分布，導致并不是所有的層間裂紋尖端應力水平均滿足D=1，而是分為兩種情況：(1)D=1時，裂紋持續擴展，層間開裂位移持續增加，此時裂紋擴展為主裂紋；(2)D<1時，裂紋不繼續擴展，此時裂紋為次裂紋，同時由于主裂紋的擴展“擠占”了已開裂的次裂紋的空間，導致次裂紋層間開裂位移減小，即發生閉合現象。

圖10 不同鋪層試樣層間開裂位移曲線Fig.10 Delamination displacement curves of different laying samples

結合圖5實驗結果可知，不同鋪層試樣均可觀察到主裂紋及次裂紋，且裂紋所在位置與模擬結果基本吻合，由此佐證了分析過程的有效性。

不同鋪層方式主裂紋開裂位移差距明顯，[0/90]，[0/90/0]，[0/0/90/90]鋪層試樣的主裂位移分別為0.61，0.61，0.04 mm。結合實驗結果可知，[0/0/90/90]鋪層試樣在水淬過程中產生的損傷最小，這可能與該鋪層致密化程度較高，且不同取向纖維交叉次數最少有關。

4 結論

(1)PIP工藝制備的正交鋪層SiCf/SiC復合材料水淬主要失效模式為層間開裂及基體開裂，且鋪層方式對其致密化程度和水淬失效行為均有所影響：[0/90]鋪層試樣致密化程度最差，水淬基體裂紋密度最高；[0/0/90/90]鋪層試樣致密化程度最高，水淬基體裂紋密度最低。

(2)建立了基于內聚力模型的連續損傷有限元模型，仿真得到的層間失效行為與水淬實驗結果基本吻合。水淬過程中，方形試樣頂角的溫度下降率是芯部的16.7倍，且不同鋪層方式方形試樣溫度變化基本相同。

(3)正交鋪層SiCf/SiC復合材料試樣在水淬過程中均存在層間主裂紋不斷擴展，次裂紋擴展后閉合的現象。但不同鋪層方式試樣層間開裂位置有所差異，且主開裂位移相差較大，[0/90]，[0/90/0]鋪層試樣為0.61 mm，[0/0/90/90]鋪層試樣僅為0.04 mm。