SiC_SiC复合编织管的抗热冲击性能与失效机理研究.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家重大科技专项资助项目(.)国家自然科学基金资助项目(.)中国博士后科学基金资助项目(.)通信作者:晋小超:.引用格式:胡庆宽许琦鹏万志慧等./复合编织管的抗热冲击性能与失效机理研究.应用力学学报():./.():.文章编号:()/复合编织管的抗热冲击性能与失效机理研究胡庆宽许琦鹏万志慧杨保建周为晋小超(.河南航天精工制造有限公司河南省紧固连接技术重点实验室 信阳.西安交通大学航天航空学院极端环境与防护技术联合研究中心 西安)摘 要:以二维二轴编织的/复合编织管为研究对象研究其抗热冲击性能及失效机理 自主搭建了基于石英灯辐照加热的循环热冲击试验平台基于该平台开展了/复合编织管的循环热冲击试验考核并对循环热冲击后的复合编织管进行了径向压缩测试探究了复合编织管力学性能与破坏机理拟合得到了热冲击强度退化经验公式 研究结果表明搭建的循环热冲击试验平台能够模拟快速升降温的实际服役环境最高升温、降温速率在试验过程中分别可达约、/随着热冲击循环次数的增加/复合编织管环向拉伸强度下降且降幅随之增大 热冲击产生的热应力导致纤维周围的基体产生微裂纹弱化了纤维束与基体之间的连接这是复合编织管强度降低的原因之一 拟合的强度退化经验公式能够准确描述强度退化规律可以满足工程应用需求关键词:陶瓷基复合材料/复合编织管石英灯辐照加热热冲击失效机理中图分类号:.文献标志码:././(.):/./.第 期胡庆宽等:/复合编织管的抗热冲击性能与失效机理研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 ././.:/随着现代科学技术的发展空间技术和新能源领域尤其是航空发动机、航天热防护系统、核能工业等尖端科学领域对材料的高温性能提出了越来越高的要求 例如涡轮前的进口温度是影响航空发动机动力的重要因素在航发的推重比为 时涡轮的进口温度高达 而现有的高温合金材料最高使用温度约为 已无法满足要求在核反应堆中反应温度是影响其热效率的重要因素在概念气冷快堆()、铅冷快堆()和超高温反应堆()中燃料包层材料在正常运行时的温度将超过 而常用的锆合金材料极限使用温度在 左右无法满足燃料包层管对温度的要求因此制备一种具有低密度、高韧性、高强度、高模量、耐高温、耐侵蚀等优秀性能的新材料成为重大需求之一 陶 瓷 基 复 合 材 料()具有高比强度、耐高温性、耐烧蚀性以及抗疲劳性能能够在极端高温环境下服役是提高新一代航空发动机效率及核反应堆反应温度的主要候选材料 已经显示出在极端温度环境下承受极大载荷的能力这使得 热端部件可以在更高的温度下运行 的制备工艺仍是决定其能否应用于航空航天工业及核工业的关键技术之一 的主要制备工艺包括化学气相渗透工艺()、聚合物先驱体浸渍裂解工艺()以及反应熔体渗透工艺()等 是指将一种或几种烃类气体化合物经高温分解、缩聚之后沉积在多孔介质内部使材料致密化的方法这种方法具有高纯度、高结晶、技术成熟、可制成大型部件等优点同时也具有制备时间长、成本高的技术问题 比较而言 是一种相对成熟的工艺其具备良好的力学性能由其制成的先进陶瓷基复合材料可被广泛用于极端热环境中的热端部件 针对 高温力学性能现有研究主要聚焦于静态高温环境下的力学特性 作为 的一种/复合材料相较于/复合材料、/复合材料在相同工况下具有热应力小、耐氧化等特点因此在航空航天、核能领域中其常被用于高温、大热冲击服役工况下的热端部件 然而对/复合材料抗热冲击性的研究却鲜有报道造成这一现象的主要原因是缺乏先进加热方法 目前工程中较为常用的加温方法主要包括电磁感应加热法和电阻加热法 电磁感应加热法具有非接触、加热速快、可实现局部加热的优点同时具有集肤效应、热惯性大、不适用于非金属材料的缺点电阻加热法具有结构简单可靠、成本低、功率大的优点同时具有热惯性大、较危险的缺点 近年来石英灯辐射加热法具有升温快、热效率高、热惯性小等优点适用于开展热冲击试验逐渐在工程领域得到了重视和发展 然而目前我国关于石英灯辐照加热技术尚不成熟在工程领域的应用报道较少燃料包层管是核燃料的封装容器是燃料元件几何形状的支撑结构由于核反应过程中核燃料频繁与冷却剂换热燃料包层管常承受热冲击载荷因/复合材料出色的耐高温、耐氧化性能在新一代反应堆中由其制成的/复合编织管常被用做燃料包层管 因此本研究以 工艺制备的/复合编织管为对象采用自主搭建了基于石英灯辐照加热的循环热冲击试验平台完 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报成了对复合编织管的循环热冲击试验并对热冲击后的/编织管进行了弯曲试验探究了其破坏机理并拟合得到了其热冲击强度退化经验公式/复合编织管抗热冲击性能试验研究./复合材料编织管本研究中的/复合编织管采用第三代 纤维(型日本碳素公司)平均直径为 该材料由 层组成内层是具有堆叠结构的纤维缠绕层中间层和外层均为()二维编织结构如图 所示 在编织体上沉积厚度约为 的热解碳()形成/预制体 最后通过 工艺对/预制体进行致密化 该编织管的内半径为.外半径为.表面经过打磨抛光图 /复合编织管./.循环热冲击试验.循环热冲击试验平台本研究自主搭建的热冲击试验平台采用热辐射加热方式其中发热体采用技术发展较为完善的石英管碘钨灯(简称石英灯)该平台控制方案如图 所示上位机为 及其扩展模块组下达指令同时 及其扩展模块组为上位机提供数据 及其扩展模块组提供信号给功率控制器进而控制加热装置的输出功率来加热试件 同时试件的温度信息被 型热电偶捕捉并被转化为标准信号并传递给 及其扩展模块组控制方案中的加热装置如图 所示主要包含石英灯组、石英灯组夹具、水冷通道、型热电偶 部分夹具水冷通道、加热灯管冷气管道分别安装在夹具和加热灯管外围 图()为试验装置仰视图石英灯组安装于石英灯夹具正下方 试验过程中试件被耐高温合金丝固定在莫来石板中石英灯组通过辐照对试件进行加热 降温过程中由水冷通道对试件进行冷却图 基于石英灯辐照加热的循环热冲击试验平台控制方案.图 基于石英灯辐照加热的循环热冲击试验平台加热装置.第 期胡庆宽等:/复合编织管的抗热冲击性能与失效机理研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报./编织管循环热冲击试验对试样表面进行处理后开展循环热冲击试验本试验中采用的圆管试件高度为(.)如图 所示 试件共分为 组每组 个试件对 组试件分别进行、次热冲击循环 实验过程中一个温度循环周期为 包括升温 、高温保载 、降温 、低温保载 其中最高温度为 、最低温度为 冷却方式采用水冷 试验过程如图 所示为了维持均匀温度场用莫来石板封闭试验环境温度载荷曲线如图 所示从图 中可看出在试验过程中本平台的最高升温、降温速率分别可达约、/考核过程中每经历 个循环暂停试验检查试件状况更换受损石英灯管图 /复合编织管试件./图 基于石英灯辐照加热的循环热冲击试验过程.图 循环热冲击试验温度载荷谱.形/编织管径向压缩试验为研究热冲击对编织管强度的影响本研究在完成循环热冲击试验后进行压缩测试 在/复合编织管服役过程中高温气体或燃料芯块的膨胀是引起编织管胀裂失效的主要形式之一 对于陶瓷结构件常使用管状试件(如 形环和 形环)来测量环箍性能即环向拉伸强度 与采用 形试件进行胀塞试验相比采用 形试件进行径向压缩试验更易操作此外研究人员对该试验方法进行理论分析表明环向拉伸强度的测量误差仅为 因此本研究采用 形截面的/复合编织管试件测量/复合编织管的环向拉伸强 度 首 先 依 据 先 进 陶 瓷 国 际 标 准 将/复合编织管切成 形并进行强度测试 制样切割过程中使用直径约为.的金刚石丝进行切割并采用冷却液进行冷却 然后对试件切割面采用 目砂纸进行打磨直至在光学显微镜下未观察到明显切割缺陷试验过程采用原位 记录试件变形、破坏过程如图 所示 在进行压缩测试前对热冲击后的试件截面喷涂散斑散斑质量较好 试验过程中首先调节光学镜头焦距、光圈以及补光灯亮度保证在 软件中观测到的图像质量满足要求然后进行径向压缩破坏试验 需要指出的是在合金压头中心位置预置有.深的凹槽用于增强 形试件端面与压头的接触保证试件在加载过程中不发生转动 加载速率为./设备图像采集频率为 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 形/复合编织管压缩试验./.环向拉伸强度计算环向拉伸强度往往是设计、数值模拟中建模和工作许可中的必要输入环向拉伸强度可由临界破坏压力推导得出 根据曲梁理论可得到环向应力为 ()式中:为轴线半径 为压力 为应力处在 方向上的坐标(图)为截面面积 为弯矩的表达式为()()对于此 形试件发生破坏的位置在试件的对称处 在对称处的截面上 ()对于矩形截面有 ()()()当 时.当 时 当 时.当 时.因此为简化计算在 .的试件中取 因此可以得到 ()由式()可知当 时取得最大值表达式为()()图 形/编织管受力状态简图./依据以上关系即可得到不同热冲击循环次数后/编织管环向拉伸强度进一步可拟合得到环向拉伸强度与热冲击循环次数之间的函数关系 结果与讨论./编织管的破坏机理对比每组 个试件的加载曲线可以发现力位移曲线重合度较高保证了试验数据的可靠性 将、次热冲击循环后试件的代表曲线进行对比如图 所示试件断裂前的曲线可被分为两个阶段:近似线性段依据相关文献在这个阶段基体虽然会出现微裂纹但基体和纤维束仍共同承受载荷变形主要来源于纤维束和基体的弹性变形发生局部损伤之后的非线性段在这个阶段编织管经历非线性变形直至断裂基体所承载的载荷逐渐转移到纤维上纤维成为主要的承载部分随着载荷的增加/编织管发生局部断裂失效 其中材料变形的第阶段主要是基体裂纹扩展、纤维断裂、界面脱粘和纤维拔出等机制导致的这是 纤维和界面发挥预期增韧效果的主要阶段加载曲线表明随着热冲击循环次数的增加试第 期胡庆宽等:/复合编织管的抗热冲击性能与失效机理研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报件所能承受的最大载荷依次减小失效应变也依次减小说明热冲击可能导致复合材料失去了部分增韧机制 值得指出的是在、次热冲击循环后试件的失效机制会发生明显的转变没有发生明显的脆性断裂而是表现出一定的“塑性”图 不同热冲击次数后 形/编织管的加载曲线./以、次热冲击循环试件的径向压缩力位移曲线为例破坏过程中基于原位 得到的应变()演化如图 所示 可以发现在加载初始阶段由于局部微结构的影响两种热冲击试件的应变集中均未出现在最终断裂处 随着加载的进行两种热冲击试件的最大应变均出现在最终断裂处附近最大变形位置逐渐稳定此时载荷由纤维束和基体共同承担 由于基体内部微裂纹扩展及损伤的积累材料内部承载不均匀并会呈现出明显分区域应变集中的特点这在无热冲击试件径向压缩过程中体现得更明显如图()所示此时基体上的载荷逐渐向纤维上转移纤维成为主要承载部分 最后断裂处应变集中区域进一步扩展由于断裂处基体已经失效纤维束承载下的大应变区域不断扩展导致断裂位置的应变远远大于其他位置最终发生整体断裂失效 此外由于裂纹的扩展导致 形试件的外侧部分承载面积减少外侧应力集中较内侧部分更严重因而最终失效发生在试件外侧图 形/试件压缩过程的截面应变云图./断裂处断口形貌如图 所示可以观察到明显的微裂纹(红色标记区域)在热冲击过程中由于纤维束和基体间的热膨胀系数不同在界面处产生了热应力 热应力与纤维的弹性模量、纤维的 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报泊松比、热冲击引起的温差、纤维束和其它部分的热膨胀系数之差的绝对值正相关 热应力导致纤维周围产生微裂纹削弱纤维束与基体间的结合作用减小材料在拉伸载荷下的实际承载面积进而降低了复合材料的宏观拉伸性能 热失配引起/复合编织管局部显著弱化在拉伸载荷作用下部分纤维从基体中拔出如图()所示进而在断口处形成大量孔洞 此外对比图()中无热冲击试件的弯曲破坏断口形貌可以发现热冲击使得试件纤维拔出长度变短 从图()中可以看出微裂纹也常出现在层间的基体上造成/复合材料分层这一现象也在无热冲击试件的断口形貌中被观察到如图()所示 陶瓷基体的固有脆性使得材料的微裂纹扩展行为对内部缺陷非常敏感而纤维增强相阻止了微裂纹在热应力下的快速扩展裂纹只能在纤维束编织层之间扩展 在图()中也可以看出裂纹在传播过程中穿过纤维束表面导致表面附近的纤维受损而远处的纤维形态相对完整 从图()中可以看出在外载作用下断裂处基体开裂严重并沿横向(与纤维束呈)扩展纤维束方向发生界面脱粘出现大量纤维拔出现象这表明/复合编织管具有良好的韧性图 形/编织管弯曲断裂断口微观形貌./.热冲击后的强度退化经验公式将试件的尺寸参数以及临界破坏力 代入式()中计算得到/复合编织管热冲击后的环向拉伸强度如表 所示 结果表明随着热冲击循环次数的增加试件环向拉伸强度逐渐下降且下降速率随热冲击循环次数的增加而增大 热冲击循环、次后复合编织管的环向拉伸强度分别为.、.、.与不进行热冲击循环得到的复合编织管环向拉伸强度.相比其降幅分别为.、.、.当复合编织管承受激烈变化的温度时其内部产生温度梯度进一步导致编织管材料内部会因收缩或膨胀受阻产生热应力当热应力超过材料强度极限时材料内部不同组分间产生分裂、挤压等现象引起材料整体力学强度衰减表 热冲击后/复合编织管的临界破坏载荷与环向拉伸强度./热冲击循环次数临界破坏压力/号试件 号试件 号试件 号试件平均破坏载荷/环向拉伸强度/次.次.次.次.热冲击后/编织管环向拉伸强度与循环次数之间的关系如图 所示 进行二项式拟合得到强度退化经验公式为.()第 期胡庆宽等:/复合编织管的抗热冲击性能与失效机理研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报式中:为环向拉伸强度 为热冲击循环次数 需要指出的是/复合编织管在径向上具有相似的缺陷尺寸和分布、相同的纤维结构和纤维组分、较小的密度差异 针对该/复合编织管的研究表明强度计算主要基于材料均匀假设/复合编织管在径向方向上材料均匀计算的强度误差范围较小是可以接受的 该经验公式参数较少且能够描述拉伸强度的衰减规律适合工程应用图 形/编织管热冲击后的强度退化./结 论本研究以/复合编织管为对象搭建了基于石英灯辐照加热的循环热冲击试验平台完成了对复合编织管试件的循环热冲击试验并对热冲击后的 形/编织管试件进行了强度测试研究了其破坏机理建立了热冲击的强度退化经验公式 主要结论如下)本研究搭建的基于石英灯辐照加热的循环热冲击试验平台能够模拟快速升降温的服役环境最高升温、降温速率在试验过程中分别可达约、/)随着热冲击循环次数的增加/复合编织管失效模式由脆性断裂转变转变成“假塑性”断裂 热冲击产生的热应力导致纤维周围产生微裂纹弱化了纤维束与基体间的结合作用这是编织管宏观拉伸性能降低的原因之一)随着热冲击循环次数的增加/复合编织管环向拉伸强度有明显的下降趋势且降幅随热冲击循环次数的增加而增大 拟合的强度退化经验公式能够准确描述退化规律能够满足工程应用需求参考文献:.():.赵陈伟毛军逵屠泽灿等.纤维增韧陶瓷基复合材料热端部件的热分析方法现状和展望.航空学报():.:.():().王洋贺丽娟刘圆圆等./复合材料制备技术研究进展.飞航导弹():./.():().刘昭昭王淼刘延辉.镍基高温合金 本构模型及热加工图的热模拟研究.航空材料学报():.():().:.:.():.张立同成来飞.连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨.复合材料学报():.():().郭晋军李威达王瑞平.陶瓷基复合材料钻孔出口损伤影响规律研究.机械研究与应用():.():()./.():.张俊敏陈小武廖春景等./复合材料的 制备方法以及微观结构和性能优化.无机材料学报():./.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报():().汤哲鹏贾林涛谢宇辉等.甲烷 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