摘要
为了利于大型构件的制备,采用浆料浸渍工艺,以Nextel 720连续氧化铝纤维增韧,通过一次烧结过程制备了Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料。测试了复合材料的物理及力学性能,并采用光学显微镜、SEM对试样的微观形貌进行了表征。结果表明:复合材料的体积密度为2.64 g/c
随着航空航天技术的发展,飞机及航空发动机的高温部件对轻质、耐高温的陶瓷基复合材料提出了明确需
Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料的制备工艺较
国内也有部分研究者开展了Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料制备探索,但对于制备的复合材料性能评价并不全面,一般仅开展材料弯曲强度测试表
采用浆料浸渍工艺制备Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料。其中,增强纤维选用3M公司的Nextel 720连续氧化铝纤维,纤维规格为1500 Denier(167 Tex),单束纤维含400根单丝,单根纤维直径为12~14 μm。首先,将纤维编织成八枚缎纹布(8HS

图1 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料的浆料浸渍工艺
Fig.1 Slurry infiltration method used for the fabrication of Al2O3/Al2O3 composites
采用阿基米德排水法,按照GB/T 25995—2010的要求测试复合材料的体积密度和显气孔率;采用闪光法通过导热仪(德国耐驰公司,LFA427)测试复合材料的热导率,样品尺寸为10 mm × 10 mm × 2 mm,测试温度点包括室温、400、600、800、1 000、1 100、1 200 ℃;采用顶杆法,按照GB/T 16535—2008的要求测试材料的热膨胀系数,试样尺寸为50 mm × 5 mm × 5 mm,测试温度范围为200~1 200 ℃。
采用电子万能试验机(Instron 5982),按照GJB 8736—2015的方法测试复合材料的室温拉伸强度,试样尺寸见GJB 8736—2015中

图2 制备的Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料
Fig.2 Morphology of as prepared Al2O3/Al2O3 ceramic matrix composite

(a) Overview

(b) Porous nature of the matrix is evident
图3 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料的微观形貌SEM图像
Fig.3 SEM morphology of as-prepared Al2O3/Al2O3 ceramic matrix composite

图4 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料厚度方向的热导率
Fig.4 Thermal conductivity of Al2O3/Al2O3 ceramic matrix composite(thru-thick)

图5 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料面内的热膨胀系数
Fig.5 Average coefficient thermal expansion of Al2O3/Al2O3 ceramic matrix composite(in-plane)

图6 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料典型室温面内拉伸应力-应变曲线
Fig.6 Typical room temperature tensile stress-strain of Al2O3/Al2O3 ceramic matrix composite(in-plane)

图7 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料面内拉伸试样断口形貌
Fig.7 Fracture surface of Al2O3/Al2O3 CMC specimens after tensile test

(a) Overview

(b) Fiber pull-out
图8 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料面内拉伸试样断口SEM形貌
Fig.8 SEM fracture surface of Al2O3/Al2O3 ceramic matrix composite specimens after tensile test

图9 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料典型室温弯曲应力-应变曲线
Fig.9 Typical room temperature flexure stress-strain of Al2O3/Al2O3 ceramic matrix composite

图10 Al2O3/Al2O3复合材料弯曲试样断口形貌
Fig.10 Fracture surface of Al2O3/Al2O3 composite specimens after bend test
采用视频显微镜和扫描电子显微镜(FEI 450)对Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料的微观形貌进行表征。
制备的Al2O3/Al2O3复合材料的典型宏观及微观形貌如
从
Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料厚度方向的热导率测试结果如
Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料面内的热膨胀系数测试结果如
Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料拉伸破坏的典型断口形貌如
可以看出,断口主要表现出纤维断裂的特征,在试样的整个宽度方向均能看到断裂的纤维,厚度方向每层的纤维随机断裂,呈现出毛刷状的断裂表面,并不能观察到一个清晰的断裂面。纤维的断裂方式表明,多孔基体的Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料呈现出韧性断裂的特点。
Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料拉伸破坏的断口SEM形貌如
从曲线来看,复合材料的弯曲断裂过程大致可分为线弹性和非线性两个阶段。在线弹性阶段(0~120 MPa),应力随应变几乎呈线性增加,复合材料发生类似弹性形变;在非线性阶段(~120 MPa至断裂),应力-应变曲线的斜率开始逐渐降低,说明在这一阶段,材料承载所施加的应力水平已经超过了基体开始产生裂纹所需的最小应力,基体产生了裂纹,导致材料的模量有所降低,并且,随着载荷的持续增加,裂纹也开始在基体中持续传播、扩展,如

图11 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料弯曲试样断口形貌
Fig.11 Fracture surface of Al2O3/Al2O3 CMC specimens after bend test

图12 Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料典型层剪强度-位移曲线
Fig.12 Typical interlaminar shear strength-displacement of Al2O3/Al2O3 ceramic matrix composite

图13 Al2O3/Al2O3复合材料层剪试样断口形貌
Fig.13 Fracture surface of Al2O3/Al2O3 composite specimens after shear test
制备Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料(N720/BOS201)的物理及力学性能如
(1)采用浆料浸渍工艺,以Nextel 720连续氧化铝纤维增韧制备了Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料,材料为多孔基体结构,体积密度为2.64 g/c
(4)对断裂试样的微观形貌分析表明,复合材料受载产生裂纹后,裂纹在多孔基体中可以发生偏转,进而能够保证纤维脱粘和纤维拔出等增韧机制得到有效发挥,从而提高复合材料的断裂韧性。多孔基体的结构使材料呈现出韧性断裂的特点,材料的主要力学性能由纤维性能决定。
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