面向超高温使用的超强韧SiCf/SiCm复合材料研究

Silicon carbide continuous fiber-reinforced silicon carbide matrix composites are the emerging material of choice for structures that will see temperature above ~1500 in hostile environments, but the safe operation of applications depends on how small cracks forming inside the material are restrained by its microstructure. Ultra- strong and tough SiCf/SiCm can be obtained through bio-inspired tailored microstructural complexity, that is hierarchical and hybrid design concept. Yet how to characterize damage and failure evoluion in extreme environments has been a big challenge. The present work will infiltrate the interphase for silicon carbide fibers and measure the cohesive force, then design various textile architecture procedures to process the whole SiCf/SiCm composites. Synchrotron X-ray time-resolved in situ 4D observation will be used to gather the damage information of SiCf/SiCm composites under load at ultrahigh temperatures. Through 4D experiments, the optimal design of interphase and bundles textile architectures can be obtained and experimentally observed information can also be used to do high-fidelity simulation and virtual test. This research will advance the engineering of SiCf/SiCm composites in China.

碳化硅纤维增强碳化硅基体复合材料（SiCf/SiCm）为面向苛刻环境及超高温使用的陶瓷基复合材料的杰出代表，但是其安全应用依赖于材料内部的微观组织约束微裂纹生长的能力从而避免灾难性失效。利用生物材料多层级的、复杂的、微观组织及结构的定制设计，可以获得强度和韧性兼有的高稳定性的高损伤容限超高温结构材料。然而如何评估材料在苛刻环境下的失效行为又是一个难题。本项目将首先对碳化硅纤维界面相进行精细处理并测试其界面结合力，继而设计多种纤维三维架构编织方案，合成SiCf/SiCm复合材料，从而对制备出的复合材料开展复杂热力环境下的同步辐射X射线四维原位实时研究，获得SiCf/SiCm复合材料界面和架构设计的优化方案，并开展组织模型的虚拟测试。本项目将会大大推动SiCf/SiCm复合材料的国产化。

连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基(SiCf/SiCm)复合材料因其低密度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优点被认为是航空航天领域及超高温环境用领域最具潜力的结构材料。在我国，开展SiCf/SiCm复合材料的制备研究以及损伤表征对我国的国防建设具有重大战略意义。本项目系统性的研究了SiCf/SiCm复合材料各层级结构材料的制备工艺和方法，表征了国产二代SiC纤维的本征和环境性能，获得了制备热解碳(PyC)界面层和SiC基体的制备参数。在此基础上制备了具有不同编织结构体系的 SiCf/SiCm复合材料，：(1) 具有单层PyC界面的单束SiCf/SiCm复合材料；(2) 具有单层PyC界面的2.5D SiCf/SiCm复合材料；（3）具有单层PyC界面的3维4向SiCf/SiCm复合材料；（4）具有PyC/SiCn多层界面的2D SiCf/SiCm复合材料，并对所制备的材料进行了损伤评价，特别是对具有2.5D 编织结构的SiCf/SiCm复合材料的微观结构特征、界面氧化行为、拉伸变形过程损伤机理等进行了深入研究。本项目研究结果可以为SiCf/SiCm复合材料的结构设计，制备工艺，损伤表征和应用提供一定的理论参考和实验依据。另外，为了寻求韧性更高的复合方式，本项目成功制备出柞蚕丝纤维/碳纤维混杂增强复合材料，研究了纤维混杂方法对复合材料韧性提高的作用机制，结果表明纤维混杂结构复合材料提升了复合材料的刚度和强度，改善了界面结合性能，实现了复合材料强度、刚度和韧性的平衡，这为陶瓷基复合材料的结构设计提供了一定的借鉴思路。