SiCf/Ti基复合材料中C/TiC/Ti梯度涂层的高温界面结构及其性能研究

The key to improve the service life of SiCf/Ti composites at high temperature is to prepare high-temperature fiber protective coating with excellent performance. C/TiC/Ti gradient coating is a new type of SiC fiber surface protection coating, which developed on the basis of single coating and double coating. The coating structure not only can effectively transfer the stress at high temperature, but also shows excellent performance in blocking the reaction between SiC fiber and titanium alloy matrix. However, the failure mechanism of the coating in high temperature service is still unclear. Therefore, this project intends to study the correlation mechanism of structural and performance changes of C/TiC/Ti gradient coatings in SiCf/Ti composites during high-temperature service based on molecular dynamics. The high temperature properties of coatings are studied in two parts. Firstly, based on the energy optimization results of the interface structure, the evolution law of the interface structure of the protective coating with the increase of the holding time is proposed. Then, the interaction between the interface structure of the composite gradient coating SiCf/Ti matrix composite and its service performance was studied by applying a load, and the hindering effect of C/TiC/Ti coating on the initial cracks process in composite materials is revealed. The implementation of this project can provide theoretical guidance and technical support for improving the high temperature performance of composite materials.

提高SiCf/Ti基复合材料高温使用寿命的关键在于，制备出性能优异的高温纤维保护涂层。C/TiC/Ti梯度涂层是在单涂层和双涂层基础上发展而来的新型SiC纤维表面保护涂层。该涂层结构在高温下不但能有效传递载荷，而且还表现出阻挡SiC纤维与钛合金基体反应的优异性能。但是，目前关于该涂层在高温服役过程中的失效机理尚不明确。因此，本项目拟采用分子动力学方法研究SiCf/Ti复合材料中C/TiC/Ti梯度涂层高温服役过程中结构和性能变化关联机制。对涂层高温性能的研究分两部分。首先，在界面结构能量优化的基础上，提出保护涂层随保温时间增加的界面结构演变规律；第二部分是在载荷条件下，研究复合材料梯度涂层SiCf/Ti基复合材料界面结构和服役性能之间的相互影响关系，并揭示C/TiC/Ti涂层对阻滞复合材料中初始裂纹萌生的作用机制。本项目的实施能为提高复合材料高温性能提供理论指导和技术支持。

发展和控制复合材料中增强纤维与基体合金的界面相容性理论研究，是充分发挥复合材料潜力的重要途径。本基金以纤维增强化钛基高温合金为对象，将高温塑性变形、纳米线结构、点缺陷、界面缺陷的与分子动力学计算研究相结合，源于界面结构相强化钛基高温合金，制备工艺的应用基础研究背景。从热力学稳定性、界面稳定性、服役失效机理三个方面开展探索，深入到原子局域排序、前期缺陷和缺陷扩展的协同演变，为高温变形与服役工艺设计，提供理论支撑。.采用分子动力学研究纳米材料，不但可以通过能量优化手段获取最优纳米结构模型，还可以实现微观组织结构演化过程的实时、全方位多角度观察，并能按需分析各变形阶段的力学行为，揭示材料的内在变形机制。获得了以下新的见解。.1）在TiAl纳米多晶体形变机制研究中，温度在变形机制的竞争发生中起关键作用。在低温（< 800 K）下，平均晶粒尺寸低于8.3 nm的单相纳米多晶TiAl合金首先出现位错运动，且层错保留在晶粒中并形成交错结构。同时，大晶粒（≥ 8.3 nm）为位错运动提供了足够的空间，很少在晶粒中心形成层错。.2）在TiAl纳米多晶体高温形变机制研究中（≥ 800 K），Ti和Al原子处于高能状态，主要的变形机制与具有非晶结构的滑移边界有关。对Ag覆盖纳米线进行能量优化后，可知当粒径小于1.0 nm 时，Ag 颗粒中的原子排列被重构。随着直径从 1.0 nm 增加到 8.0 nm，Ag颗粒中完美晶格的范围变大，颗粒与纳米线界面处的应力逐渐增加。.3）分子动力学模拟的金属多晶界面反应结构，且引入温度场、各向异性和温度梯度等实际服役环境特征，用于描述缺陷从形核到长大的形貌、尺寸和分布。阐明了温度场效应、温度梯度、弹性不均匀应力场下微观缺陷的长大行为。.该工作为金属基复合材料从成分 →工艺 →组织调控 →性能调控设计提供理论依据，启发新材料 开发、新工艺设计，对于推动航空工业数据库建设、高通量计算、一体化设计、多尺度模拟方面具有重要意义。