高温氧化对C/SiC复合材料动态拉伸力学性能的影响

Carbon fiber-reinforced ceramic matrix composite (C/SiC composite) is one of the cornerstones for re-entry space vehicle as an integrated large-area thermal protective and structure material, which is often subject to the discrete source impact within a very short time period with high deformation rate under high temperature circumstance. However, its mechanical properties under extreme temperatures and high strain rate coupling conditions have been understudied. This project aims to carry out dynamic tensile experiments under coupled elevated temperatures conditions (i.e. different oxygen content, temperature and times of repeated oxidation) by means of Hopkinson tensile bar system to determine the dynamic tensile properties of C/SiC composite at elevated temperatures. with the aid of high-speed camera and SEM observation, the oxidation, damage and failure mechanism, as well as the influence of temperature and strain rate can also be determined. Stain rate and temperature related constitutive model of damaged material is also constructed to provide further reference for the safety design of light, thermal protective and impact-resistant material with integrated structural and thermal properties in the aerospace field, and to guarantee the safety of re-entry aero space vehicle.

C/SiC复合材料作为可重复使用空天飞行器和发动机的热防护材料，在飞行过程中经常遭受离散源的冲击作用，其冲击时间非常短，变形速率高，并伴随着高温环境作用，但其在高应变率下的高温氧化作用对其力学性能的影响机理尚不清楚。本项目采用新型带高温耦合环境（不同气氛含氧量、不同温度、不同氧化重复次数）的Hopkinson拉杆系统对C/SiC复合材料的动态拉伸力学性能进行研究。确定高温氧化对C/SiC复合材料的动态拉伸力学性能的影响，结合高速摄像和SEM扫描电镜的观察分析，明确材料的氧化机理、破坏机理与失效模式以及其受温度、应变率的影响，并建立计及温度、应变率在内的动态本构关系，为航空航天领域内轻质、耐冲击热防护结构的一体化设计提供依据，并为可重复使用的空天飞行器的安全提供保障。

连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC复合材料)是未来可重复使用空天飞行器大面积防热承载一体化热结构设计的关键支撑材料之一，其在飞行过程中经常遭受离散源的冲击作用，其冲击时间非常短，变形速率高，并伴随着高温环境作用，但其在高应变率下的高温氧化作用对其力学性能的影响机理受到人们的关注。本项目采用新型带耦合环境的Hopkinson拉杆系统对C/SiC复合材料的动态拉伸力学性能进行研究。研究了2D C/SiC复合材料动态拉伸力学性能的应变率效应。利用体式显微镜和扫描电镜观察分析了2D C/SiC复合材料在不同应变率下的破坏形貌。然后通过超高速照相机观察了其动态拉伸载荷作用下的破坏过程，并按照时间将此过程与其应力应变曲线一一对应起来，在实验结果的基础上，构建了2D C/SiC复合材料含损伤的应变率相关的本构方程，且本构方程拟合曲线与实验曲线吻合较好。建立了一种高、低温与高应变率耦合条件下的力学性能实验技术。并利用该技术对有SiC防氧化涂层的2D C/SiC复合材料进行了高温（800℃和1000℃）、低温（-100℃）的动态拉伸力学性能的实验研究，最后对该技术进行了评估。这部分的重点在于高温冷却装置的建立，此装置是高温动态拉伸实验技术的难点，也是成功的关键。利用建立起来的耦合环境作用下的Hopkinson拉杆实验技术，对2D C/SiC复合材料进行了不同温度下的动态拉伸力学性能实验研究，得到了其在高、低温与高应变率加载条件下的拉伸力学性能实验数据，分析了温度效应和应变率效应对该材料拉伸强度的影响，之后采用扫描电镜观察试样在高温下的破坏断口，探讨了不同环境下的氧化行为，分析了在其破坏机理。为航空航天领域内轻质、耐冲击热防护结构的一体化设计提供依据，并为可重复使用的空天飞行器的安全提供保障。