SiC/Ti基复合材料界面附近残余热应力及界面调控

Thermal residual stresses near the interface in SiC fiber reinforcement Titanium alloy composite (SiC/Ti composite) are very important and will influence the load transfer and its mechanical properties. The project will study the real distribution of thermal residual stresses near the interface in SiC/Ti composites by using Convergent Beam Electron Diffraction (CBED) and Geometric Phase Analysis (GPA)for the image from High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) because of their high space resolution. The SiC/Ti composites with different fiber coating and different thermal exposure process will be investigatedin this project. On the basis of experimental results, the distribution of thermal residual stresses near the interface in SiC/Ti composites will be simulated by Finite Element Method (FEM). This model will consider the interface reaction between the fiber and matrix. By analyzing the results from experimental and simulation, the effect of interface reaction on thermal residual stresses near the interface in SiC/Ti composites will be obtained. Furthermore, according to that,the interface structure in SiC/Ti composite will be controlled easily. The innovation of this project lie in the study on thermal residual stresses near the interface in SiC/Ti composite and the creation of the model with fully considering interface reaction. Finally, some new idea and method for the study on thermal residual stresses near the interface in SiC/Ti composite will be provide in this project. At the same time, this project will provide the foundational theory guide for the improvement on the interface structure design of composite and preperation of high performance SiC/Ti composite.

SiC/Ti基复合材料界面附近的残余热应力对于复合材料至关重要，将影响复合材料的载荷传递以及其最终力学性能。本项目将利用会聚束电子衍射以及透射电镜高分辨像几何相位分析法的高空间分辨率特点，研究不同纤维涂层系统、热暴露状态时的SiC/Ti基复合材料界面附近残余热应力（场）真实分布。在此基础之上，利用考虑界面反应时的有限元模型模拟SiC/Ti基复合材料界面附近残余热应力。通过实验和模拟结果的综合分析，揭示界面反应对于复合材料界面附近残余热应力的影响规律，最终获得对复合材料进行界面调控的具体措施。本项目的创新点在于对界面附近残余热应力的研究以及全面考虑界面反应各种因素的有限元模型建立。项目的实施将为实验研究SiC/Ti基复合材料界面附近残余热应力提供新的思路和方法，同时也将为优化复合材料界面结构设计和实验制备高性能的SiC/Ti基复合材料提供基础理论指导。

由于SiC纤维与Ti基体材料热膨胀系数不匹配，在由固化温度冷却的过程中，将会在SiC纤维增强Ti基复合材料（SiCf/Ti基复合材料）中产生残余热应力。残余热应力的存在将影响复合材料的拉伸、压缩以及疲劳、蠕变等力学性能。由于纤维、基体以及界面层之间的性能相差甚远，且界面层尺寸较小，相比纤维和基体内部，界面层附近的残余热应力梯度最大。因此，界面附近的残余热应力对于复合材料至关重要，必须对其进行深入的研究，力争达到对界面附近残余热应力的有效控制，为制备高性能的SiCf/Ti基复合材料打下良好的基础。本项目采用会聚束电子衍射以及有限元模拟分析SiCf/Ti-6Al-4V以及SiCf/Ti-43Al-9V复合材料界面附近的残余热应力。主要研究内容包括：使用会聚束电子衍射技术测量复合材料界面附近残余热应力时的微观应变到宏观应力的转换方法、纤维涂层以及复合材料制备工艺对SiCf/Ti基复合材料界面附近微小区域内残余热应力的影响以及使用有限元法进行复合材料界面附近残余热应力分析等。通过以上分析研究，项目取得的成果如下：（1）利用菊池衍射谱取向测定的方法，提出了使用会聚束电子衍射技术分析复合材料界面附近残余热应力时由晶格应变向宏观残余热应力的转换方法；（2）引入混合界面反应层的概念，提出了更接近实际界面反应的复合材料界面附近残余热应力分析的三维有限元模型；（3）通过为SiC纤维表面涂覆C涂层以及提高热压温度，可以降低SiCf/Ti-6Al-4V复合材料界面附近的残余热应力水平，有利于复合材料整体性能的提高。（4）对于SiCf/Ti-43Al-9V复合材料，使用有B4C涂层的纤维增强时，复合材料界面中的应力变化较为平缓，且实验发现其界面附近基体中的应力水平较低，更有利于复合材料整体性能的提高。（5）相比SiCf/Ti-6Al-4V基复合材料，SiCf/Ti-43Al-9V基复合材料中残余热应力基本均有利于复合材料的拉伸强度提高。项目的实施为SiCf/Ti基复合材料界面附近残余热应力的研究提供新的思路和方法，为实验制备高性能SiCf/Ti基复合材料的界面设计提供理论指导。