纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的界面区研究 - 沈阳材料科学国家 ...

第 9 期 李 建 章 等 : 纤 维 增 韧 碳 化 硅 陶 瓷 基 复 合 材 料 的 界 面 区 研 究 ·1541·
察 , 可 确 定 界 面 相 体 内 为 乱 层 石 墨 结 构 , 呈 现 出 各 向
同 性 。
4.1 裂 纹 在 界 面 区 的 单 重 偏 斜
根 据 TEM 观 察 , 裂 纹 在 到 达 界 面 区 后 , 于 I/M 处
界 面 、I 内 、I/F 处 界 面 等 位 置 发 生 偏 斜 。 这 是 由 于 裂
纹 偏 斜 / 贯 穿 两 者 之 间 的 相 互 竞 争 中 , 裂 纹 随 着 时 间 演
变 和 位 置 的 推 移 而 扩 展 时 , 在 路 程 的 某 特 定 处 偏 斜 占
据 优 势 的 结 果 。 对 于 本 CVI 工 艺 制 备 的 3D C/SiC 材
料 中 , 偏 斜 主 要 发 生 在 I/M 界 面 ( 图 3) 和 界 面 相 内
( 图 4),I/F 界 面 处 的 偏 斜 较 少 。 这 可 能 是 由 于 3D
C/SiC 中 I/F 界 面 结 合 比 I/M 界 面 结 合 强 的 缘 故 。
在 沿 着 界 面 行 进 了 一 段 路 程 后 , 又 以 混 合 方 式 斜 向 延
伸 至 界 面 相 体 内 , 在 某 处 再 次 偏 斜 。 有 时 , 偏 斜 / 贯 穿
两 者 会 同 时 发 生 。 图 5 是 裂 纹 发 生 多 重 偏 斜 的 TEM
照 片 。 由 图 5 可 看 到 , 基 体 主 裂 纹 在 I/M 界 面 处 , 一
边 沿 该 界 面 发 生 偏 斜 , 类 似 于 二 次 裂 纹 ; 另 一 边 则 贯
穿 至 界 面 相 内 , 至 界 面 相 某 处 后 发 生 偏 转 。 此 外 , 由
图 5 还 可 发 现 , 裂 纹 在 基 体 中 的 扩 展 也 有 类 似 与 界 面
区 的 多 重 偏 斜 现 象 。
100nm
图 3 基 体 主 裂 纹 在 I/M 界 面 发 生 偏 斜 的 TEM 照 片
Fig.3 TEM image of the matrix crack deflected
along the I/M interface
100nm
图 4 基 体 主 裂 纹 在 I/M 界 面 和 界 面 相 内 发 生 偏 斜 的 TEM 照 片
Fig.4 TEM image of the matrix crack deflected along the I/M
interface and within the interphase
4.2 多 重 偏 斜
在 裂 纹 与 界 面 区 的 相 互 作 用 中 , 由 于 界 面 区 厚 为
200 nm 左 右 , 因 此 裂 纹 有 较 长 的 扩 展 路 程 , 从 而 增 加
了 两 者 相 互 作 用 的 几 率 。 裂 纹 不 时 在 偏 斜 / 贯 穿 两 者 中
来 回 转 换 , 有 时 呈 现 出 Mode I 方 式 , 有 时 呈 现 出 Mode
II 方 式 , 或 者 是 Mode I 和 II 的 混 合 式 。 所 以 , 裂 纹 到
达 界 面 区 后 , 更 多 的 是 表 现 出 多 重 偏 斜 , 这 有 助 于 更
多 地 耗 散 能 量 , 增 加 材 料 的 韧 性 。 由 图 4 可 看 到 , 裂
纹 扩 展 至 M/I 界 面 后 , 由 Mode I 方 式 转 变 成 Mode II,
Fig.5
图 5 裂 纹 发 生 多 重 偏 斜 的 TEM 照 片
TEM image of the illustrating multiple deflection
of matrix crack in the interfacial zone
4.3 其 他 偏 斜 方 式
实 际 上 , 按 照 Cook 和 Gordon [14] 提 出 的 机 制 , 由
于 裂 纹 前 方 会 诱 发 应 力 集 中 , 因 此 有 可 能 沿 着 某 个 弱
的 界 面 萌 生 出 二 次 裂 纹 。 图 6 为 裂 纹 前 端 区 域 的 应 力
分 布 。 由 图 6 可 知 , 应 力 σ x 平 行 于 裂 纹 方 向 , 在 裂 纹
尖 端 前 方 的 某 处 达 到 最 大 值 ; 应 力 分 量 σ y 垂 直 于 裂 纹
面 , 于 裂 纹 尖 端 处 最 大 。 因 此 , 在 裂 纹 尖 端 前 σ x 最 大
值 处 , 若 此 处 的 界 面 结 合 ( 或 内 部 结 合 力 ) 弱 于 σ xmax ,
则 产 生 二 次 裂 纹 。 例 如 , 当 I/F 界 面 结 合 较 弱 时 , 随
着 裂 纹 尖 端 的 靠 近 ,σ x 逐 渐 增 加 , 当 其 值 超 过 该 处 的
结 合 时 , 诱 发 脱 粘 裂 纹 。 在 本 研 究 中 , 由 于 I/F 界 面
结 合 较 强 , 未 观 察 到 此 现 象 。 仅 在 裂 纹 前 端 的 界 面 相
Matrix
crack
y
σ y
σ x
200nm
[14]
图 6 裂 纹 前 端 区 域 的 应 力 分 布
Fig.6 The stress dustribution ahead of the matrix crack [14]
x