SiC纤维增强钛基复合材料界面强度研究进展

应力失效准则应用于弹簧单元模型中。界面脱粘 只有当界面法向应力导致Ⅰ裂纹失效以及界面剪切应 力导致Ⅱ裂纹失效情况下才发生，故应力失效准则一 般采用二次应力失效理论：
Fiber 2
Matrix 2´
图 3 界面弹簧单元详图
Fig.3 Details of spring model of the interface
热残余应力是影响界面强度的另一重要因素，纤 维和基体热膨胀系数的不匹配导致复合材料产生热残 余应力，其中径向热残余应力对复合材料界面剪切强 度起决定性作用。基体的热膨胀系数远大于纤维的热 膨胀系数，径向残余应力为压应力。随着径向残余应 力降低，界面剪切强度降低。A.Hutson [10]等人研究表 明：SCS-6/TIMETAL®21S 复合材料界面剪切强度随 着径向残余应力减小而变小。而对于轴向残余应变产 生的应力，由热力学原理可知：物体的应力状态不会 自发地向着应变能方向转变，轴向残余应力只能促 进﹑而不会阻止界面裂纹扩展[11]。因此，随着轴向残 余应力的增加，界面层包含的缺陷越多，相应的界面 强度越低。N. Chandra[12]指出，随着轴向残余应变产 生的应力越大，界面强度越低。
大差异，不能反映界面结合强度的真实信息。另外这
两种测试方法需要大量样品才能获得可靠的数据。纤
维顶出试验的试样可以直接从实际复合材料中截取，
所获得的结果更接近真实界面剪切强度。但纤维顶出
试验计算出界面剪切强度仍是平均值，在实际材料中，
纤维脱粘时沿纤维轴向的拉伸力和剪切力分布是不均
匀的。数值模拟分析的方法可以弥补这一不足。
着纤维轴向持续增加非常小的力拉伸纤维，当纤维刚
好从拔出转入断裂时，记录下纤维脱粘瞬间的力 Fd， 测出埋入纤维的长度 L 和纤维直径 df，然后由公式（1） 计算纤维的脱粘力 τ。
τ = Fd πd f l
（1）
a Fiber
b Fiber
Matrix
Matrix
图 1 纤维拔出(a)和纤维碎断试验(b) Fig.1 Fiber pull-out (a) and fiber fragmentation (b) test
碳化硅纤维增强钛基复合材料（SiCf/Ti）具有使 用温度高、比强度高、比刚度高、抗蠕变、抗疲劳性 能好等优异特点，在航空、航天领域具有广泛应用前 景。要获得良好性能的钛基复合材料，界面问题是关 键。界面是基体与增强物之间化学成分有显著变化﹑ 构成彼此结合﹑起载荷传递作用的微小区域。在界面 微观机械性能中，界面强度对复合材料宏观性能的好 坏起决定性的作用[1~3]。如界面强度较低，复合材料在 受力断裂过程中，纤维容易发生脱粘﹑拔出，吸收断 裂能，从而提高复合材料的断裂韧性 KIC；而界面强度 高时，基体中裂纹前端的应力集中不能引起纤维脱粘， 裂纹容易贯穿纤维，使纤维断裂。由于纤维断裂吸收 的能量远小于纤维脱粘和拔出时吸收的能量，所以材 料呈现脆性。另外，较高的界面强度对于复合材料横 向强度有利，而在纵向受载情况下，界面层起到阻止 裂纹扩展作用，较低的界面强度比较有利。这就存在 界面优化问题。因此，分析钛基复合材料界面强度的 影响因素、建立定量表征其界面强度的细观测试技术 及数值模拟技术，为建立钛基复合材料界面强度与宏 观性能的联系以及优化界面提供参考数据，对进一步 促进钛基复合材料的开发和应用具有重要的意义。
摘 要：综述 SiC 纤维增强钛基复合材料界面强度的影响因素﹑微观实验测试技术以及数值模拟技术。在此基础上着
重分析了微观实验测试技术与数值模拟技术存在的问题，指出了界面强度定量研究的发展方向。
关键词：钛基复合材料; SiC 纤维; 界面强度
中图法分类号：TG 146.4
文献标识码：A
文章编号：1002-185X(2007)06-04-1115
平均断裂长度 l ，根据公式（2）计算界面剪切强度 τi。
τi
=
σ fu d f 2Lc
（2）
式中，df 为纤维直径，Lc 为纤维临界长度，σfu 是纤维
断裂强度。
2.3 纤维顶出试验（push-out）[21,22]
纤维顶出试验是新近出现的测量复合材料界面强
度的原位测试技术，已成功的运用于树脂基、陶瓷基
第6期
原梅妮等：SiC 纤维增强钛基复合材料界面强度研究进展
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3 数值模拟分析
数值模拟技术评定界面强度主要用有限元法模拟 纤维挤出试验或者拔出试验，然后根据界面失效判据 获取界面剪切强度。在数值模拟计算界面剪切强度中， 界面模型和界面失效准则选用非常关键。 3.1 界面模型
弹簧单元模型不考虑界面层的厚度，并假定界面 剪切强度，即界面仅仅是一个具有各种机械性能的区 分基体和纤维的边界。图 3 是用有限元分析界面失效 过程和获取界面剪切性能所建立的弹簧单元模型[12]。 纤维与基体的界面结合通过高刚性弹簧把相同点连接 起来。其中弹簧刚性大于纤维刚性。初始假定位移标 志为 0，当满足界面失效准则时，弹簧的刚性降为 0， 而位移标志为 1，标志着摩擦滑移的开始。
push-out test curve (b)
从试验曲线可以看出初始载荷随位移呈线性增
加，当载荷达到 Pi，直线的斜率降低，表示此时界面 开始脱粘。当载荷继续增加到 Pmax，表示界面剪切应 力达到最大值，界面完全脱粘，此后由于界面的阻力
仅是摩擦力 Pfr，载荷开始直线下降。由试验曲线可以 获取 2 个重要的参数 Pmax 和 Pfr。然后根据
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稀有金属材料与工程
第 36 卷
减弱；Possion 膨胀越大，复合材料受压时，纤维承受 的径向压力越大，从而界面强度越高；不同纤维排列 方式导致复合材料界面产生不同残余应力，从而影响 界面强度；不同制备工艺下，界面反应严重程度不同， 从而影响界面强度。
2 试验测试技术
2.1 单纤维拔出法(pull-out)[13,14]
第 36 卷 2007 年
第6期 6月
稀有金属材料与工程
RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING
Vol.36, No.6 June 2007
SiC 纤维增强钛基复合材料界面强度研究进展
原梅妮，杨延清，马志军，吕祥鸿，李健康，陈 彦
(西北工业大学，陕西 西安 710072)
弹簧单元模型是一种比较合适的预测界面强度和 分析界面失效的模型，已成功地预测出界面剪切强度 以 及 解 释 纤 维 顶 出 试 验 过 程 中 的 各 种 现 象 [12,1,23] 。 Ananth 和 Chandr[12]运用 MARC 软件模拟 SiC/Ti-15-3 和 SiC/Ti-6-4 复合材料单根纤维顶出试验，根据为脱 粘所建立的应力准则和为滑移所建立的摩擦阻力准则 计算复合材料界面剪切强度。分析得出 SiC/Ti-15-3 复 合材料在室温时界面剪切强度为 400 MPa。Eldridge[24] 在相同的条件下，做纤维顶出试验测出 SiC/Ti-15-3 复 合材料界面的剪切强度约为 100 MPa。有限元模拟分 析出的界面强度约为实验的 4 倍，这主要是由于数值 模拟分析中没有考虑残余应力的影响。试样的端部和 底部存在极高的轴向残余应力，当轴向残余应力达到 一定值，即使没有施加载荷，界面也可能脱粘。故而， 数值模拟值偏高。
除上述因素外，界面强度还受多个因素影响，如 界面反应物﹑Possion 膨胀﹑纤维排列方式﹑制备工 艺﹑纤维涂层性质以及基体性能等因素影响。当界面 层中存在阻挡界面反应的产物时，界面强度升高程度
收稿日期：2006-04-25 基金项目：国家自然科学基金（50371069）；教育部博士点基金（20030699013）；航空基金（04G53044）资助 作者简介：原梅妮，女，1974 年生，博士，西北工业大学材料学院，陕西 西安 710072，电话：029-88486091
和金属基复合材料。纤维顶出试验曲线及示意图如图
2 所示。在纤维末端用圆柱压头将纤维从基体中顶出，
记录下载荷-位移曲线。
Pmax (b)
Pi Pfr
P
(a)
Fiber
Matrix
Press, P
Displacement
图 2 顶出试验示意图及典型顶出试验曲线 Fig.2 The schematic of the push-out test (a) and typical
1 影响界面强度的因素
界面反应对钛基复合材料界面强度具有非常重要 的影响。随着界面反应加剧，纤维与钛合金基体化学 结合紧密，相应的界面强度提高。J.Hemptenmacher[4]
等人测试了 SCS-6/IMI834 和 SCS-6/Superα 2 复合材
料在 700 ℃和 800 ℃保温不同时间的界面强度。 SCS-6/IMI834 和复合材料的界面剪切强度随保温时间
Spring connection interface junction
Kt
1
1´1´
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
要用各种界面参数来完全描述界面，而界面参数确定 非常困难，故很少采用。内聚力模型是 Needleman[26] 在 Barenblatt[27]理论基础上发展起来的, 旨在建立界 面上下表面粘结力与界面位移张开之间的关系。界面 中裂纹区域假定为胶体材料，当裂纹没有张开时，裂 纹区域仅仅是一个面；而裂纹张开时，裂纹区域就是 由胶体材料组成的三维区域。胶体材料（裂纹区域） 的本构关系不同于界面本构关系。当裂纹张开时其粘 结力和硬度为 0，应变仍然继续。借助胶体材料解决 了有限元分析中的不连续问题。内聚力模型具有各种 形式，如指数型﹑线型﹑多项式型﹑梯度型等，纤维 顶出试验中常用的是指数型和双线性。内聚力模型忽 略了界面微观机械对裂纹产生，扩展的影响。但不受 单元尺寸限制。 3.2 界面失效准则
纤维拔出试验是 Broutman[15]在 20 世纪 60 年代
提出的一种直接测定界面参数的方法，可测定界面剪