陶瓷基複合材料強韌化與應用基礎（簡體書）

《陶瓷基複合材料強韌化與應用基礎》通過研究增強纖維、界面相、基體、塗層四個微結構單元以及製備和服役環境對陶瓷基複合材料強韌性的影響及其協同作用，初步實現了根據服役要求進行強韌性設計與性能預測。
本書圍繞陶瓷基複合材料強韌化與應用基礎問題展開，分別介紹和討論了陶瓷基複合材料的強韌化研究進展及其存在的問題，纖維種類、纖維絲束大小對強韌性的影響，界面相製備工藝對強韌性的影響，基體分佈和基體多元多層改性對強韌性的影響，塗層和塗層改性對強韌性的影響，環境因素與微結構單元的非線性耦合作用，以及微結構單元的協同作用及其強韌化機理等。
本書的出版將為陶瓷基複合材料專業的研究生和相關研究人員及生產設計人員提供有益參考。

成來飛，西北工業大學超高溫結構複合材料重點實驗室，教授，西北工業大學博士生導師，國家傑出青年科學基金獲得者，教育部“長江學者”特聘教授，國家“新世紀百千萬人才工程”入選者，首批超高溫結構複合材料創新團隊帶頭人，國防科技工業突出貢獻中青年專家。主要研究方向為陶瓷基複合材料(CMC)環境模擬、製造與應用技術。現任西北工業大學超高溫結構複合材料重點實驗室主任，兼管CMC和航空發動機環境模擬分室工作。此外，作者還是國務院學位委員會材料學科評議組成員、中國複合材料學會副理事長、中國材料研究學會常務理事、中國航空學會複合材料分會委員、中國航空學會非聚合物複合材料專業委員會主任等。
1986年畢業後，主要從事反應燒結氮化矽和熱壓燒結碳化矽結構陶瓷工藝理論的研究。1990年以後，開始主要從事自增韌氮化矽、C/C防氧化塗層、氧化鋁陶瓷型芯和高性能耐火材料的研究與開發。1996年以後，主要從事連續纖維增韌碳化矽陶瓷基複合材料製備與應用考核研究。2000年以後到現在，開始主要從事連續纖維增韌碳化矽陶瓷基複合材料應用技術及超常服役環境下材料的環境模擬理論與方法研究。
參加和承擔了國家863、國防973、國防重點預研、國家自然科學基金、其他部委科學基金、合作項目四十多項，其中作為課題負責人承擔28項。獲國家技術發明一等獎1項、國防科學技術進步一等獎1項、國家教學成果二等獎1項、中國國際發明展覽會專利金獎1項、省部級科學技術獎5項、教育部提名自然科學二等獎1項。曾獲教育部高等學校優秀青年教師教學科研獎勵計劃基金、教育部跨世紀優秀人才培養計劃基金、國務院特殊政府津貼、國防科工委委屬高等學校優秀教師、首批國防科技工業“511人才工程”學術技術帶頭人、陝西科協第三屆優秀科技青年工作者、陝西省跨世紀優秀人才獎等榮譽。

第1章緒論1

1.1引言1

1.2陶瓷基複合材料的微結構單元2

1.2.1增強纖維4

1.2.2界面相6

1.2.3基體11

1.2.4塗層13

1.3陶瓷基複合材料韌性的表徵16

1.3.1KIC和斷裂功16

1.3.2聲發射技術17

1.4陶瓷基複合材料強韌性影響因素20

參考文獻21



第2章纖維增強體與陶瓷基複合材料的強韌化26

2.1引言26

2.2纖維預製體結構參數26

2.2.1纖維體積分數與模量26

2.2.2纖維分佈方式28

2.2.3纖維種類29

2.2.4纖維損傷29

2.3纖維種類與複合材料的強韌化30

2.3.1纖維束複合材料的強韌性30

2.3.2編織結構複合材料的強韌性33

2.4纖維絲束大小與複合材料的強韌化37

2.4.1纖維束複合材料的強韌化38

2.4.2二維複合材料的強韌化43

2.4.3三維複合材料的強韌化75

2.4.4三維針刺複合材料的強韌化92

2.5纖維模量與複合材料的強韌化98

參考文獻102



第3章界面相與陶瓷基複合材料的強韌化106

3.1引言106

3.2界面相的作用106

3.2.1界面相對滑移阻力的影響108

3.2.2界面相對熱失配殘餘應力的影響108

3.3PyC界面相與纖維束複合材料的強韌化112

3.3.1PyC界面相與SiC/SiC纖維束複合材料的強韌化112

3.3.2PyC界面相與C/SiC纖維束複合材料的強韌化116

3.4PyC界面相厚度與編織結構複合材料的強韌化126

3.4.1界面相厚度對無切口試樣彎曲特性的影響127

3.4.2界面相厚度對單邊切口試樣彎曲特性的影響129

3.4.3界面相厚度對強韌性測試結果分散性的影響131

3.4.4熱處理對界面相厚度與強韌性關係的影響132

3.4.5預製體結構對界面相厚度與強韌性關係的影響135

3.4.6纖維種類對界面相厚度與強韌性關係的影響137

3.5BN界面相與SiC/SiC纖維束複合材料的強韌化138

3.5.1界面相厚度對拉伸特性的影響138

3.5.2界面相熱處理對拉伸特性的影響143

3.6界面相材料與SiC/SiC纖維束複合材料的強韌化147

3.6.1PyC界面相對拉伸特性的影響148

3.6.2PyC界面相厚度不同時的斷裂行為149

3.7基於強韌化協同設計的界面相優化151

參考文獻155



第4章基體與陶瓷基複合材料的強韌化158

4.1引言158

4.2基體微結構參數158

4.2.1基體多元多層改性158

4.2.2基體微裂紋與孔隙159

4.3基體分佈與複合材料的強韌化160

4.3.1基體在複合材料中的分佈特徵160

4.3.2基體分佈均勻性對複合材料強韌性的影響168

4.4SiC納米線改性與複合材料的強韌化173

4.4.1顯微結構173

4.4.2強韌性174

4.4.3斷裂行為176

4.5CVI-PyC基體改性與複合材料的強韌化177

4.5.1CVI-PyC基體改性對顯微結構的影響177

4.5.2CVI-PyC基體改性對強韌性的影響181

4.5.3CVI-PyC基體改性對斷裂行為的影響181

4.6PIP-SiC基體改性與複合材料的強韌化186

4.6.1顯微結構186

4.6.2強韌性187

4.6.3斷裂行為189

4.7RMI-C/SiC基體改性與複合材料的強韌化191

4.7.1顯微結構191

4.7.2拉伸性能195

4.7.3壓縮性能197

4.7.4彎曲性能199

4.7.5層間剪切性能202

4.7.6面內剪切性能203

4.7.7衝擊性能204

4.7.8斷裂韌性204

4.8CVI-BxC陶瓷基體改性與複合材料的強韌化205

4.8.1顯微結構205

4.8.2彎曲強度與斷裂韌性210

4.8.3拉伸性能212

4.8.4剪切與壓縮性能218

4.9Ti3SiC2陶瓷基體改性與複合材料的強韌化223

4.9.1反應熔體浸滲生成Ti3SiC2的熱力學分析223

4.9.2Ti3SiC2基體改性與C/C-SiC複合材料的強韌化224

4.9.3Ti3SiC2基體改性與C/SiC複合材料的強韌化231

4.10強韌化機理238

4.10.1基體分佈均勻性的強韌化機理238

4.10.2基體改性的強韌化機理238

4.10.3基體功能劃分的多尺度強韌化機理240

參考文獻240



第5章塗層與陶瓷基複合材料的強韌化243

5.1引言243

5.2塗層的作用243

5.3SiC晶須塗層改性與複合材料強韌化244

5.3.1顯微結構244

5.3.2彎曲性能247

5.3.3斷裂行為248

5.4CNTs塗層改性與複合材料的強韌化250

5.5EBCs塗層改性與複合材料的強韌化252

5.5.1BSAS塗層與複合材料的強韌性252

5.5.2Sc2Si2O7塗層與複合材料的強韌性253

5.6塗層熱環境損傷修復與複合材料的強韌化255

5.6.1製備裂紋缺陷的修復對強韌性的影響256

5.6.2熱損傷裂紋缺陷修復對強韌性的影響257

5.7強韌化協同設計的塗層優化260

5.7.1塗層設計原則260

5.7.2塗層修復原則260

參考文獻261



第6章服役環境對陶瓷基複合材料強韌性的影響263

6.1引言263

6.2服役環境263

6.2.1疲勞263

6.2.2熱震/熱循環265

6.2.3高溫氣氛氧化266

6.2.4熱處理268

6.3預疲勞處理與複合材料的強韌化270

6.3.1複合材料的應力應變行為270

6.3.2複合材料的強韌性變化272

6.4氧化處理與複合材料的強韌化275

6.4.1乾燥空氣環境氧化處理275

6.4.2水氧耦合環境氧化處理282

6.5熱處理與複合材料的強韌化285

6.5.1熱處理對複合材料拉伸性能的影響285

6.5.2熱處理對複合材料拉伸性能影響機制291

6.5.3熱處理對複合材料彎曲性能的影響294

6.5.4熱處理對複合材料彎曲強韌性影響機制297

6.6熱循環處理與複合材料的強韌化300

6.6.1不同環境氣氛下熱循環處理300

6.6.2約束條件下熱循環處理303

6.7測試條件與複合材料的強韌化305

6.7.1試樣尺寸305

6.7.2加載速率307

6.8陶瓷基複合材料的環境自適應性310

參考文獻314



第7章陶瓷基複合材料各結構單元協同作用與性能預測319

7.1引言319

7.2複合材料微結構單元協同作用與強韌化機理319

7.2.1纖維和界面相協同作用與複合材料的強韌化319

7.2.2纖維和基體協同作用與複合材料的強韌化320

7.2.3塗層和基體協同作用與複合材料的強韌化321

7.2.4環境因素協同作用與複合材料的強韌化321

7.3纖維預製體結構與複合材料的強韌性322

7.3.1纖維預製體的結構特徵322

7.3.2二維複合材料的強韌化325

7.3.32.5維複合材料的強韌化338

7.3.4三維複合材料的強韌化350

7.3.5三維針刺複合材料的強韌化355

7.3.6強度統一關係366

7.3.7不同預製體複合材料遲滯行為的對比371

7.4單胞元法預測複合材料性能374

7.4.1一維纖維束的單胞元微結構模型375

7.4.2二維編織纖維束的單胞元微結構模型376

7.4.3三維編織纖維束的單胞元微結構模型378

7.4.4包含孔隙結構的單胞元微結構380

7.4.5單胞元法預測複合材料力學性能382

參考文獻390