界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸性能的影响.pdf

复合材料学报第27卷第3期6月2010年
ActaMateriaeCompositaeSinicaVol127No13June2010

文章编号:100023851(2010)0320116206

界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸性能的影响

杨成鹏,矫桂琼3
(西北工业大学工程力学系,西安710129)

摘要:建立了桥联纤维细观力学模型,研究了界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸模量及强度的影响。分别
引入纤维应力均匀系数和界面脱粘率作为界面完全脱粘和局部脱粘条件下界面性能的表征参数。研究表明,应力
均匀系数及界面脱粘率越大,材料模量越低,而断裂时纤维所承担的应力越高。基于混合率给出了拉伸强度表达
式,同时也分析了基体裂纹分布、界面脱粘和纤维拔出对强度的影响。计算结果表明,本文强度模型给出的预测
值与试验值吻合较好。
关键词:陶瓷基复合材料;界面脱粘;细观力学;裂纹分布;拉伸强度
中图分类号:文献标志码:A

Effectsofinterfaceontensilepropertiesoffiberreinforcedceramicmatrixcomposites

YANGChengpeng,JIAOGuiqiong3
(DepartmentofEngineeringMechanics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xipan710129,China)

Abstract:Amicromechanicsbasedmodelofbridgingfiberswasestablishedtostudytheeffectsofinterfaceonthe
tensilemodulusandstrengthofthefiberreinforcedceramicmatrixcomposites.Thecoefficientsoffiberstress
uniformityandinterfacedebondingratewereintroducedtocharacterizethepropertyoftheinterfacewithcomplete
debondingandpartialdebonding,respectively.Theresultindicatesthatthehigherthecoefficients,thelowerthe
moduluswhilethehigherthestresscarriedbythefiberswhenthecompositesfracture.Basedontheruleof
mixtures,anewstrengthcalculationmodelwaspresented.Theeffectsofmatrixcrackdistribution,interface
debondingandfiberpulloutonthetensilestrengthwerediscussed.Theresultspredictedbythemodelareingood
agreementwiththeexperimentaldata.
Keywords:ceramicmatrixcomposites;interfacedebonding;micromechanics;crackdistribution;tensilestrength

陶瓷基复合材料作为新一代高性能耐高温结构以减缓纤维应力集中[4],偏转基体裂纹扩展路径,
材料,在航空航天领域具有广阔的应用前景。然避免裂纹沿某一横截面扩展,并阻止应力和能量在
而,由于其固有的脆性,陶瓷材料在外载作用下极材料局部集中,使得材料韧性增加,不发生灾难性
易发生脆性断裂。为了改善材料的韧性,不仅要使破坏。然而,基体裂纹的扩展也具有一定的随机
用高强纤维,还需要在纤维与基体之间增加界面性,与材料的初始缺陷有关。基体裂纹的连通会导
相,从而引入裂纹桥联、裂纹偏转、纤维脱粘滑移致裂纹发生失稳扩展,最终造成材料的断裂失效。
等增韧机制[1]。界面对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响在20
纤维与基体之间的热解碳界面层对于陶瓷基复世纪就是研究热点,因此,这方面的文献报道较
合材料是至关重要的。大量拉伸试验均表明,强界多,但主要成果是基于统计强度理论和剪滞理论建
面材料模量高而强度低,断裂应变较小,断口整立起来的细观力学模型,其中包括模量和强度的计
齐;弱界面材料模量低而强度高,断裂应变较大,算模型[527]。值得指出的是,Kagawa等人[8]基于界
纤维拔出较长[223],可见,界面可以起到增强和增韧面应力传递原理,对混合率公式进行变换,得出了
的效果,这得益于弱界面的脱粘作用。界面脱粘可单向复合材料纵向拉伸强度的计算表达式,而