摘要：連續(xù)碳化硅（SiC）纖維增韌的 SiC/SiC 復合材料由連續(xù) SiC 纖維、界面層和 SiC 基體組成，具有高強度、高韌性、低密度、耐高溫、抗氧化等一系列優(yōu)異性能，是理想的航空發(fā)動機和燃氣輪機熱端構件材料。在力、熱、水、氧、燃氣沖刷、異物沖擊等多種因素的影響下，SiC/SiC 復合材料具有復雜的斷裂和腐蝕失效行為。隨著 SiC/SiC 復合材料的廣泛應用，針對其疲勞和蠕變失效機制的研究變得越來越重要。近年來，聲發(fā)射、數(shù)字圖像相關、電阻監(jiān)測、原位 CT 和 SEM 等新的檢測手段在 SiC/SiC 復合材料上的應用，有助于進一步闡明其在力學實驗中裂紋萌生和發(fā)展過程以及發(fā)生最終破壞的機理。
關鍵詞：碳化硅；復合材料；損傷演化；失效連續(xù) SiC 纖維增韌的 SiC 基復合材料（SiC/SiC復合材料）是以連續(xù)束絲 SiC 纖維為增韌體、氮化硼（BN）或熱解碳（PyC）等為界面層，熔融滲硅（ MI） 、 化 學 氣 相 滲 透 （ CVI） 、 先 驅 體 浸 漬 裂 解（PIP）等工藝制備的 SiC 為基體的新型復合材料，具有高強度、高韌性、低密度、耐高溫、抗氧化、抗蠕變以及較高的熱導率和較低的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)異特征，在航空發(fā)動機和燃氣輪機熱端材料、核燃料包殼管等方面擁有廣泛的應用前景。美國 GE 航空的 HiPerCompTM SiC/SiC 復合材料已應用于 LEAP 系列發(fā)動機的高壓渦輪外環(huán)；根 據(jù) GE 官 網(wǎng) 的 報 道 ， 2020 年 取 得 FAA 認 證 的GE9X 發(fā)動機更采用了一級高壓渦輪外環(huán)、一級和二級高壓渦輪噴嘴以及燃燒室內(nèi)環(huán)和外環(huán)等五種SiC/SiC 復合材料構件。
材料的失效類型主要包括斷裂、腐蝕和磨損等。 SiC/SiC 復合材料的失效主要表現(xiàn)為在載荷、高溫、異物沖擊、氧化、摩擦等單因素或多因素作用下發(fā)生的斷裂、腐蝕和磨損。 SiC/SiC 復合材料具有多種組分，每種組分相比 SiC 或六方氮化硼（h-BN）等純陶瓷材料有很大的不同，不同組分可以多種方式組成復合材料，因此 SiC/SiC 復合材料具有因材料組成和制備工藝而異的失效行為。同時，SiC/SiC 復合材料的服役環(huán)境十分復雜，已開展了很多高溫水氧或燃氣環(huán)境下的長時力學實驗，研究 SiC/SiC 復合材料在力、熱、水、氧以及高速氣流等綜合作用下的損傷演化和失效機理，以達到監(jiān)測 SiC/SiC 復合材料性能衰減并預測其剩余服役壽命的目的。由于 SiC/SiC 復合材料磨損失效行為的專門研究還比較少，本文重點討論 SiC/SiC復合材料的斷裂失效和腐蝕失效。
1.1
SiC/SiC 復合材料從損傷發(fā)生到最終破壞主要經(jīng)歷基體橫向開裂、層間開裂、纖維束與基體分離、纖維束內(nèi)基體開裂、纖維斷裂與拔出等損傷模式。裂紋萌生、擴展直至發(fā)生破壞的方式同纖維預制體結構或鋪層方式、界面層的類型及其與纖維和基體的結合強度、基體缺陷等密切相關。表面和界面缺陷、內(nèi)容物和孔洞、人工狹縫或缺口尖端、編織結節(jié)等應力集中部位容易成為裂紋萌生點，如圖 2 所示。由于缺陷的廣泛存在，基體裂紋往往在比例極限以下即可發(fā)生；但是在很低應力水平下發(fā)生的基體裂紋并不一定直接影響材料的性能。
1.2
SiC/SiC 復合材料在使用過程中受到砂石、金屬等異物沖擊可能導致表面損傷、產(chǎn)生裂紋甚至被擊穿，這與材料本身的結構和性能、異物沖擊的速率等因素密切相關。 SiC/SiC 復合材料的異物沖擊實驗主要考核材料抵抗高速鋼球或其他顆粒垂直沖擊的能力。 Choi和 Bhatt 等評估了料漿澆注-熔滲（slurry cast-MI）工藝 SiC/SiC 復合材料抗1.59 mm 鋼球沖擊的能力，室溫及 1316 ℃ 空氣環(huán)境實驗表現(xiàn)出了相似的破壞機制。當沖擊速率為115 m/s 時，材料未表現(xiàn)出明顯的內(nèi)部損傷，力學性能也未發(fā)生衰減。隨著沖擊速率的增加，內(nèi)部損傷加劇并且力學性能開始衰減。當速率 > 300 m/s時，鋼球能夠擊穿材料，材料的強度保留率約為50%。主要的內(nèi)部損傷類型包括分層、纖維斷裂及基體剪切斷裂。背面僅有部分支撐的樣品，除發(fā)生前面接觸損傷，還發(fā)生背面應力損傷，受到的破壞比具有背面具有全部支撐的樣品更嚴重。 Presby等表征并模擬了沖擊速率 340 m/s 的 1.59 mm鋼球對平面和曲面 MI SiC/SiC 復合材料的損傷。結果表明，平板件的損傷要比曲面形件嚴重得多，平板件最大的損傷發(fā)生在背面，而曲面形件最大的損傷在前面。 Kedir 等評估了 9 種 SiC/SiC 復合材料室溫下受到 200 m/s 或 300 m/s 不同粒度（120～210 μm 以及 60～90 μm）石榴石顆粒的沖擊腐蝕情況，結果表明，性能衰退速度的主要決定因素包括密度、基體硬度及彈性模量。 Presby 等研究了沖擊速率 350 m/s 的 1.59 mm 碳化鎢（WC）顆粒對3D SiC/SiC 復合材料造成的損傷，結果表明，正交聯(lián)鎖樣品相對多層聯(lián)鎖和角聯(lián)鎖樣品耐沖擊能力更強。
1.3
疲勞是指材料在循環(huán)載荷的作用下失效的現(xiàn)象，而這一載荷可以遠低于材料的極限拉伸強度。疲勞是材料失效最常見的原因。作為一種工程上應用的熱結構材料，SiC/SiC 復合材料在服役過程中將不可避免地承受循環(huán)載荷的作用并產(chǎn)生損傷累積，當累積的疲勞損傷達到一定程度后將會導致突然斷裂失效，給安全使用帶來嚴重威脅。已有研究表明，SiC/SiC 復合材料的疲勞性能受多種因素的影響，如基體類型、零件孔結構、測試條件和環(huán)境因素等，并表現(xiàn)出不同的疲勞失效機制。
1.3.1 材料組成的影響
致密的基體可以更有效地抵御氧氣和水蒸氣等對界面層和纖維的侵蝕，為 SiC/SiC 復合材料帶來較高的疲勞極限。 Kim 等 研究了料漿澆注-熔滲工藝制備的孔隙率約為 8% 的 SiC/SiC 復合材料及預浸料-熔滲（prepreg-MI）工藝制備的孔隙率 <1% 的 SiC/SiC 復合材料在燃氣環(huán)境下的疲勞行為，發(fā)現(xiàn)后者更不易發(fā)生氧化，疲勞極限更高。
在基體中引入自愈合相也可以提高 SiC/SiC 復合材料的疲勞極限。 Ruggles-Wrenn 等研究發(fā)現(xiàn)，對于由 CVI 工藝和 MI 工藝制備的純 SiC 基復合材料，在卸載的過程中，氧化反應產(chǎn)生的氣體從基體中釋放出來，在重新加載時，氧化物則再次通過基體裂紋進入材料內(nèi)部，氧化造成的基體裂紋增長是材料壽命限制機制。相反，由 CVI 工藝制備的具有多層交替結構的 SiC-B4C 自愈合基體，能夠捕捉氧并與之反應生成可流動的氧化相從而使基體裂紋愈合，能夠有效阻止纖維和界面的進一步退化，該基體類型材料的疲勞破壞主要取決于纖維。
SiC/SiC 復合材料零件的孔結構也會引起疲勞性能的變化。 Zhang 等研究了帶有氣膜冷卻孔的的 3D 編織 SiC/SiC 復合材料在 1350 ℃ 空氣中的疲勞性能，孔分布分別按矩形排列和三角形排列設計，單孔直徑均為 0.5 mm。實驗發(fā)現(xiàn)冷卻孔幾乎不影響材料的極限拉伸強度，但是疲勞壽命卻隨著冷卻孔數(shù)量的增加而下降，冷卻孔對疲勞性能的影響主要源于孔周圍纖維的氧化和脆化；孔分布呈三角形排列的試樣疲勞性能最低，其斷面上大多數(shù)纖維發(fā)生氧化并脆化，原因是該排列方式影響了基體裂紋的形成和擴展。
1.3.2 測試條件的影響
應力水平、加載頻率和實驗溫度等均會影響疲勞失效機制。 Luo 等揭示了高溫空氣環(huán)境中不同應力水平下 PIP SiC/SiC 的疲勞破壞機制。在應力高于比例極限時，基體中快速萌生的裂紋導致彈性模量迅速下降，然后纖維承擔了大量載荷；在應力低于疲勞極限時，基體中產(chǎn)生的橫向裂紋是主要疲勞損傷機制，測試過程中，彈性模量幾乎保持不變，基體承載了主要載荷；當應力水平位于疲勞極限和比例極限之間時，則由基體和纖維共同承載。Ruggles-Wrenn 等發(fā)現(xiàn)，1200 ℃ 空氣環(huán)境中 CVISiC/SiC 復合材料疲勞極限隨著加載頻率的增大而降低。 Ikarashi 等 對正交 3D 編織 SiC/SiC 的研究發(fā)現(xiàn)，在 1100 ℃ 空氣環(huán)境中，氧化引起的界面剪切強度大幅下降是造成疲勞失效的原因。 Bertrand等研究了燃氣環(huán)境中實驗溫度對 SiC/SiC 復合材料疲勞性能的影響：隨著溫度的升高，材料的疲勞性能逐漸衰減，在 1250 ℃ 和 1350 ℃ 下，施加應力分別為 125 MPa、90 MPa 時，疲勞壽命均能超過25 h（90000 次循環(huán)）；而在 1480 ℃ 下，由于氧化和腐蝕過于強烈，造成試樣出現(xiàn)大量消耗，即使未施加任何載荷，其壽命也僅有 16.7 h。
1.3.3 環(huán)境因素的影響
1.4
SiC/SiC 復合材料用于高溫部件時必須充分考慮其蠕變性能，以防止高溫服役過程中材料在部件預期壽命內(nèi)出現(xiàn)過度變形或提前失效，與疲勞性能一樣，影響 SiC/SiC 復合材料蠕變性能的因素同樣有材料組成、實驗條件、環(huán)境因素等。
1.4.1 材料組成的影響
研究了不同纖維編織結構的 MI SiC/SiC 復合材料的拉伸蠕變行為，實驗發(fā)現(xiàn)拉伸方向上軸向纖維體積分數(shù)越高，材料蠕變斷裂強度越高。
1.4.2 測試條件的影響
SiC/SiC 復合材料的蠕變性能往往隨著測試溫度和應力水平增加而下降。研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度和應力的不斷增加，2D SiC/SiC 復合材料的蠕變斷裂時間縮短，穩(wěn)態(tài)蠕變速率增大；基體開裂、界面脫粘和纖維蠕變成為材料蠕變損傷的主要模式。SiC 纖維的微觀結構穩(wěn)定性影響了材料的蠕變性能，當溫度由 1200 ℃ 升高至 1400 ℃ 時，纖維晶粒顯著增大，結晶度提高，材料抗蠕變性能急劇下降。 Racle 等的持久實驗載荷在 0 到最大值之間循環(huán)，最大值在 18%～84% 極限拉伸強度之間，每106 次循環(huán)增加 6%。循環(huán)加載載荷在 30% 極限拉伸強度以上時，對破壞和材料壽命有顯著的影響。
1.4.3 環(huán)境因素的影響
環(huán)境中的氧氣對 SiC/SiC 復合材料持久壽命具有顯著的影響，真空和純凈惰性氣氛下的持久壽命明顯優(yōu)于空氣或其他含氧氣氛下的持久壽命。有顯著的影響，真空和純凈惰性氣氛下的持久壽命明顯優(yōu)于空氣或其他含氧氣氛下的持久壽命。Morscher 等對比研究了 SiC/SiC 復合材料在空氣、氬氣氣氛以及真空三種不同環(huán)境下的持久壽命，發(fā)現(xiàn)在 1204 ℃ 下，當施加應力為 220 MPa 時，空氣和氬氣環(huán)境下的持久壽命為 17～ 154 h，而真空條件下則超過 了 500 h；當應力繼續(xù)增加至248 MPa 時，空氣氣氛中的持久壽命降至 0.5～ 3.5 h，而真空條件下的是 188～ 469 h。進一步分析發(fā)現(xiàn)，氬氣氛中含有的微量氧氣（體積分數(shù) 0.002%）使基體開裂處纖維、界面層以及基體發(fā)生氧化，進而導致了纖維-纖維之間和/或纖維-基體之間的強界面結合，使得材料的失效時間降低至與空氣環(huán)境下相當?shù)乃?。對于在真空中測試的試樣，在斷面上未觀察到明顯的氧化跡象，BN 界面層一直存在，并且在纖維/界面層之間或界面層/基體之間可觀察到明顯的剝離和纖維拔出。 Godin 等的研究表明，在載荷高于基體開裂水平的中高溫持久實驗中，持續(xù)加載考核的主要是空氣氧化的影響。斷裂時間隨加載應力的提高而變短，并遵循傳統(tǒng)的指數(shù)定律：
2.1
氣相的 SiO 揮發(fā)后材料失重。當氧含量較高時，發(fā)生鈍化氧化，反應方程式為：
材料增重，并且生成的 SiO2 能夠在低于其熔點的溫度（1723 ℃ ）阻止氧氣對 SiC 的進一步氧化。在鈍化氧化過程中，SiO2 層生成后，氧化主要通過以下步驟進行：（1）氧氣分子通過擴散作用通過SiO2 層，進而到達 SiC 表面；（2）氧氣與SiC 在界面處發(fā)生反應；（3）生成的 CO 氣體通過擴散作用逸出。
相比 SiC，SiC/SiC 復合材料的氧化失效行為更加復雜，同時包含纖維、界面層與基體的氧化，并且氧化行為與溫度、纖維類型、界面層類型及基體的制備方法密切相關。
多名學者研究了 SiC/SiC 復合材料的氧化行為與溫度的關系。 Zhao 等研究了 800～1200 ℃下 SiC-SiBC 基復合材料的氧化行為。 800 ℃ 氧化100 h 后，h-BN 界面層和 SiC 纖維不能被有效保護，強度降低幅度較大；更高溫度氧化時，由于SiC 封閉涂層裂紋的閉合及 SiBC 基體氧化形成的玻璃相能夠封填裂紋，因此可以有效抑制氧的擴散，使得界面層與纖維得到保護，強度幾乎不下降 。 Tan 等研究了PIP 工藝的SiC/BN/SiBCN在 1350～ 1650 ℃ 空氣條件下氧化行為。1350 ℃氧化 50 h 與 100 h 后，材料的強度保留率分別為52% 與 54%，1500 ℃ 氧化5 h 后，材料的強度保留率為 46%。氧化過程分為三個主要步驟：（1）復合材料的表面與氧氣形成完整的氧化物層，材料增重；（2）氧化物層起到阻擋氧氣侵入的作用并且揮發(fā)性產(chǎn)物開始以氣體形式揮發(fā)，材料減重；（3）氧氣穿過阻擋層并與復合材料發(fā)生反應，同時揮發(fā)性產(chǎn)物在材料表面揮發(fā)，質量變化在此階段為對數(shù)形式。
材料的氧化行為不僅與高溫氧化溫度密切相關，還與材料的低溫暴露歷史相關。 Diaz 等首先將 SiC/SiC 復合材料在 800 ℃ 中加熱 500 h，然后在 65 ℃ 低溫潮濕環(huán)境（相對濕度 95%）中暴露500 h，最后將樣品在 800 ℃ 空氣中加熱 15 min。結果表明，t-BN 界面層在這一環(huán)境下退化很快，界面剪切強度和摩擦力下降約 90%，進而導致了力學強度的顯著下降。界面層失效致使氧氣及其他組分能夠更深入地與材料內(nèi)部發(fā)生反應，因此在再次升溫過程中材料性能發(fā)生顯著下降。
氧氣通道的存在會加速氧化過程。氧化通道可能由纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的裂紋形成，或者由基體在外力作用下的開裂形成，也可能由界面層的氧化失重所形成。 Sun 等分別采用熱膨脹系數(shù)為 5.1 × 10–6k–1 與 4.0 × 10–6k–1 的SiC 纖維制備復合材料。高熱膨脹系數(shù)纖維制備出的復合材料在 800 ℃ 、1000 ℃ 及 1200 ℃ 氧化后質量略有增加，強度保留率分別為 109.6%、103.2%與 102.9%，這是由于高熱膨脹系數(shù)纖維增強的復合材料中纖維與 SiC 封閉涂層的熱膨脹系數(shù)匹配性較好，因此在涂層中幾乎未發(fā)現(xiàn)裂紋，阻止了氧氣對纖維造成的侵蝕，并且氧化后強度保留率較高。 Wing 等研究了 HiPerCompTM SiC/SiC 復合材料中 BN 界面層的氧化情況。將復合材料表面暴露在 1200～1285 ℃ 空氣環(huán)境中，氧氣可以沿著SiC 纖維表面的 BN 界面層侵入材料內(nèi)部，界面層起到了氧氣通道的作用。在相同溫度與時間，基體表面僅能形成幾微米的氧化層，在 BN 界面層上卻可以滲入數(shù)百微米，這表明 B2O3 的形成有助于氧氣的擴散。孤立纖維表面的界面層與相互粘連界面層的氧化情況相似，厚界面層的侵蝕則比薄界面層嚴重得多。
SiC/SiC 復合材料在水氧環(huán)境下，除了與氧氣發(fā)生反應外，還會與水蒸氣發(fā)生反應，其中 SiC 基體的反應通常是：
Mall 等研究了不同溫度水氧環(huán)境下的SiC/SiC 復合材料的退化機制，發(fā)現(xiàn)在 400 ℃ 和950 ℃ 下 BN 界面層主要表現(xiàn)為開裂、退化和揮發(fā)等形式的損傷；而 750 ℃ 下BN 會形成硼硅酸玻璃，導致纖維出現(xiàn)粉化，復合材料性能衰減得更嚴重。潮濕氧化環(huán)境對 BN 界面層比對 PyC 界面層的破壞性更強。 Lu 等利用 CT 觀察發(fā)現(xiàn)，在潮濕氧化環(huán)境后，SiC/SiC 復合材料中的 BN 界面層受到明顯破壞 ， 與 SiC/PyC/SiC 復合材料相比 ，SiC/BN/SiC 材料會在內(nèi)部結構中產(chǎn)生了更多的孔隙。 Yao 等的研究結果表明，水蒸氣顯著加速了 Hi-Nicalon 型 SiC 纖維的氧化，導致復合材料性能退化；Robertson 等將 Hi-Nicalon S 型纖維在水蒸氣環(huán)境下處理后，其表面會形成一層 SiO2，纖維持久壽命比空氣中處理的顯著降低。
近年來，聲發(fā)射、電阻監(jiān)測、數(shù)字圖像相關（DIC）、原位 CT 和 SEM 等新方法在 SiC/SiC 復合材料上的應用，突破了傳統(tǒng)的力學實驗-斷口觀測的斷裂失效研究模式，獲得了豐富的 SiC/SiC 復合材料損傷演化和失效行為研究的信息。本文綜述的失效行為研究進展，很多即建立在對這些方法的綜合運用上。聲發(fā)射和電阻監(jiān)測均可檢測到裂紋萌生和增殖的實時情況。其中，聲發(fā)射可以用來預測 SiC/SiC 復合材料的持久壽命。電阻監(jiān)測可以在高溫、高壓和腐蝕性環(huán)境中使用，因為即使將導線連接在冷區(qū)也可以反映熱區(qū)阻值變化。DIC 可反映由力熱加載引起的材料表面面內(nèi)位移和應力場分布。原位 CT 對 SiC/SiC 復合材料的裂紋萌生和擴展進行實時觀測，目前已有從室溫到1750 ℃ 下開展實驗的報道 。聲發(fā)射與原位CT 結合，檢測到聲發(fā)射信號再用 CT 采集圖像，可以節(jié)約實驗時間。同步輻射 X 射線光源在原位CT 上的應用，美國、法國、英國和澳大利亞等已有報道，極大地提高了 CT 的分辨率并大幅縮減了實驗時間。原位 SEM 也是一種裂紋萌生和擴展的實時觀測手段，盡管只能觀察表面，但是分辨率可以比 CT 更高，與 DIC 手段結合甚至能夠檢測到納米尺度的微裂紋。有關方法的成熟度還有待進一步提高。例如，聲發(fā)射信號和 SiC/SiC 復合材料電阻阻值下降已經(jīng)能夠同損傷的發(fā)生很好地關聯(lián)起來，但是對應的損傷模式還有待進一步細化。
SiC/SiC 復合材料種類眾多，因纖維種類、預制體結構、界面層體系、基體致密化方式、封閉涂層或環(huán)境障涂層的有無及種類等，斷裂和腐蝕失效方式有著巨大的差異，有待針對特定的 SiC/SiC 復合材料體系采用多種方法表征其失效行為。在已有的報道中，以高溫空氣環(huán)境、高溫水蒸氣環(huán)境下的力學實驗為多，有待進一步模擬實際使用環(huán)境，如航空發(fā)動機的燃氣環(huán)境。相信隨著 SiC/SiC 復合材料工藝的進一步成熟和應用的進一步拓展，必將有更多的相關失效行為研究涌現(xiàn)出來，對 SiC/SiC 復合材料研制起到更好的指導作用。