[发明专利]一种陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法

说明书

本发明涉及一种陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，包括：对待测试的陶瓷基复合材料进行加工，得到用于原位测试的试样；在试样的表面加工圆柱形微柱，并测定圆柱形微柱的实际半径；对圆柱形微柱进行劈裂测试，记录相应的临界载荷；利用有限元方法进行圆柱形微柱劈裂模拟，基于劈裂模拟所用的模拟临界应力强度因子、模拟圆柱形微柱半径和模拟所得临界载荷，计算修正因子；基于圆柱形微柱的实际半径、修正因子及相应的临界载荷，计算对应的临界应力强度因子。本发明能够实现高效、精确地测定陶瓷基复合材料中微观组元断裂韧性。

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法。

背景技术

纤维增强陶瓷基复合材料(也称陶瓷基复合材料)具有优异的高温抗氧化特性和热机械性能，现已广泛应用于高超声速飞行器端头、翼前缘等关键热防护部位。

由于复合材料中的陶瓷基体和增强纤维的本征脆性特征，陶瓷基复合材料在承受气动力载荷或热机械载荷过程中会有脆性失效的风险，从而影响其服役寿命及可靠性。断裂韧性是评价复合材料韧脆性能的关键力学参数，其值大小代表材料抵抗裂纹扩展的能力。通常可采用临界应力强度因子(K_IC)作为断裂韧性的衡量指标。由于陶瓷基复合材料复杂的微观结构特征，其断裂韧性大小主要受陶瓷基体、增强纤维，以及陶瓷-基体界面的微观结构影响。在陶瓷基复合材料中，陶瓷基体内往往含有高密度纤维编织体，而单根纤维的直径一般≤15μm，这种小尺度特征使得传统断裂韧性测试方法无法满足陶瓷基复合材料微观组元(如陶瓷基体、增强纤维)原位定量测试需求。

目前，从局部微区定量获取陶瓷基复合材料断裂韧性的主流技术是压痕技术和微梁弯曲技术。压痕技术的关键是在试样表面成功诱导裂纹产生并使之扩展，难免会引入较大的塑性变形区或裂纹扩展区，且对于各向异性材料，由于不同材料取向微观结构的差异，诱导的不同方向裂纹长度往往存在较大差异，因此，压痕技术不适用于各向异性材料断裂韧性测试。微梁弯曲技术的难点主要在于微悬臂梁以及预制微裂纹的加工，加工过程中容易造成试样损伤，可能会给裂纹传输过程带来影响，从而影响断裂韧性测试结果，并且，微梁弯曲技术测试过程需依赖先进纳米力学定位装置和力/载荷分辨装置，测试过程较为复杂。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种基于微柱劈裂技术的陶瓷基体和增强纤维的微观断裂韧性原位测试方法，以实现高效、精确地测定陶瓷基复合材料中微观组元断裂韧性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种陶瓷基复合材料微观断裂韧性原位测试方法，包括：

对待测试的陶瓷基复合材料进行加工，得到用于原位测试的试样；

在试样的表面加工圆柱形微柱，并测定圆柱形微柱的实际半径；

对圆柱形微柱进行劈裂测试，记录相应的临界载荷；

利用有限元方法进行圆柱形微柱劈裂模拟，基于劈裂模拟所用的模拟临界应力强度因子、模拟圆柱形微柱半径和模拟所得临界载荷，计算修正因子；

基于圆柱形微柱的实际半径、所述修正因子及相应的临界载荷，计算对应的临界应力强度因子。

可选地，所述对待测试的陶瓷基复合材料进行加工，得到用于原位测试的试样，包括：

确定待测试的陶瓷基复合材料的纤维束方向；

垂直纤维束方向切割陶瓷基复合材料，以确定用于原位测试的表面，并将切割得到的块体样品切成方形的试样；

对所述试样上用于原位测试的表面进行打磨抛光；所述试样上用于原位测试的表面与所述试样的底面平行，且含有陶瓷基体富集区与纤维横剖面富集区。

可选地，所述在试样的表面加工圆柱形微柱，包括：