Cyclic thermal shock behaviors of carbon fibers reinforced SiCN ceramics with bio-inspired Bouligand-like architectures

材料科学 热冲击 复合材料 脆性 陶瓷 陶瓷基复合材料 温度循环 弯曲 纤维 休克(循环) 热的 开裂 断裂(地质) 抗弯强度 气象学 内科学 物理 医学
作者
Fan Yang,Songhe Meng
出处
期刊:Journal of The European Ceramic Society [Elsevier BV]
卷期号:43 (8): 3172-3181 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2023.02.012
摘要

Ceramic matrix composites (CMCs) are commonly used for high temperature components in aircrafts. However, thermal shock, as a typical loading case, will cause high thermal stresses in CMCs resulting in brittle fracture failure, and material cracking caused by thermal shock can further reduce the effectiveness of thermal protection function. In the present paper, we propose a bionic hierarchical fiber preform design method to improve the thermal shock resistance of ceramics. The effect of architectures of fiber preforms of continuous carbon fiber-reinforced CMCs on the thermal shock resistance was investigated to understand its importance and the related mechanical mechanisms. Thermal shock (cycling) tests were performed with continuous carbon fibers reinforced SiCN ceramic matrix composites (Cf/SiCN) prepared by PIP. 3D micro-CT scan and three-point bending tests were also conducted to evaluated the resultant damage. The results showed that smaller internal damage and higher thermal shock resistance can be obtained in comparison to pure SiCN ceramics, and the underlying mechanism can be explained by the fact that smaller pitch angle can resist the through-thickness crack propagation via promoting diffused in-plane damage. The present study offers a possibility in developing biomimetic Cf/SiCN ceramics with excellent thermal shock behavior.
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