EikoTwin DIC精确测量陶瓷基复合材料与环境屏障涂层之间的界面断裂

引言

在下一代航空发动机的热端部件设计中，陶瓷基复合材料（CMC）因其优异的高温性能和低密度而备受关注。然而，CMC在高温水蒸气环境下容易发生氧化和挥发，导致性能下降。为了延长其使用寿命，环境屏障涂层（EBC）被广泛应用。但EBC与CMC之间的界面粘附强度是一个关键问题，界面断裂能的研究对于确保涂层的长期稳定性至关重要。

图1. 多层系统

研究背景

CMC/EBC系统的界面断裂能测量一直是一个挑战。传统的测试方法如四点弯曲测试需要预裂纹和额外的加强板，操作复杂且容易低估断裂能。本文提出了一种简化的四点弯曲测试方法，无需预裂纹和加强板，通过EikoTwin DIC数字图像相关技术和立体相关技术，精确测量界面裂纹的扩展，并计算界面断裂能。

研究方法

1. 材料与试样：试样为多层系统，包括SiC/SiC复合材料基板、硅键合层和稀土硅酸钇（YDS）涂层。通过热喷涂工艺制备涂层，确保涂层的化学和机械兼容性。
2. 实验装置：使用伺服液压试验机进行四点弯曲测试，加载速度为0.25 mm/min。通过两台可见光相机记录测试过程，利用DIC技术分析裂纹扩展。
3. 裂纹扩展跟踪：通过立体相关技术测量位移场，建立局部有限元模型（FE）识别裂纹长度，并在全局模型中验证。
4. 界面断裂能计算：使用J积分法计算界面断裂能，考虑裂纹扩展的稳定性和模式混合度。

图2. 实验搭建

图3. 通过（a）扫描电子显微镜和（b）750 N施加力的灰度残余场绘制样本最终失效前界面处的裂纹分叉

图4. 加载本地FE模型来识别裂缝长度

图5. (a) 成本函数𝜒2随左侧裂纹长度𝐿的变化。(b) 使用全场测量识别的裂纹长度

研究结果

1. 裂纹扩展：测试过程中观察到涂层的横向裂纹扩展，随后在界面处发生分叉，形成两条独立的界面裂纹。通过DIC技术成功跟踪了裂纹的扩展路径。
2. 界面断裂能：计算得到的界面断裂能Gc在测试过程中逐渐增加，可能与裂纹扩展过程中的模式混合度变化和基板微损伤有关。
3. 不确定性分析：通过敏感性分析评估了边界条件和裂纹长度对Gc的影响，发现边界条件的微小变化对Gc的影响较大。

图6. 模拟（simu）和实验（BEP）反力之间的比较

结论

本文提出的四点弯曲测试方法成功实现了CMC/EBC界面裂纹的稳定扩展，并通过DIC技术和有限元模拟精确测量了界面断裂能。该方法无需预裂纹和加强板，简化了试样制备和测试过程。研究结果为CMC/EBC系统的界面粘附强度评估提供了新的工具和方法，具有重要的工程应用价值。

参考文献

Bertrand P, Huchette C, Archer T, et al. Determination of interfacial fracture energy of an environmental barrier coating on ceramic matrix composite substrate[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2025, 45(2): 116886.