关键词： 陶瓷基复合材料   双切口剪切实验方法   数字图像相关方法   有限元模型修正   面内剪切模量  

摘要： 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)作为一种优异的高温结构材料,在航空发动机领域得到了广泛应用。目前,依据GJB 10311—2021的双切口面内剪切实验方法存在明显局限性:切口位置处的应力集中效应导致标距区平均剪切应力计算结果偏高,使得面内剪切模量测试结果与V形缺口剪切实验偏差可达30%。为此,本工作将数字图像相关方法(DIC)与双切口剪切实验相结合,开发一种面内剪切力学性能测试的新方法。为消除切口处应力集中的影响,提出采用有限元模型修正技术(finite element model updating,FEMU),利用DIC实测标距区内面内平均剪切应变与数值计算应变之间的方差构造目标函数,迭代获得材料的面内剪切模量。为便于工程应用,通过优化试样切口深度,实现单次实验即可获得材料的面内剪切模量和面内剪切强度,并采用SiC/SiC正交层合陶瓷基复合材料进一步验证了该实验方法的可行性和测试结果的可靠性。结果表明:该实验方法可同时准确测定陶瓷基复合材料的面内剪切模量和强度,测试结果与V形缺口实验结果偏差小于5%。相较V形缺口剪切实验,该方法实验工装和试样尺寸更小,更适用于高温面内剪切实验。SiC/SiC复合材料面内剪切应力-应变存在典型的屈服点,且屈服后剪切行为表现出典型的线性应变强化特征。

关键词： 陶瓷基复合材料   高温力学性能测试   涡轮导向叶片   航空发动机  

摘要： 针对航空发动机涡轮导向叶片所用的陶瓷基复合材料的高温力学性能测试需求,设计开发一套测试系统。该系统由温度控制、载荷施加、数据采集和控制系统4个功能模块组成,采用比例-积分-微分(Proportion Integral Differential,PID)温度控制算法和模糊控制策略,实现了1600℃高温环境下的精确测试。对C/SiC复合材料样件的测试结果表明,系统在1600℃、300 MPa工况下的温度控制精度为±2.0℃,载荷控制精度为0.95%,应变测量精度为0.98με,数据采集稳定性达99.89%,满足用于涡轮导向叶片的陶瓷基复合材料的高温力学性能评价要求。

关键词： 耐高温结构   陶瓷基复合材料   各向异性   ANSYS ACP模块   有限元仿真  

摘要： 由于在航空航天和核工业中存在超高温工况,结构对材料耐高温、耐腐蚀、高强度性能提出了较高要求,此外较低的材料密度也是提升结构轻量化水平的重要性能。碳化硅陶瓷基复合材料因具有低密度、耐高温、高强度等特点,已经在相关领域表现出较大的潜力,并且已有较成熟的工程应用。本文以SiCf/SiC复合材料(碳化硅作为陶瓷基体,SiC纤维作为增强体)为对象,简要论述了国内外相关研究人员对碳化硅陶瓷基复合材料制备加工工艺的研究,根据其各向异性、非均质性以及双模量等特征,结合具体实例进行分析,建立了一种基于ANSYS ACP技术的复合材料设计分析方法,初步形成针对耐高温结构复合材料建模和仿真优化分析的解决方案。

关键词： 陶瓷   氮化物纤维   界面层   复合材料  

摘要： 高性能陶瓷材料因其优异的热稳定性、耐磨损、耐腐蚀、抗烧蚀等性能在航天航空及军用设备等领域发挥着重要的作用,但由于陶瓷本身具有的脆性以及存在抗热震性能差等问题使其难以承受更加严苛的服役环境。利用陶瓷纤维制备纤维增强陶瓷基复合材料是克服以上问题最直接的方法之一。在耐高温透波材料领域,与石英纤维增强陶瓷基复合材料相比,氮化物纤维增强陶瓷基复合材料具有更高的耐温性能,成为下一代高性能天线罩的首选材料。主要针对几种不同氮化物纤维、界面层及氮化物纤维增强陶瓷基复合材料制备方法及性能的研究进展进行了综述。

关键词： 陶瓷基复合材料   电学特性   分层破坏   无损监测  

摘要： 二维连续纤维增强陶瓷基复合材料是航空航天领域重要的应用材料，然而层间断裂严重约束了该类材料的使用。为监测和评估材料层间I型断裂韧性，开展了层间I型断裂的直流电势降试验，获取了层间I型裂纹起始及扩展时的加载数据及相应测点的电势降数据，并通过建立力-电模型定量分析了相关特征变化发生的原因。试验结果表明：在裂纹起始阶段，即加载曲线线性转非线性的拐点位置，预制裂纹尖端位置电势降发生了平滑-抬升的变化；随着裂纹的进一步扩展引起纤维的脱附及断裂，在电势降变化曲线上表现为抬升曲率的增加；在裂纹扩展受到阻力时，如Z-pin拔出及次生裂纹，将明显减缓电势降曲线的抬升；最后，结合试验数据证明了提出的力-电模型的合理性。研究结果对于应用材料电学特性监测和评估层间I型断裂韧性具有一定的指导和参考价值。

关键词： 针刺-缝合复合材料   面外拉伸   力学行为   失效机理  

摘要： 为了研究关键工艺参数对针刺-缝合复合材料面外拉伸性能的影响，本文制备了四种不同工艺参数的针刺-缝合复合材料，对其面外拉伸性能及损伤演化机理进行研究。结果表明：随着缝合间距减小，面外拉伸强度显著提升，缝合间距为8mm×8mm，6mm×6mm，4mm×4mm时，面外拉伸强度分别提高了28%，41.14%，58.29%，但减小缝合间距对面外拉伸强度的提升效果表现为逐渐减小的趋势。在面外拉伸过程中，应变较大区域首先表现为缝线位置，随着载荷增大至缝线断裂后，复合材料会出现层间开裂现象，减小缝合间距对应变集中区域有较明显影响，拉伸过程中应变分布更加均匀。针刺-缝合复合材料厚度拉伸的失效模式主要为缝合线断裂和拔出、基布层间及基体的开裂。缝合间距减小会导致复合材料面外拉伸的断口较为粗糙，裂纹会沿着不同层扩展，会导致多个单元层发生失效。

关键词： ZrB_(2)-SiC陶瓷基复合材料   时域有限差分法   发射率  

摘要： 基于时域有限差分法计算了不同微观结构ZrB_(2)-SiC陶瓷基复合材料的红外光谱特性,讨论了SiC颗粒形状、体积分数以及材料厚度对复合材料发射率的影响,评估了SiC颗粒形状和体积分数对材料红外隐身性能的影响规律。计算结果表明:添加SiC颗粒的ZrB_(2)-SiC复合材料总发射率比ZrB_(2)块材高,相比圆球和椭球形状SiC颗粒,添加晶须形状SiC的复合材料发射率较小,在10~14μm波段发射率随SiC体积分数的增加变化幅度较为剧烈,材料光谱发射率主要受其近表面材料微观结构的影响。SiC颗粒形状、体积分数在大气窗口内对复合材料平均发射率的最大影响比例分别为2.65%、16.1%。研究结果对ZrB_(2)-SiC陶瓷基复合材料光谱辐射特性调控以及提高材料红外隐身性能具有一定的理论指导意义。

关键词： Al_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)陶瓷基复合材料   蠕变性能   蠕变损伤  

摘要： Al_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)陶瓷基复合材料因其出色的耐高温、抗氧化等特性在航空发动机领域得到了广泛应用。这种材料能够在极端高温环境中保持稳定的性能,对于确保发动机的安全和可靠性至关重要。本文对Al_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)复合材料在1000℃~1200℃下的拉伸蠕变性能,并通过扫描电子显微镜、高分辨率透射电子显微镜以及纳米压痕等实验方法对试样在不同温度、应力下的断口形貌进行表征。结果表明,随着温度的升高,Al_(2)O_(3)纤维晶粒逐渐长大,强度明显下降,从而导致了复合材料的蠕变抗力显著下降。当蠕变温度为1200℃时,复合材料的蠕变速率较1100℃高了两个数量级,断裂时间大幅缩短,观察试样断口发现,在1100℃的蠕变实验中,纤维拔出长度较长,并未出现明显的基体裂纹。这表明基体与纤维界面结合较好,基体开裂受到抑制,基体和纤维共同分担载荷;而在1200℃,纤维拔出长度较短,强度下降速度更快,蠕变寿命缩短。

关键词： 增材制造   墨水直写成型   陶瓷基复合材料   纤维强韧   航空航天  

摘要： 先进陶瓷及其复合材料凭借优异的性能已被广泛应用于航空航天领域,目前采用三维打印技术实现这类材料的快速低成本制备成为核心问题。与传统工艺相比,现有三维打印陶瓷材料普遍面临着脆性特征明显及损伤容限能低的问题,因此纤维复合陶瓷材料的三维打印技术成为研究热点。综述了近年来国内外基于墨水直写技术制备纤维强韧陶瓷基复合材料的技术路线及特点,围绕这类材料的组成成分、工艺路径与力学性能的关系,综合分析了不同陶瓷墨水的设计、纤维引入的方式、致密化工艺的选择、打印构件关键性能之间的有机联系,指出了当前的主要问题并对未来研究方向进行了展望。

关键词： 纤维   氧化物陶瓷基复合材料   材料鉴定   等同性评定   力学性能   物理性能  

摘要： 介绍了正在进行的纤维增强氧化物陶瓷基复合材料鉴定研究的背景、目标、实施方案以及阶段性研究成果。详细阐述了纤维增强氧化物陶瓷基复合材料鉴定与等同性评定的流程、主要内容、试验矩阵以及试验方法,对我国纤维增强陶瓷基复合材料研究具有一定的借鉴意义和启示作用。