关键词： SiC/SiC   陶瓷基复合材料   低速冲击   损伤特性   剩余强度  

摘要： 高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题.本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理.针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC 复合材料剩余承载性能的影响.结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤.低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件 81％,剩余拉伸强度仅为无损件的 68％.

关键词： 美国能源部   陶瓷基复合材料   西屋公司   微型热管   核能   资助   实验室   门户  

摘要： 【美国能源部网站2023年12月19日报道】美国能源部2023年12月19日宣布,七家企业将获得“核能加速创新门户”(GAIN)计划2024年第一轮资助,能够在国家实验室帮助下推进相关技术研发。西屋公司(Westinghouse)将与橡树岭国家实验室(ORNL)合作,对可能用于其微型热管堆eVinci的陶瓷基复合材料进行辐照测试和辐照后检查。

关键词： 先驱体转化陶瓷   硅硼碳氮陶瓷(SiBCN)   陶瓷纤维   陶瓷基复合材料   功能陶瓷  

摘要： 先驱体转化法是制备高性能陶瓷材料的重要方法,尤其在连续纤维及其复合材料(FRCMC)的制备、元素组成与微结构调控等方面具有显著优势。先驱体转化SiBCN陶瓷具有多元素含量可调、化学键合结构可控的特点,构建了不同结构特征和特殊性能的陶瓷材料。近几年,先驱体转化SiBCN陶瓷发展呈现出新的特点,结构功能一体化设计与制备技术受到了国内外的广泛关注。本文主要梳理了2016年至今先驱体转化SiBCN陶瓷的国内外研究进展,首先简要介绍先驱体转化SiBCN陶瓷的主要特点,然后以先驱体转化陶瓷产物的典型特点为分类依据,分别从SiBCN陶瓷先驱体及其陶瓷产物、连续SiBCN陶瓷纤维、SiBCN基复合材料和功能化SiBCN陶瓷4个方面综述了主要研究进展,提出了未来发展趋势和重点任务,期望为SiBCN陶瓷研制与应用研究提供参考,促进我国先进陶瓷材料的发展进步。

关键词： 复合材料   磨削角度   顺/逆磨   材料去除模型  

摘要： 通过正十二边形磨削轨迹测试方法研究了单向C/SiC的磨削力和加工表面质量的影响机制。研究发现,相较于顺磨,逆磨的切向磨削力减小10%~25%,法向磨削力减小30%~50%,表面粗糙度减小25%~65%;纤维磨削角对磨削特性具有显著影响,顺纤维磨削时,磨削力由大到小的纤维磨削角排序为60°、30°、90°、0°,逆纤维磨削时的排序为120°、90°、150°、180°;加工表面粗糙度Sa由大到小的纤维磨削角排序为0°、150°、120°、30°、60°、90°;C/SiC磨削加工时,材料的变形回弹效应较明显。对比了不同纤维磨削角下的表面微观形貌,提出了磨削材料去除模型。

关键词： 航空发动机   陶瓷基复合材料   二维编织SiC/SiC复合材料   拉伸性能   断口形貌  

摘要： 为了研究环境温度对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响,在室温和800℃,1000℃,1200℃惰性气体保护环境下开展了二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸试验。采用数字图像相关技术采集了高温环境下试件的变形数据。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄了试件的断口形貌。结果表明:800~1200℃内,二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸应力-应变响应同样具有明显的双线性特征,初始线性段的弹性模量与室温测试结果相近,高温环境下第二线性段弹性模量低于室温环境;800~1200℃惰性气体环境下材料拉伸强度较室温环境低20%左右;温度主要影响材料中纤维与基体的结合状态和SiC纤维的强度。一方面,温度越高断口纤维拔出情况越严重;另一方面,温度越高SiC纤维强度越低,二维编织SiC/SiC复合材料强度也有所下降。

关键词： 先驱体浸渍裂解法   SiO2f/SiO2复合材料   浆料浸渍法   溶胶凝胶法   透波性能  

摘要： 石英纤维增强氧化硅(SiO2f/SiO2)陶瓷基复合材料具有着密度低、抗热震性好、热导率低、热膨胀系数低、介电常数和损耗因数低等优点,但机械强度低,韧性差的缺点使得该材料应用于雷达透波罩领域时易导致高速飞行的飞行器发生灾难性损伤。因此,开发高强度和高韧性的SiO2陶瓷基复合材料对雷达透波罩的发展具有重要意义。本文针对上述问题分别进行了两方面研究,一方面通过调整基体所用硅溶胶,将窄粒径硅溶胶置换为不同粒径组合的宽粒径硅溶胶,来提高复合材料的力学强度;另一方面,在PIP法制备SiO2f/SiO2复合材料的基础上,通过在石英纤维表面引入硅酸钇涂层来改善复合材料的韧性。最后,在力学强度最高的复合材料中引入硅酸钇涂层,使得复合材料的力学强度和韧脆性均得到改善。本文的主要工作如下: （1）以石英纤维为增强相,不同粒径的硅溶胶为基体,通过先驱体浸渍裂解法制备了SiO2f/SiO2复合材料。探究了石英纤维的烧结温度;采用不同类型的硅溶胶制备SiO2f/SiO2复合材料,研究了温度、浸渍次数、硅溶胶粒径对窄粒径复合材料的力学强度的影响;将不同窄粒径的硅溶胶混合,形成宽粒径硅溶胶,并以此为前驱体制备了SiO2f/SiO2复合材料,研究了硅溶胶配比、工艺循环次数和纤维编织方式对宽粒径复合材料力学强度的影响,并对力学强度最佳的样品进行了介电性能的表征。结果表明,纤维的烧结温度为500℃;窄粒径硅溶胶制备复合材料时,最佳烧结温度为700℃,在复合材料质量增长率小于1%时,材料的力学强度达到最大;通过宽粒径硅溶胶作为基体,得到复合材料的力学强度明显高于窄粒径的硅溶胶,其中以m（S153）:m（A20）=1:1作基体得到的复合材料在纤维浸渍烧结7次后力学强度最大,为79.53 MPa,且介电常数和介电损耗分别在2.98-3.03和0.0115-0.0125的范围,满足良好透波材料的要求。 （2）通过型号为S15的硅溶胶制备了Y2SiO5@SiO2f/SiO2复合材料。分别以浆料浸渍法和溶胶凝胶法在纤维表面制备硅酸钇涂层来改善材料的韧性,探究了两种方法引入涂层的制备条件和引入后复合材料的性能变化情况。结果表明,在SiO2f/SiO2中以浆料浸渍法引入硅酸钇涂层后,最佳制备条件为:n（SiO2）:n（Y2O3）:n（Li Cl）=1:1:0.05,最佳浆料浓度为30%,最佳热处理次数为纤维在涂层前驱体中浸渍4次,在硅溶胶中浸渍3次,此时弯曲强度从18.55 MPa提升至39.75 MPa;断裂能从933.6 J/m2提升至6240 J/m2;而以溶胶凝胶法引入硅酸钇涂层后,最佳制备条件为n（Et OH）:n（TEOS）=8:1,最佳热处理次数为纤维在涂层前驱体中浸渍2次,在硅溶胶中浸渍3次,此时弯曲强度为34.15 MPa,断裂能为3997J/m2。浆料浸渍法制备的Y2SiO5@SiO2f/SiO2介电常数和介电损耗分别下降了6%和25%,而溶胶凝胶法制备的Y2SiO5@SiO2f/SiO2,介电常数下降了12.3%,但介电损耗提升了100%。 （3）通过型号为L150和A20混合的宽粒径硅溶胶制备了Y2SiO5@SiO2f/SiO2复合材料。在宽粒径硅溶胶制备的SiO2f/SiO2复合材料中引入硅酸钇涂层来兼顾复合材料的力学强度和韧性,结果表明,Y2SiO5@SiO2f/SiO2最佳的浸渍烧结次数为纤维浸渍涂层前驱体1次,浸渍硅溶胶6次。通过浆料浸渍法制备的Y2SiO5@SiO2f/SiO2复合材料在纤维,涂层和基体的质量比为5.776:0.595:3.629时弯曲强度达到最大,但较纯SiO2f/SiO2复合材料有所下降,从79.53MPa下降至66.54MPa,断裂能也由3.865×10～7 J/m2下降至3.075×10～7J/m2;而溶胶凝胶法制备的Y2SiO5@SiO2f/SiO2复合材料在纤维,涂层和基体的质量比为0.5825:0.0819:0.3356时弯曲强度达到最大,为99.95MPa,断裂能为5.751×10～7 J/m2。溶胶凝胶法制备的Y2SiO5@SiO2f/SiO2介电常数和介电损耗较浆料浸渍法制备的Y2SiO5@SiO2f/SiO2分别降低了0.9%和31%。

关键词： 聚合物转化陶瓷   SiCN陶瓷   异质界面   介电特性   吸波性能  

摘要： 随着现代科技的快速发展,尤其是在电子通信、航空航天和军事防御等领域,对于高性能电磁波吸收材料的需求日益增长。这些材料能够有效地减少电磁干扰,保护敏感电子设备免受损害,同时也能用于实现隐身技术,提高武器系统的生存能力和战术效能。聚合物转化陶瓷（PDCs）是一种新型的陶瓷制备技术,具有较低的密度、优异的耐高温性能和良好的抗氧化性等优点。PDCs一般通过热解有机前驱体制备,在热处理过程中有机聚合物前驱体向无机陶瓷转变,这一过程允许在微观尺度上调控材料的结构和组成,这种可调性为设计和优化PDCs的吸波性能提供了极大的灵活性。因此,PDCs被认为是制备高温电磁波吸收材料的理想选择。但是,PDCs存在着材料的介电性能有待进一步提高、电磁波吸收效果不理想、材料成型难以及结构单一不利于实际应用等局限性。为了克服上述难题,本研究通过优化材料微观组分和宏观结构设计,创新地制备了具有良好吸波性能的PDCs-SiCN陶瓷基吸波材料,总结了陶瓷物相组成、微纳结构与其介电特性、吸波性能之间的影响关系,阐明了SiCN陶瓷基复合材料对电磁波的损耗机制。主要研究内容与结果如下: （1）研究了PDCs-SiCN陶瓷微结构随热处理温度的演变规律以及其与电磁吸波性能的关系。研究结果表明:晶化的SiCN陶瓷由SiC纳米晶粒、Si3N4、自由碳和部分非晶态的SiCN陶瓷组成,在陶瓷基体中形成了丰富的纳米晶界。因此,晶化后SiCN陶瓷的损耗机制主要为界面极化损耗。1500℃热处理后的SiCN陶瓷表现出良好的微波吸收性能,当样品厚度为5 mm时,其最小反射损耗值为-34.4 d B,对应反射损耗峰所在频率为4.36 GHz。 （2）以多孔石墨烯气凝胶作为载体,通过前驱体浸渍和热解工艺制备了具有共形异质界面的GA/C复合陶瓷材料。研究结果表明:SiCN/石墨烯/SiCN二维异质结构的构建为GA/C复合陶瓷提供了强大的界面极化能力。热处理温度为1200℃时,GA/C-5样品表现出良好的低频电磁波吸收性能。当样品厚度为4.8 mm时,其最小反射损耗峰在4.92 GHz处获得,峰值为-57.9 d B,相应的有效吸收带宽为1.92 GHz。 （3）采用系列金属有机框架对聚硅氮烷前驱体进行改性,并通过合成后杂化和同步热解工艺合成了具有多相异质界面的含金属SiCN陶瓷。研究结果表明:过渡金属能够催化石墨化,使SiCN陶瓷的结晶温度大幅降低,多种结晶相在SiCN基体中的原位生成构建了大量的异质界面。异质界面的构建以及晶格缺陷的存在提供了良好的界面和偶极极化能力,从而增强了对电磁波的介电损耗。因此,SiCN/Fe-1400展现了较好的低频电磁波吸收性能,在3.56 GHz较低频率下的最小反射损耗值达到了-54.1 dB,样品厚度仅为3.85 mm。

关键词： 陶瓷基复合材料   工程实践   技术应用   自主探究   课程改革  

摘要： 针对《陶瓷基复合材料》课程面向工程实践和技术应用的实用性特点，本文对教学内容、教学模式和考核评价提出了全方位的探索。拟建立多媒体启发式、自主探究式的教学与评价课程体系，根据总体课程目标确定教学重点，梳理基础原理、工艺过程、技术应用等授课内容，建立具体化、可观测的课程学习目标，并优化对应教学内容；在PPT课件讲授的基础上，通过相关科普技术视频、前沿学术论文、大师专家视频采访、学生自主课题汇报等形式丰富教学手段；优化考核评价方式，综合日常考勤、随堂问答、课题汇报答辩、开卷考试等多种考核形式，多尺度衡量学生的学习效果，为教学效果的持续改进优化提供依据。

关键词： B4C@SiO2/BP陶瓷基复合材料   B4C表面改性   冷烧结   核壳结构   摩擦磨损性能  

摘要： 陶瓷材料具有低密度、强稳定性、优异的机械性能等特点,二维材料则具有良好的润滑效果,将二者按适当比例混合得到的陶瓷基复合材料可以兼顾彼此的性能。传统的陶瓷烧结往往需要高温环境,对能源供给和生产设备都提出了很高的要求。冷烧结工艺可以在低温甚至常温下实现高熔点材料的烧结,为陶瓷基复合材料的制备提供了新的思路。 本论文对碳化硼（B4C）颗粒分别进行球磨改性、烧结改性、球磨后烧结改性,并通过溶胶-凝胶法对改性后的产物进行包覆。研究发现B4C颗粒经球磨后烧结改性的产物包覆形态最为均匀,非晶态SiO2包裹在B4C颗粒外可以形成B4C@SiO2核壳结构。随着反应时间、TEOS添加量、氨水添加量的增加,SiO2壳层厚度以及游离的SiO2数量都会增加。通过摩擦学试验研究了包覆形态对B4C@SiO2复合材料摩擦磨损性能的影响,并探寻最佳摩擦学性能时的工艺参数。 采用球磨法、电化学剥离法、液相剥离法、细胞粉碎法制备尺寸为1μm～100μm的少层黑磷（FLBP）,分别将尺寸100μm、50μm、5μm、1μm的黑磷（BP）按10wt%和20 wt%与B4C@SiO2核壳结构混合均匀得到B4C@SiO2/BP复合材料。填充10wt%尺寸为100μm的BP后B4C@SiO2/BP复合材料的维氏硬度下降52.6%、摩擦系数下降45.2%、磨损率上升50.3%,随着BP尺寸的减小材料的维氏硬度略有上升,摩擦系数和磨损率分别呈上升和下降的走势,磨损形式从粘着磨损向疲劳磨损转变。BP含量增至20 wt%时,材料的维氏硬度和摩擦系数没有发生明显变化,磨损率上升192.8%。 探究了烧结压力、烧结时间以及瞬态液相种类对掺杂了10 wt%尺寸为100μm的BP的B4C@SiO2/BP复合材料摩擦磨损性能的影响。在不同的烧结条件下,复合材料的维氏硬度总与致密度整体呈现出相同的变化规律,但摩擦系数与磨损率的变化趋势各不相同,这归因于烧结过程中颗粒的流动与反应机理不同。使用不同种类的瞬态液相对材料的力学和摩擦性性能影响显著,使用NaOH溶液时材料摩擦系数最小,使用去离子水时材料维氏硬度最高。