关键词： 碳纤维   陶瓷基复合材料   氧化防护  

摘要： 碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)具有良好的高温力学性能和热性能,是航空航天领域非常理想的热结构材料.但CFRCMCs中的碳纤维极易发生氧化,因此CFRCMCs的氧化防护问题一直是CFRCMCs研究的热点.文章对碳纤维改性、基体抗氧化技术、界面层抗氧化技术和表面涂层技术这四种CFRCMCs的抗氧化技术及其原理进行了评述,分析了各类抗氧化技术的特点并对其发展趋势进行了展望.

关键词： 射线化学   SiC纤维   SiC纤维管   陶瓷基复合材料  

摘要： 传统CVD法合成的SiC纤维其最高使用温度仅有900℃,氧化先驱丝法制备的SiC纤维也只能用于1 000℃以下。主要介绍了我国射线化学合成法制备耐高温抗氧化的SiC纤维(使用温度高于1 600℃,单丝抗拉强度达2.2～2.7GPa)的系列关键技术,及其基于这些技术制备圆形截面管状SiC纤维(外径为10～15μm,壁厚2～3μm)的技术;同时也简介了射线化学应用于纳米微孔SiC功能陶瓷以及SiCf/SiC陶瓷基复合材料等方面的研究进展。

关键词： 宙斯盾   陶瓷复合材料   襟翼   部件   陶瓷基复合材料   飞行器   弹道式导弹   弹道导弹   BMD   奥格斯堡   热防护   开放架构  

摘要： MT航空航天公司将为IXV再入飞行器制造飞行硬件据报道,MT航空航天公司接到了一份重要的订单,将为欧洲过渡性试验飞行器(IXV)制造陶瓷复合材料襟翼和热防护部件。在成功开发和关键设

关键词： 高级工业陶瓷   环境温度   抗弯应力   钻井   制陶业   连续的   定义   膨胀试验   纤维复合材料   纤维增强的   细陶瓷   材料测试   机械性能   抽样方法   应变仪   应变测量   抗拉荷载   拉伸应变   试验  

标准号: ISO 14603-2012

关键词： 2.5D编织结构   陶瓷基复合材料   几何模型   力学模型   纤维体积分数   线弹性常数  

摘要： 连续纤维增强的石英/SiO2陶瓷基复合材料以其在高温下稳定的力学性能，被视为是最有希望的新一代高温透波材料，已在航空航天领域部分应用于天线窗材料和导弹弹头。本文针对连续石英纤维增强2.5D编织浅交弯联和浅交直联两种结构为研究对象，通过理论和实验分析，主要研究了一下三个部分： （1）两种2.5D编织结构的细观结构分析研究。通过单胞划分，分析纤维分布规律，建立2.5D编织结构的几何模型，并通过matlab编写程序运算，得出理论预测的纤维体积分数，与实测值比较验证几何模型的精确性，分析织物参数对纤维体积分数的影响 （2）提出了一种新的2.5D编织结构陶瓷基复合材料力学模型。以所建立的两种结构的几何模型为基础，研究了两种结构单胞经纱和纬纱系统的刚度矩阵，采用混合法建立复合材料的刚度矩阵，得到石英/SiO2陶瓷基复合材料的应力-应变关系，并通过matlab编写程序运算，得出理论预测值。 （3）2.5D编织石英/SiO2陶瓷基复合材料实验研究。通过硅溶胶液相浸渍热解工艺，制备石英/SiO2陶瓷基复合材料，并进行拉伸、弯曲和剪切基本力学性能测试，将理论值与实验数据比较，验证本文力学模型的可靠性，并分析实验结果以及纤维体积分数对线弹性常数的影响。 通过上述三个部分的研究，得到了连续纤维增强2.5D编织石英/SiO2陶瓷基复合材料力学性能的理论预测模型，分析了参数间影响关系，为材料投入工程应用提供了理论基础。

关键词： 陶瓷基复合材料   非线性振动   损伤   剪滞模型   有限元  

摘要： 陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites: CMCs)具有优良的高温性能，是发展高性能航空航天飞行器的理想备选材料。航空航天飞行器普遍存在由振动而引发的失效问题，陶瓷基复合材料作为热端部件的关键材料，振动问题亟待重视。然而该材料具有明显的变刚度和迟滞行为，且各向异性及多轴特性显著。这些特性会引入复杂的非线性振动现象。由于陶瓷基复合材料的变刚度及迟滞行为难以模拟，目前国内外少有针对陶瓷基复合材料振动响应规律及分析方法的研究，更没有涉及其非线性振动问题。 本文针对CMCs损伤非线性振动问题进行研究，提出了一种用于模拟带基体裂纹损伤的陶瓷基复合材料（CMC）梁振动响应的计算方法。在细观尺度上，研究CMCs在拉压载荷下的本构行为，基于剪滞模型发展了单向CMC在拉压载荷作用下的细观本构模型。以此为基础，提出了单向CMCs宏观本构模型。在宏观尺度上，推导了模拟CMC梁振动响应的有限元表达式，应用中心差分法进行求解，最终实现了对CMC悬臂梁振动响应的模拟。 应用本文发展的方法对Nicalon/CAS-II悬臂梁结构进行振动响应计算分析。首先研究了时间步长，高斯积分点数目等因素对计算精度和效率的影响，然后计算模拟了悬臂梁在脉冲激励和简谐激励下的响应，并将计算结果与弹性梁的计算结果进行了对比。计算结果表明：CMCs梁在阶跃载荷下出现偏振现象；CMCs梁的刚度呈现非线性现象。采用了锤击法以及电涡流激振法进行了CMC梁的振动实验，测量了不同载荷幅值下的CMCs梁前两阶固有频率和模态阻尼，最后对两种实验结果及计算结果进行了对比，定性验证了计算结果中刚度的非线性现象。

关键词： 2.5维编织C/SiC复合材料   疲劳   双尺度模型   迟滞回线   寿命预测   试验  

摘要： 2.5维编织陶瓷基复合材料不仅具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀和低密度等优良性能，而且在改进层间断裂韧度、提高损伤容限等方面具有巨大的潜力，是一端封头复合材料构件的良好选择，在空天飞行器高温防护系统具有广泛的需求。为了确保2.5维编织陶瓷基复合材料在构件使用中的安全与可靠，研究该复合材料的疲劳行为显得很有必要。本文对2.5维编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为、疲劳寿命预测开展了较为深入的研究。 开展了室温和800℃空气环境下2.5维C/SiC复合材料单轴拉伸和拉-拉疲劳试验，得到了该复合材料在室温和800℃空气环境下单轴拉伸与疲劳性能，揭示了复合材料拉伸和疲劳损伤机理。 提出了一种基于双尺度模型预测2.5维C/SiC复合材料拉-拉疲劳迟滞回线的方法。双尺度模型指的是考虑纤维/基体/孔隙的微观尺度模型和考虑经纱/纬纱/孔洞的单胞尺度模型。通过施加不同的周期性边界条件，将微观尺度计算得到的弹性性能带入单胞模型并进行相应的折减，得到单胞尺度的平均应力和平均应变。与2.5维编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线试验数据进行了对比，预测的疲劳迟滞回线与室温环境下的试验结果相吻合。同时，分析讨论了疲劳载荷、细观组分参数、单胞结构参数对室温疲劳迟滞回线的影响。 提出了2.5维编织陶瓷基复合材料的疲劳寿命预测方法。该方法基于疲劳载荷下界面磨损机理，采用双尺度模型将界面剪应力衰退模型、纤维强度衰退模型、纤维随机失效模型和陶瓷基复合材料最大应变失效准则相结合，分析了疲劳载荷下复合材料的失效过程。预测了室温环境下2.5维编织陶瓷基复合材料疲劳寿命S-N曲线，与试验结果基本吻合。同时，分析讨论了威布尔模量、稳定界面剪应力、纤维弹性模量和纤维体积含量对S-N预测曲线的影响。

关键词： 针刺   C/SiC   复合材料   有限元   应力应变曲线   连续损伤力学   Ansys二次开发  

摘要： 针刺陶瓷基复合材料不仅改善了二维编织陶瓷基复合材料层间强度，而且比三维编织陶瓷基复合材料的工艺简单、成本低，是一种极有发展潜力的复合材料。目前国内外针对针刺陶瓷基复合材料的制备工艺和静强度试验开展了大量的研究，但是针对该材料的本构关系与失效模型研究较少。因此对其本构关系与失效模型的研究有着积极的工程意义与应用价值。 根据针刺C/SiC复合材料细观结构照片，建立了针刺C/SiC复合材料的细观结构分析模型，采用有限元法对其弹性性能进行了预测，并与试验值进行对比，吻合较好，最后分析了工艺参数对弹性性能的影响。对于孔隙率，采用金相法与排水法测量开孔孔隙率，采用密度法计算总孔隙率，并将孔隙折减到相应的基体模量中，最后将折减后的模量代入模型进行弹性性能预测。 在建立的细观结构模型基础上，对针刺C/SiC复合材料拉伸应力-应变曲线进行了理论模拟和实验研究。采用细观力学模型、基体初始开裂模型、纤维失效统计学模型和剪滞理论来模拟针刺C/SiC复合材料中的基体和纤维束失效，同时引入相应的破坏准则与刚度折减准则，分析了加载过程中的失效演化，得到了材料的应力-应变曲线，与试验数据吻合较好。 基于连续损伤力学理论和实验曲线，建立了针刺C/SiC复合材料损伤演化的本构方程。首先依据理论推导出本构方程和损伤演化方程；然后根据细观力学模型计算出的弹性性能参数以及试验曲线确定方程中的参数，并将模型写入Matlab和Ansys二次开发(UPFs)中进行模拟验证；最后根据建立的本构模型对复杂结构进行有限元分析。

ISBN: (纸本)9787030327512

关键词： 稻壳   碳热还原反应   生物质SiC陶瓷基复合材料   反应熔渗法   组织结构   机械性能  

摘要： 生物质SiC陶瓷材料除具有普通SiC陶瓷材料所具有的低密度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损和抗氧化等优良性能外,还具有原材料来源广泛,制备成本低和生物相容性好等优点,在机械、化工、催化和生物医学等领域具有广阔的应用前景,因而成为近年来国内外广泛研究的一类环境友好型材料。本文具有创新性的以稻壳作为原材料,对其高温裂解成碳化硅和碳后直接制备成预制件,或再在预制件中添加Mo粉和SiC粉(0.5μm),通过采用Si和Fe-Si合金对预制件进行反应熔渗,制备了多种具有不同组织结构特征的SiC陶瓷基复合材料。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和元素分析等材料分析方法研究了稻壳高温裂解参数对裂解产物的相结构和形貌的影响;研究了熔渗反应温度、预制件中Mo粉和SiC粉的添加及其添加量等参数对制备的SiC陶瓷基复合材料的组织结构和机械性能的影响,并分析了不同组织结构的复合材料的断裂机制。 研究结果表明,稻壳于900℃碳化后再在Ar气氛下经1550℃碳热还原反应6h,生成了含SiC晶须(SiCw)、颗粒和碳的混合物,其中碳含量经燃烧法测定约为65wt.%。SiC晶须的平均直径约200nm,长数十微米。该碳热还原反应产物经球磨分散后等静压成型制备成预制件,对其进行液Si反应熔渗,可获得致密的含SiC晶须和细小SiC颗粒的SiCw/SiC-Si复合材料。预制件中的SiC晶须在复合材料里得到很好的保留,对复合材料起到增强增韧作用。产物中的碳与液Si反应,生成了细小的SiC颗粒。在1550℃保温1h熔渗条件下获得的复合材料致密度高、综合机械性能好,其维氏硬度、弹性模量、弯曲强度和断裂韧性值分别为18.8±0.6GPa、354±2GPa、450±40MPa和3.5±0.3MPa m1/2。而太低的熔渗温度(1450℃)和太高的熔渗温度(1600℃)时,前者由于熔渗反应动力不足,后者由于Si的过量挥发,复合材料中均存在一定量的残留碳,不利于材料的机械性能。 通过在稻壳碳热还原产物制备的预制件中添加SiC粉可获得高致密度的SiCw/SiC-Si复合材料。随着预制件中SiC加入量的增加,复合材料中SiC和Si两相的平均颗粒尺寸逐渐下降,两相分布愈加均匀。复合材料的弯曲强度随着少量(20wt.%)外SiC的加入,先略下降,后随着SiC加入量的进一步增加(40wt.%及以上)其弯曲强度不断增加。当SiC加入量为80wt.%时,复合材料具有最高的弯曲强度590MPa。强度的提高主要来自于复合材料中SiC颗粒的弥散强化作用。复合材料的断裂韧性随着SiC的添加先略微下降,而后当SiC加入量增加至40wt.%时,达到最大值4.0±0.3MPa m1/2,但SiC加入量继续增加至60和80wt.%时,断裂韧性值又下降,但维持在3.4MPa m1/2。复合材料的维氏硬度从预制件中未添加SiC时的18.6GPa增加到添加20wt.%SiC时的21GPa,但随着预制件中SiC添加量进一步增加逐渐下降,至添加80wt.%的17.3GPa。复合材料的机械性能是复合材料中SiC晶须含量、SiC颗粒尺寸及其分布和残余Si含量综合作用的结果。 稻壳碳热还原反应产物与10-30wt.%的Mo粉混合制备的预制件经液Si反应熔渗,可获得致密的含SiCw的SiCw/MoSi2-SiC复合材料。预制件中的Mo在熔渗过程中与Si反应,生成MoSi2。该方法可在较低的制备温度下获得SiC/MoSi2复合材料。复合材料中MoSi2的引入提高了复合材料的弹性模量和断裂韧性,但是降低了其弯曲强度。当复合材料中MoSi2的含量为11wt.%时,复合材料具有最高的断裂韧性值,为4.1MPa m1/2.而较低的MoSi2含量,对断裂韧性的改善不明显;较高的MoSi2含量,导致复合材料中过高的残余应力,会降低材料的断裂韧性。 向稻壳经900℃碳化后的粉体材料中添加15-45wt.%的不同量SiC粉,混合分散后制备成预制件,再经1550℃碳热还原反应后通过熔渗FeSi2合金,获得了SiC/Fe-Si复合材料。熔渗过程中预制件中的碳与FeSi2合金中的Si反应生成SiC,而FeSi2由于部分Si被消耗,冷却后部分转变成FeSi相。随着预制件中SiC添加量增加,复合材料中FeSi2量增加,FeSi量减小。复合材料的硬度、杨氏模量、弯曲强度和断裂韧性均随着SiC加入量增加到30wt.%而逐渐增加,分别达到18.2GPa、290GPa、213MPa和4.9MPa m1/2.其中断裂韧性远高于普通反应熔渗SiC陶瓷。该复合材料中SiC颗粒细小,分布均匀。而当SiC加入量继续增加至45wt.%时,由于复合材料中线膨胀系数差别较大的FeSi2和FeSi两相含量差别进一步增加,复合材料中残余应力过大,产生微裂纹,除硬度外各机械性能值下降。与熔渗S