关键词： 金属Ni   MF纤维   陶瓷基复合材料   力学性能   增韧机理  

摘要： 论文中实验以采用常压烧结工艺,在试验原料中添加适量的烧结助剂Nano-TiO2和CMS,选用金属Ni和莫来石纤维(MF)作为增强增韧相,制备镍/莫来石纤维复合增韧氧化铝陶瓷基复合材料。讨论了采用金属Ni掺入、纤维涂覆两种方法作为增韧途径达到提高氧化铝基陶瓷材料韧性的目的,对该材料进行力学性能测试,并探讨了增韧机理。 研究了陶瓷基复合材料成型工艺和烧结工艺。首先,通过设计正交试验研究不同的球磨时间、球磨介质用量、成型压力和PVA用量对试样影响,进行韦氏硬度测试并分析结果,最优方案是球磨时间为24h,球磨介质用量为15ml,成型压力100MPa,PVA用量为氧化铝质量的6%;其韦氏硬度值为10.8GPa。其次,采用DSC和TG分析方法研究氧化铝陶瓷基复合材料的物质变化情况,再由MF在不同温度下的SEM图片分析得知当温度高于1550℃时纤维力学性能有所下降,所以确定烧结工艺。 研究了烧结方法、掺入Ni、纤维是否涂覆、掺入Al对陶瓷基复合材料力学性能及热震性影响。选用石墨埋烧和裸烧两种烧结方法,石墨埋烧氧化铝陶瓷基复合材料的抗弯强度、断裂韧性和相对密度优于裸烧氧化铝陶瓷基复合材料,在石墨埋烧条件下随着Ni质量分数的增加,陶瓷基复合材料的抗弯强度下降但断裂韧性升高,相对密度是先升高后下降。研究在掺入不同质量分数的Ni和不同温度下变化趋势,在1450℃下烧结陶瓷基复合材料的抗弯强度、断裂韧性、相对密度和韦氏硬度均优于在1400℃下制得陶瓷基复合材料;在1450℃下随着Ni掺入质量分数的增加,陶瓷基复合材料的抗弯强度下降但断裂韧性升高,韦氏硬度先升高后降低,相对密度先降低后升高再降低。无涂覆纤维增韧陶瓷基复合材料力学性能优于涂覆纤维陶瓷基复合材料。无涂覆纤维增韧陶瓷基复合材料的抗弯强度大体趋势下降和断裂韧性升高。利用Al掺入陶瓷基复合材料做烧结助剂和改善Ni与陶瓷基复合材料的结合剂,其抗弯强度是下降的,断裂韧性、韦氏硬度和相对密度是先升高后降低的。研究陶瓷基复合材料热震性发现,重复烧结五次后陶瓷基复合材料表面出现微裂纹。陶瓷基复合材料的抗弯强度降低但断裂韧性和相对密度升高。 采用正交实验设计方法,研究纤维、金属Ni、烧结温度和保温时间对复合材料影响并分析其增韧机理。实验得到的最优工艺方案是MF质量分数为10%,金属Ni质量分数为12%,煅烧温度为1500℃,保温时间为60 min。制备氧化铝陶瓷基复合材料性能较佳,相对密度为93.83 %,抗弯强度为730.427 MPa,断裂韧性为10.13 MPa·m1/2,韦氏硬度为10.096 GPa。根据实验结果探讨了金属Ni与MF的增韧机理,金属塑性变形和桥联,纤维的脱黏和拔出、桥联,是韧性提高的主要原因。

关键词： SiC   BAS   致密化   热压烧结   放电等离子烧结(SPS)   抗氧化  

摘要： 本文采用热压烧结工艺和放电等离子烧结(SPS)工艺,制备了BAS/SiC、BSAS/SiC和BAS/(Si3N4-SiC)复合材料。采用XRD、SEM、TEM和HRTEM等测试方法对所制备的复合材料进行了物相及组织结构分析;采用三点弯曲、单边切口梁及压痕等方法测定了复合材料的室温力学性能。系统地研究了BAS含量、烧结工艺对复合材料的组织结构及性能的影响,揭示了SiC基复合材料的断裂行为及强韧化机理。并在其基础上,进一步研究了复合材料的高温抗氧化行为及其损伤机理。 成功地将BAS玻璃陶瓷引入到SiC陶瓷中,获得了致密的SiC基陶瓷复合材料。BAS不仅能有效地促进SiC陶瓷的致密化,而且自身还能完全晶化成高熔点的六方钡长石。SiC晶粒均匀地分散于连续的BAS相中,烧结温度的提高和BAS含量的增加均能进一步提高SiC基复合材料的致密度。BAS/SiC复合材料具有良好的综合力学性能,1900oC热压烧结制备的40wt.%BAS/SiC复合材料的抗弯强度和断裂韧性可分别达到597MPa和7.0MPa·m1/2,且室温力学性能可维持到1200oC。其主要的韧化机理为裂纹的偏转、SiC晶粒的拔出与桥连。Sr部分取代BAS中的Ba,虽能进一步促进材料的致密化,但未能有效地促进BAS由六方相→单斜相的转变。BAS/SiC和BSAS/SiC复合材料的显微组织受BAS含量的影响不大,说明SiC晶粒的生长是受界面反应控制的。TEM分析结果表明,复合材料中BAS和SiC晶粒直接结合,无明显的界面反应层或非晶层,说明在烧结过程中BAS和SiC之间没有发生化学反应,SiC和BAS具有良好的化学相容性。 BAS/SiC复合材料具有优异的高温抗氧化性能。氧化测试结果表明,BAS/SiC复合材料氧化增重曲线呈抛物线变化规律,高的BAS含量能提高材料的抗氧化性能,40wt.%BAS/SiC复合材料经1200oC下氧化8小时后增重仅为0.31mg/cm2。 利用放电等离子快速烧结(SPS)技术,成功地制备出致密的BAS/(Si3N4-SiC)复合材料。Si3N4晶粒的加入显著提高了BAS/SiC复合材料的力学性能,30wt.%BAS/(20Si3N4+50SiC)复合材料中,30wt.%BAS/SiC复合材料的抗弯强度由527MPa提高到659MPa;30wt.%BAS/SiC复合材料的断裂韧性由5.5 MPa·m1/2提高到6.7MPa·m1/2,其力学性能的提高主要归结于自生β-Si3N4棒晶对复合材料的强韧化效应。

关键词： 内耗   连续纤维增韧陶瓷基复合材料   损伤表征   环境行为   腐蚀损伤  

摘要： 总结了连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CFCC)的内耗机制,回顾了有关内耗与损伤行为之间关系的研究成果,并以此为据提出了以内耗表征CFCC环境腐蚀行为的方法。结合笔者关于CFCC腐蚀行为对其内耗行为影响的探索性研究,证实该方法可行,尤其是对纤维和纤维/基体之间界面的氧化行为表现出高度的敏感性。

关键词： 陶瓷基复合材料   氧化   刚度   强度   应力  

摘要： 陶瓷基复合材料是一种耐高温、耐磨损、低密度的高性能新型材料,在航空、航天、兵器、能源等领域具有广阔的应用前景。开展氧化环境下陶瓷基复合材料的力学性能研究对推动陶瓷基复合材料的工程应用具有重要意义。 本文对单向连续纤维增强陶瓷基复合材料在氧化环境中的力学性能进行了研究。采用质量损失率模型表征400-900℃下的氧化情况,采用剪滞模型、蒙特卡罗模拟和纤维随机失效统计模型对C/SiC复合材料的力学性能进行了分析,建立了预测400℃900℃温度下氧化环境下剩余刚度和剩余强度的细观力学方法,分析了应力氧化下剩余强度的影响因素。 C/SiC陶瓷基复合材料在裂纹愈合温度以下存在氧化控制和扩散控制两种氧化机制,本文分别对上述两种机制下的无应力、应力作用下的氧化剩余强度进行了预测,分析了氧化对剩余强度的影响,预测了一定温度下的氧化剩余刚度和剩余强度。 通过实验的方法研究了高温650℃和800℃空气环境下无应力氧化力学性能和高温650℃空气环境下应力氧化行为,对比理论分析方法和实验结果发现:预测值与实验结果基本吻合。

关键词： 陶瓷基复合材料   化学气相渗透过程   异值多尺度方法   水平集方法   快速扫描法   速度场延拓  

摘要： 本文以制备碳纤维增韧SiC的陶瓷基复合材料(C\SiC)的化学气相渗透过程(CVI过程)模拟为主要研究对象,利用多尺度建模思想对非周期结构材料的CVI过程进行数学建模,得到了统计意义下材料中残余孔隙的分布情况。现有的CVI模型鲜有研究材料孔隙分布的内容。经典的CVI模型通过在单一尺度上建立一系列方程,计算局部的孔隙度刻画孔隙结构变化,达到跟踪CVI过程发展的目的。然而该模型自身存在一定的问题,使得模拟结果与理论和实验均有偏差。白云、岳兴业和曾庆丰提出了一个修正的CVI多尺度模型,通过对预制体多尺度划分,在微观和宏观尺度上分别建立模型,结合孔隙度演化方程,模拟预制体在反应过程中的结构变化,该模型很好的解决了经典模型中的奇异性问题。修正的CVI多尺度模型主要针对具有(局部)周期结构的材料。本文提出的模型针对非周期结构的材料,分别在微观和宏观两个尺度上建立模型,对后CVI过程(即小孔已经封闭、SiC沉积只发生在纤维束表面的阶段)进行数值模拟。在微观模型里,利用宏观浓度重构微观浓度的反应扩散方程,由微观浓度与界面速度存在的关系将该方程与Level Set方程耦合,利用LevelSet函数跟踪CVI过程中微观纤维束界面的增长并且统计微观孔隙度和大孔的有效反应面积。而在宏观层面上,在异值多尺度方法的框架下得到宏观浓度方程并解之,同时统计整个计算区域上的总体孔隙度。本文给出了描述整个模型随时间演化的完整过程的算法,同时文章还给出了具体的数值算例和分析。

关键词： 纤维增强陶瓷基复合材料   发展及应用  

摘要： 陶瓷基复合材料(CMC)是在陶瓷中引入第二相材料,使之增强,增韧的多相材料.法、美、德、日等发达国家20多年来积极开展研究,目前陶瓷基复合材料已在航空航天发动机、航天热防护系统、原子能等领域已经得到应用。

关键词： 反辐射导弹   天线罩   空心石英纤维   宽频透波   2D SiO2f/SiO2复合材料   2D SiO2f/Nitride复合材料   材料性能  

摘要： 为了保证导弹制导系统的正常工作,导弹天线罩必须具备透波、防热和承载等多种功能。反辐射导弹作为专门攻击雷达的精确制导武器,还要求其天线罩具备宽频透波的特殊功能。本文以反辐射导弹为背景,针对宽频透波天线罩,通过材料体系选择和结构设计,制备了二维石英纤维织物增强石英基(2D SiO2f/SiO2)复合材料和二维石英纤维织物增强氮化物基(2D SiO2f/Nitride)复合材料,较为系统地表征了材料的力学性能、介电性能和热物理性能,并深入研究了制备工艺、微观结构与材料性能之间的关系。 采用溶胶凝胶工艺,通过浓缩硅溶胶并引入手糊成型工艺和模压工艺,实现了2D SiO2f/SiO2材料的的成型和制备。探讨了制备温度和纤维体积分数对材料微观结构与性能的影响。结果显示,800℃制备的复合材料具有良好的韧性以及较大的断裂功,其弯曲强度和弹性模量分别为97.0MPa、11.6GPa;900℃制备的复合材料同样显示出一定的韧性特征,其弯曲强度和弹性模量分别为72.3MPa、10.2GPa;而1000℃制备的复合材料,力学性能较差,其弯曲强度和弹性模量分别为46.2MPa、9.8GPa,石英纤维的微晶化是材料力学性能降低的主要原因。适当提高纤维体积分数,2D SiO2f/SiO2复合材料的力学性能提高,纤维体积分数的增大和界面结合的适当增强分别是材料弯曲性能和层间剪切性能提高的主要原因。但是纤维体积分数的增加要通过提高模压压力来实现,当模压压力过大时,纤维出现机械损伤,复合材料变脆、力学性能降低。模压压力为1.5MPa,2D SiO2f/SiO2复合材料的纤维体积分数为45%时,综合性能较好。当纤维体积分数从34%提高至45%时,材料的弯曲强度、层间剪切强度和弹性模量分别由50.2MPa、3.1MPa、8.3GPa提升至97.0MPa、9.1MPa、11.6GPa,;当纤维体积分数提高至48%时,纤维出现机械损伤,材料的弯曲强度、层间剪切强度和弹性模量分别下降为57.3MPa、5.7MPa、9.3GPa。纤维体积分数为40%和45%的2D SiO2f/SiO2复合材料,介电常数分别为2.64和2.61,损耗角正切分别为1.9×10-3和1.6×10-3,在2～18GHz的频段内理论功率透过系数均大于75%,热导率分别为0.37W×m-1×K-1和0.35W×m-1×K-1,热膨胀系数分别为0.30×10-6K-1和0.32×10-6K-1。 采用先驱体浸渍裂解（PIP）工艺,并引入模压工艺,制备出2D SiO2f/Nitride复合材料。探讨了先驱体裂解温度和纤维体积分数对材料微观结构与性能的影响。结果显示,先驱体裂解温度升高,2D SiO2f/Nitride复合材料力学性能明显降低。裂解温度从800℃提高到1000℃,弯曲强度和弹性模量分别为180.7MPa、20.3GPa下降至90.5MPa、14.5GPa。随着复合材料的纤维体积分数的提高,2D SiO2f/Nitride复合材料的弯曲强度和弹性模量逐渐上升,而层间剪切强度基本保持稳定。当纤维体积分数从45%提高至55%时,材料的弯曲强度和弹性模量分别由119.1MPa、17.4GPa提升至180.7MPa、20.3GPa;材料的层间剪切强度稳定在13GPa左右。2D SiO2f/Nitride复合材料的介电性能和热物理性能随纤维体积分数的变化规律与2D SiO2f/SiO2复合材料一致。纤维体积分数为45%55%的2D SiO2f/Nitride复合材料,介电常数处于2.92～2.82,损耗角正切处于3.5×10-32.9×10-3,在2～18GHz的频段内理论功率透过系数大于70%,热导率处于0.82～0.80W×m-1×K-1,热膨胀系数处于1.11×10-61.05×10-6K-1。

关键词： 陶瓷基复合材料   C/SiC   拉伸   疲劳   迟滞回线   界面剪应力   S-N曲线  

摘要： 纤维增强陶瓷基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、高比强和高比模等优点,是提高航空发动机推重比的关键材料。为确保陶瓷基复合材料在航空发动机部件上可靠的使用,有必要开展陶瓷基复合材料拉伸和疲劳行为的研究。本文对单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料单轴拉伸行为、疲劳迟滞行为、界面参数估计和疲劳寿命预测开展了深入研究。 发展了预测陶瓷基复合材料单轴拉伸应力?应变曲线的细观力学方法。采用剪滞模型描述复合材料出现损伤后的细观应力场,通过损伤模型确定拉伸载荷下细观损伤参量演化,将剪滞模型与损伤模型相结合预测了陶瓷基复合材料单轴拉伸应力?应变曲线。与单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料单轴拉伸试验数据进行了对比,各损伤阶段的应力?应变曲线与试验数据相吻合。 提出了一种新的预测陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的细观力学模型。基于卸载/重新加载时纤维相对基体滑移的损伤机理,采用断裂力学方法确定了卸载界面反向滑移长度和重新加载界面新滑移长度,分析了不同界面滑移情况下的疲劳迟滞回线。与单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞试验数据进行了对比,预测的迟滞回线形状和位置与试验数据相吻合。 提出了一种预测陶瓷基复合材料疲劳载荷下界面剪应力的方法。建立了迟滞耗散能与界面剪应力之间的关系,通过将试验测量的不同循环数下的迟滞耗散能与理论计算值相对比,获得了室温和高温环境下单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料疲劳载荷下的界面剪应力。 提出了一种基于界面磨损机理的陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法。将纤维随机失效模型与界面剪应力衰退模型、纤维强度衰退模型相结合,确定了疲劳载荷下纤维随循环失效过程,预测了室温和高温环境下单向、正交铺设、2维和2.5维编织陶瓷基复合材料疲劳寿命S-N曲线,与试验数据相吻合。 开展了室温和高温800°C空气环境下单向和[0/90/0/90/0/90/0/90/0]-C/SiC陶瓷基复合材料单轴拉伸试验、加卸载拉伸试验和拉?拉疲劳试验。获得了室温和高温800°C空气环境中C/SiC的拉伸和疲劳性能,揭示了其拉伸和疲劳损伤机理,预测了其单轴拉伸应力?应变曲线、疲劳迟滞回线、室温和高温疲劳载荷下的界面剪应力以及疲劳寿命S-N曲线。

关键词： 陶瓷基复合材料   构件加工   激光加工技术   超声加工   加工方法   几何形状   热膨胀系数   加工过程   超声方法  

摘要： 美国通过测试不同加工方法和对比分析发现,相比激光加工技术和传统的加工方法,超声波加工技术更适合于CMC构件加工,其加工效率最高,成本更合理。The Ex One公司针对两个CM样件进行超声加工试验,能加工出符合要求的几何形状,并可在一个周期中加工多个冷却孔,而其它两种方法每次只能加工一个。

关键词： SiC纤维   Si3N4   BAS玻璃陶瓷   显微结构   力学性能  

摘要： 采用热压烧结方法制备出致密的SiC短纤维和Si3N4颗粒复合增强的BAS玻璃陶瓷基复合材料。利用XRD、SEM、TEM和3点弯曲等分析测试手段研究了物相组成、显微结构、界面结构及室温力学性能。结果表明,BAS能有效地促进复合材料的致密化和实现Si3N4的α→β相转变。复合材料中的BAS为六方相,SiC短纤维具有热压取向性,与BAS基体之间的界面结合紧密。SiC短纤维和Si3N4颗粒对BAS有较为显著的强韧化效果,复合材料的室温弯曲强度和断裂韧性为298MPa和4.38MPa.m1/2,比纯六方BAS玻璃陶瓷分别提高了247%和143%。