关键词： 选择性激光烧结   碳化硅   脱脂   入渗   金属直接氧化法   陶瓷基复合材料  

摘要： 碳化硅陶瓷具有密度小,热膨胀系数小,耐磨性能好,硬度高,热稳定性好,高温强度大,热导率大以及抗热震等优良特性,有广泛应用领域和前景。然而其具有的高强度、高硬度等特点给其成形、加工带来了很大困难。而选择性激光烧结技术可直接根据实体的CAD模型,成形复杂形状的原型或零件。利用选择性激光烧结成形碳化硅零件有很大发展前景,而国外还处于初步研究阶段,国内还没有相关的报道。本文的目的就是研究选择性激光烧结碳化硅及其成形后处理工艺,主要研究内容和结论如下: 对碳化硅陶瓷预成形坯的选择性激光烧结成形进行了研究。分析碳化硅陶瓷选择性激光间接烧结原理及特点,探讨CO2和YAG两种激光器间接成形碳化硅机理和区别,比较几种粘结剂的成形性,并对选择性激光成形碳化硅粉末的成形工艺参数:预热温度、激光功率和扫描速率进行优化,以及综合考虑其它因素,确定最佳的成形参数为:采用-280目的碳化硅粉,粘结剂为环氧树脂E06,确定最低的粘结剂含量为2wt%,连续式CO2激光器,预热温度为40℃,激光功率15W,扫描速度2000mm/s,扫描间距0.1mm,单层层厚0.1mm。 研究了环氧树脂在保护气氛和空气中的热解行为,并根据其热解行为确定选择性激光烧结碳化硅形坯的真空脱脂工艺和氧化脱脂工艺;也对脱脂后的碳化硅进行高温烧结研究,脱脂预烧后的孔隙率为54.9%。 对多孔碳化硅零件浸渗环氧树脂E-42和Novolac型酚醛树脂得到聚合物基复合材料,其三点抗弯强度为65.3Mpa;也探讨采用选择性激光烧结和金属直接氧化法技术相结合的工艺,直接制备具有较高尺寸精度的复杂形状的陶瓷基复合材料的零件,其陶瓷相和金属相都成三维网络状分布,各相的体积含量:SiC为45.1%,Al2O3为32.7%,残余金属相为18.0%,孔隙率为4.2%,三点抗弯强度为361.2MPa。 通过本文对碳化硅SLS成型工艺和后处理工艺进行了较为系统的研究表明,选择性激光烧结可用于成形碳化硅及其复合材料零件。这为日后将选区激光烧结工艺全面引入陶瓷材料及复合材料成形领域进行了有益的探索。

关键词： TiB2-Cu发汗陶瓷基复合材料   无压浸渗   高温烧结   孔径分布  

摘要： 本研究根据固体火箭发动机燃气舵材料的性能要求,通过材料和实验设计,并采用高温真空烧结和熔体浸渗工艺,成功制备出不同陶瓷体积含量的TiB2-（Cu,Ni）复合材料,用压汞仪对多孔TiB2陶瓷的孔结构进行表征,并用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、高分辨电镜（HRTEM）、力学性能测试方法对复合材料的组织性能进行了研究。 在制备多孔TiB2陶瓷材料过程中,初始压力对多孔TiB2陶瓷的微观结构有很大影响。初始压力越大,多孔TiB2陶瓷的相对密度越大。TiB2多孔陶瓷骨架的孔径大小、空洞的比表面积以及孔隙率等孔结构参数对金属浸渗有一定影响。 浸渗后复合材料中,陶瓷相已经形成骨架结构,在陶瓷颗粒之间存在金属粘结相。TiB2-（Cu,Ni）复合材料的透射和高分辨分析表明,界面原子排列紧密,结合性能良好,同时在高分辨电镜中发现TiB2和（Cu,Ni）界面存在过渡层,在金属相中存在热残余应力引起的位错滑移和原子错排。 TiB2-（Cu,Ni）复合材料的相对密度随陶瓷体积含量的增加逐渐下降TiB2-（Cu,Ni）复合材料的弯曲强度和断裂韧性随金属体积分数的增加呈先上升后下降趋势,最大弯曲强度和断裂韧性分别为844.7MPa和12.5MPa·m1/2。

关键词： 树脂传递模塑(RTM)   渗透率   M-3193不饱和聚酯   计算机模拟  

摘要： 陶瓷基复合材料具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温和抗腐蚀等优异性能，可用于下一代热结构材料。树脂传递模塑(RTM)工艺不仅成型效率高、表面质量好，而且可用于复杂形状构件的制备。被认为是21世纪复合材料生产领域的主导成型工艺之一。RTM在树脂基复合材料的制备方面已近取得重要进展，但在陶瓷基复合材料的制备方面处于起步阶段。随着陶瓷先驱体的不但发展，陶瓷基复合材料的RTM制备工艺在低成本和精确成型等方面正在显示出巨大的优势，已经引起越来越多的关注。因此，研究树脂在纤维预制体中的渗透行为对发展高性能、低成本碳化硅陶瓷基复合材料的精密成形RTM工艺具有重要意义。 本文根据高性能低成本RTM制造技术的发展需求，重点研究了纤维预制体的渗透率，M-3193不饱和聚酯树脂的RTM工艺，并对充模过程进行了计算机模拟。主要研究内容和结果如下： (1) 根据达西定律建立了渗透率测量的理论模型，研究了主要工艺参数对渗透特性的影响规律。发现提高充模压力和流动速度可以缩短充模时间，在一定程度上可以提高渗透率，最后通过实验数据计算出了增强体的渗透率。 (2) 对树脂传递模塑用M-3193不饱和聚酯进行了系统的研究，分析了温度、边缘效应以及SiC纳米粉填料对树脂流动性和材料力学性能的影响。结果表明，该体系在80℃以上存在低于60mPa·s的低粘度平台，满足RTM工艺对树脂粘度的要求：较大的边缘效应导致树脂在预制体内流动不充分，复合材料强度降低；添加SiC填料使材料的硬度提高了30％，而对材料的强度影响不大。通过对预制体进行真空浸渍前处理，提高了复合材料的强度，测得的材料弯曲强度达到345MPa。 (3) RTM-PWD软件对RTM工艺充模过程进行了模拟，分析了树脂流动情况以及不同工艺参数下的充模过程，给出了不同时刻的树脂流动前沿曲线，计算网格和终止时刻的压力场分布，确定了排气孔位置，计算结果与实验结果吻合良好。

关键词： 外墙涂料   氟树脂   无铅玻璃   溶剂型   活性炭   吸附剂   纳米磁流体   陶瓷复合材料   陶瓷基复合材料   耐候性   户外耐久性   苯丙乳液   同类产品   建筑外墙  

关键词： Cf/Al2O3-BN陶瓷基复合材料   力学性能   增韧机制   抗热震性   耐烧蚀  

摘要： 本文以碳纤维、α-Al2O3粉、BN粉等为原料(α-Al2O3与BN的体积比为3:1),采用热压烧结工艺制备了Cf/Al2O3-BN陶瓷基复合材料。利用XRD、SEM等分析手段和三点弯曲、单边缺口梁法等试验方法,研究了Cf长度、烧结工艺对该复合材料力学性能的影响,进而研究了Cf含量对复合材料力学、热学及抗热震、耐烧蚀性能的影响规律。 结果表明,所加Cf长度分别为4mm、8mm、12mm时, 20vol.%Cf/Al2O3-BN陶瓷基复合材料的抗弯强度、断裂韧性以及断裂功随碳纤维长度的增加而增加。在Cf体积含量不变情况下,进一步在含Cf长度为12mm (CLf)的材料中引入5vol.%1mm短碳纤维(CSf)时,纤维分散更加均匀,(CLf+CSf)/Al2O3-BN的抗弯强度和断裂功又有了一定的提高,分别为113.6MPa,1596.3J/m2。 20vol.%(CLf+CSf)/Al2O3-BN陶瓷基复合材料(含1vol.%助烧剂/基体)分别在1500℃、1550℃、1600℃、1650℃烧结时,其致密度随温度升高而增加,而抗弯强度、断裂韧性以及断裂功却逐渐下降;又在1500℃热压烧结制备了含10vol.%助烧剂的(CLf+CSf)/Al2O3-BN复合材料,其致密度、抗弯强度、断裂韧性,断裂功都得到提高,分别为95.3%、155.0 MPa、3.08 MPa·m1/2、2244.6J/m2。 在1500℃烧结的(CLf+CSf)/Al2O3-BN复合材料中,Cf体积含量分别为15%、20%、25%、30%时,其抗弯强度、断裂韧性随纤维含量的增加出现先增后降的趋势,纤维含量为25vol.%时达到最大,分别为170.5 MPa和3.27 MPa·m1/2;而断裂功单调增大,在纤维含量为30vol.%时达到了最大值,为2883.6J/m2。 复合材料的热膨胀系数和热导率随纤维含量的增加而减小。复合材料的热震断裂参数随纤维含量增加而增大,复合材料热震残留强度下降受碳纤维氧化和热弹性应变能综合影响。复合材料在(氧-乙炔焰的)烧蚀过程中表现出很好的抗烧蚀性能。复合材料的烧蚀机制以热氧化和机械剥蚀烧蚀为主。

关键词： 陶瓷基复合材料   SHPB系统   Weibull分布   致密度  

摘要： 对两种致密度的2D-C/SiC复合材料进行了层向动态压缩性能试验研究,两种致密度材料通过控制CVI(Chemical vapor infiltration)工艺参数得到。试验在SHPB装置上进行,使用改变波形整形器几何尺寸的方法基本实现恒应变率加载。试验结果表明:动态压缩应力-应变曲线呈明显的非线性,与静态试验相比两种致密度试样均有一定的应变率强化效果,即随着应变率的增加,抗压强度提高,失效应变减小,剪切损伤角增大。致密度提高后抗压强度明显增加但失效应变减小,且表现出脆性特征,剪切损伤角也明显增大。动态试验数据有较大的分散性,低、高致密度试样动态破坏强度的Weibull分布系数分别为8.36和5.27。SEM观察发现,低致密度试样纤维束断口不平整,高致密度试样断口相对平整;纤维束多发生整束剪断,动态条件下纤维破碎多于静态。

关键词： ZrB2   碳纤维   热压烧结   力学性能   热冲击性   抗氧化性  

摘要： ZrB2因高熔点、好的抗氧化性、高硬度、好的导热性以及低热膨胀系数等优点而成为高温结构材料的候选材料。但陶瓷材料固有的脆性是其致命的弱点,因此本课题采用碳纤维以改善其韧性。用XRD、SEM分析其物相和组织结构等。测试复合材料的硬度、抗弯强度和断裂韧性,同时分析碳纤维对材料力学性能的影响。对碳纤维含量为20vol%的复合材料体系进行热冲击、氧化性实验。 为使纤维分散均匀,选用十二烷基磺酸钠作为分散剂同时用超声,然后将纤维与粉体一起湿混6小时。 用热压烧结制备复合材料,具体工艺为:将混合料从室温以15℃/min升温至2000℃,同时压力缓慢升至30MPa,保温保压1小时后随炉冷却至室温,ZrB2-SiC-Cf复合材料致密度达97%以上。 XRD结果显示烧结过程中碳纤维与基体ZrB2发生反应生成少量ZrC。测试碳纤维含量为5vol%、10vol%、15vol%和20vol%材料的抗弯强度、断裂韧性。韧性随碳纤维含量的增加而增加,但强度随含量增加变化不明显,加入20vol%碳纤维后材料的韧性为6.10MPa·m1/2是ZrB2-SiC的3.05倍,但强度低于ZrB2-SiC,并分析了材料的增韧机理。 研究了碳纤维含量为20vol%复合材料在300℃、600℃和900℃的高温强度。 考察碳纤维含量为20vol%复合材料的抗热冲击性与氧化性。加入碳纤维材料的韧性提高,弹性模量和热膨胀系数降低,因此复合材料表现出优良的抗热冲击性。基体氧化生成ZrO2与SiO2,这些氧化物在基体与纤维表面形成一层保护膜,阻止了材料的进一步氧化,因此ZrB2-SiC-Cf有较好抗氧化性。

关键词： 宏细观统一本构模型   多尺度分析   陶瓷基复合材料   损伤耦合模型  

摘要： 陶瓷基复合材料是一种多相材料,本身具有可设计性。其失效与细观结构密切相关。要确保陶瓷基复合材料在高推重比航空发动机中可靠地使用,有必要开展其宏细观结合的本构模型和失效模型的研究。我国目前在这方面的研究工作还比较薄弱,本文围绕上述问题开展了深入的研究。论文根据复合材料细观结构的特点提出了新的宏观应变的定义。该定义以材料代表性体元边界位移的积分作为等效宏观应变。证明了基于新的宏观应变定义的宏细观统一本构模型的闭合性,并在此基础上,建立了新宏细观统一本构模型的理论框架。 在新的理论框架内,分别采用加权余量法和虚位移原理建立了高精度四边形子胞模型和节点插值子胞模型两种新型宏细观统一本构模型。上述模型具有如下优点:(1)实现了宏观量与细观量的统一,不仅给出了宏观弹性常数的表达式,而且能够根据宏观应变直接求出复合材料的细观应变场;(2)采用非规则子胞离散求解域,增强了模拟复杂细观结构的能力,提高了模型的计算效率;(3)能方便地与材料失效模型结合,建立损伤耦合的宏细观统一本构模型;(4)能方便地嵌入通用有限元分析软件。论文通过数值计算验证了模型的准确性和高效性。 论文开展了C/SiC陶瓷基复合材料拉伸试验,获取了宏观材料性能数据。对试件的细观损伤进行了无损检测,摸清了C/SiC材料的失效模式,揭示其失效机理,建立了失效模型。将失效模型与上述宏细观统一本构模型结合,建立了损伤耦合的陶瓷基复合材料宏细观统一本构模型,并进行了试验验证。结果表明,该模型既能较好地预测C/SiC陶瓷基复合材料的宏观性能,又能有效地模拟细观损伤。

关键词： 铝合金   直接氧化   复合材料   表面引发剂   SiC预制体  

摘要： 采用熔融金属直接氧化（Lanxide）技术,以Al-5Zn-10Si为母合金,在1100℃的空气气氛中制备了Al2O3/Al复合材料,借助热重分析及中断生长实验,对合金氧化生长过程中的组织结构演变进行了观察。以ZnO,MgO和SiO2为引发剂,覆盖在合金表面,讨论了引发剂的添加效果和作用机理;在此基础上将α-SiC颗粒制作成为预制体,通过改变SiC的粒度和石墨造孔剂的含量,调整预制体内部的气孔分布,控制铝合金熔体在预制体孔隙内的氧化生长,制备出形状规则的SiC/Al2O3/Al复合材料,同时研究了SiC颗粒的存在对SiC/Al2O3/Al复合材料生长机理的影响。通过XRD、SEM、显微观察等手段对复合材料进行了分析,分别采用流式料浆冲蚀磨损实验机以及压痕-急冷法,对复合材料的冲蚀磨损性能和抗热震性能进行了测试,分析了SiC颗粒的增强机理。 实验发现:熔融Al-5Zn-10Si合金直接氧化生长经历了孕育期、快速生长期和饱和生长期三个不同的阶段。在各阶段中,材料的组织形貌均发生了明显变化。制得的Al2O3/Al复合材料在宏观上为典型的胞状生长方式,微观组织是由三维连通的α-Al2O3相构成骨架,其间分布一定量的残余Al-Si相和气孔。 ZnO、MgO和SiO2三种表面引发剂都能显著缩短铝合金的氧化生长孕育期,提高氧化生长速率,改善复合材料的生长方式,提高致密度和均匀性。引入SiC预制体后,Al-Si-Zn合金的氧化生长孕育期缩短,制得的SiC/Al2O3/Al复合材料体积稳定性好,组织均匀性和致密度良好,产品厚度可以达到15mm。 由于SiC颗粒与Al2O3基体之间的“阴影效应”和“支撑作用”,SiC/Al2O3/Al复合材料有着非常优秀的冲蚀磨损性能。由于SiC颗粒与Al2O3基体间的热失配,在加热-急冷的热震过程中,裂纹偏转消耗了大量的能量,从而SiC/Al2O3/Al复合材料表现出了良好的抗热震性能。

关键词： 陶瓷基复合材料   搭接接头   Z-pins   连接  

摘要： 本文对Z-pins增强2-D陶瓷基复合材料搭接接头在单向载荷作用下的连接性能进行了试验及其分析。试验结果表明Z-pins增强2-D陶瓷基复合材料搭接接头随着搭接长度的不同，破坏方式也不相同，有如下两种情况：(1)搭接长度等于15mm的搭接接头，搭接面脱胶为其最终的失效方式；(2)搭接长度大于20mm的搭接接头，首先发生搭接面的脱胶，然后以搭接板在Z-pins存在处断裂而失效。搭接长度等于15mm搭接接头的载荷位-移曲线中，载荷变化存在一稳定的波动区域，此波动区域说明Z-pins具有抑制裂纹扩展，在一定程度上改善搭接接头连接性能。搭接板断裂的搭接接头所能承载的最大载荷与搭接长度之间呈线性关系变化。结合有限元的方法对搭接接头应力分布进行数值分析，发现Z-pins增强2-D陶瓷基复合材料搭接接头搭接面两端存在明显的应力集中，Z-pins存在处应力集中的现象也比较严重，这有可能是搭接长度大于20mm的搭接接头首先发生剥离，而后在Z-pins存在处搭接板断裂的原因。使用有限元的方法对有、无Z-pins增强2-D陶瓷基复合材料搭接接头裂纹尖端能量释放率进行模拟分析，发现Z-pins直径的增大，间距的减小有助于抑制裂纹的扩展；此外，对搭接长度等于15mm的有、无Z-pins增强陶瓷基复合材料搭接接头的破坏过程也进行了数值分析，发现Z-pins直径的增大，间距的减小有助于抑制裂纹的扩展，起到改善连接性能的作用。