关键词： 纤维增强陶瓷基复合材料   航空发动机技术   应用   航空燃气涡轮发动机   战斗机发动机   国外   高温部件   高温性能   改进型  

摘要： 由于纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的高温性能和较好的韧性,法国、美国等航空发动机技术先进国家大量开展了将其应用于航空燃气涡轮发动机高温部件的研究,并已经少量实际应用到现役的和在研的发动机上。相信随着研究的深入和技术的成熟,纤维增强陶瓷基复合材料将陆续应用到先进的第4代战斗机改进型发动机上。

关键词： 陶瓷基复合材料   界面相容性   碳化硅   纤维涂层  

摘要： 有关陶瓷基复合材料(CMC)的界面问题已经得到广泛的重视。为了使材料达到一个很好的刚性,在纤维与基体之间保持尽量小的界面作用力对于陶瓷纤维增强Si—C—O复合材料是非常重要的。在纤维界面上涂层有利于减小它们之间相互作用,涂层处理后的Si—C—O复合材料的弯曲强度比一般无涂层的复合材料高5倍。在介质涂层、基体、以及涂层与纤维间的三相物质中避免化学反应的发生。目前,可利用化学相容性的原理对涂层纤维进行选择。

关键词： 碳化硅陶瓷基复合材料   ICVI   反应器   数学模型   计算机模拟   有限单元法   优化  

摘要： 连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)不但具有耐高温、低密度、高比模、高比强、抗氧化和抗烧蚀等SiC材料的优异性能，而且克服了陶瓷材料脆性大和可靠性差的致命弱点，在航空航天和国防领域有着巨大的应用潜力，受到发达国家的高度重视。等温化学气相渗透法(ICVI法)是目前制备CMC-SiC广泛采用并且已经商业化的方法。在已有实验研究的基础上，建立合理的数学模型并利用数值计算方法对ICVI过程进行数值模拟，不但有助于深化理解ICVI工艺过程，而且可以缩短工艺参数优化的周期，因而对ICVI工艺过程的研究具有十分重要的指导意义。本文通过建立数学模型，应用数值解法，利用计算机对CMC-SiC的ICVI过程进行了数值模拟和分析。主要研究内容和结果如下： 1．根据ICVI工艺的特点，利用传质学和化学反应动力学的基本理论，建立了未耦合反应器的ICVI过程数学模型，并以某小型固体火箭发动机用喉衬为研究对象，运用有限单元法，实现了未耦合反应器的ICVI过程的数值模拟。模拟结果显示，在CMC-SiC的ICVI过程中，存在着三个典型的致密化阶段，即：(1)小孔渗透控制阶段，(2)混合控制阶段，(3)大孔渗透控制阶段。为了验证计算结果，进行了相应的对比实验。实验结果与计算结果呈现出相似的规律，表明本文所建立的数学模型可以合理地描述CMC-SiC的ICVI过程。 2．综合运用流体力学、传热学、传质学以及化学反应动力学的基础理论，建立了耦合反应器的ICVI过程数学模型，用来表征ICVI过程中反应器和预制体内发生的物理及化学变化。以典型反应器和某小型固体火箭发动机用喉衬为研究对象，运用有限单元法对上述数学模型耦合求解，分析了ICVI过程中反应器和预制体中的流场、温度场、浓度场以及预制体的致密化行为。计算结果显示，耦合反应器的模型与未耦合反应器的模型所表征出来的致密化规律是相似的。 3．通过定量计算，对耦合反应器的ICVI过程数学模型的各种简化条件进行了科学的分析，结果表明：(1)预制体内部的强制对流可以忽略；(2)用Navier-Stokes方程描述自由介质中的动量传递不宜采用；(3)器壁反应可以忽略；(4)反应器的扩张段可以忽略。 4．利用本文所建立的数学模型，系统地研究了工艺条件(温度、压力和气体流量)、反应器尺寸(反应器直径和反应器入口直径等)、预制体结构(预制体的初始孔隙率和纤维束的大小)以及预制体在反应器中的放置位置等因素对ICVI过程的影响。计算结果显示：利用ICVI法制备CMC-SiC时，较为合理的工艺条件为：温度为900～1100℃，气体总压为5000～8000Pa，MTS流量为10～50 sccm。预制体的初始孔隙率越大，渗透结束时间越长，但渗透结束时预制体所具有的密度越高，渗透均匀性也越好；纤维束的丝数越大，尽管渗透结束时预制体的密度越高并且渗透均匀性也越好，但是渗透结束时间却大大延长。反应器的入口尺寸对CMC-SiC的致密化过程影响很小；对于本文所研究的小喉衬构件，最合适的反应器直径为90mm。对于本文所研究的预制体和反应器来说，合理的预制体放置位置为0.05m到0.24m之间。 5．将本文所建立的数学模型应用于晶须及颗粒增韧CMC-SiC的ICVI过程中，并对SiC晶须预制体进行了结构优化。计算结果显示，合理的SiC晶须团的直径应在0.3mm至0.5mm之间，渗透结束时复合材料可以得到较高的密度，并且渗透结束时间也不至于太长且渗透均匀性也较好。 6．利用本文所建立的数学模型，实现了ICVI过程中多个预制体同时致密化的数值模拟，并研究了反应器中预制体的容积率对ICVI过程的影响。计算结果显示，对于本文所研究的反应器和预制体来说，预制体的容积率不宜大于11.25％，即预制体的个数不宜多于5个。 7．应用上述数学模型，系统的分析了ICVI过程中，反应器中分别放置全尺寸喷管、大尺寸头锥、大尺寸冲压喷管及大尺寸喷管延伸段等大型复杂构件时的气体传递现象，并对这些典型构件的流场及浓度场进行了优化。

关键词： 陶瓷   复合材料   多孔材料   催化剂  

摘要： 本文利用MoSi2高温蠕变的特性作为高温粘结剂,添加到TiC陶瓷粉末中,制备出有较低热膨胀系数的MoSi2-TiC陶瓷基复合材料;通过添加少量铝金属粉末,使Al-MoSi2-TiC陶瓷基复合材料的力学性能明显提高;在此基础上,采用碳酸氢铵为造孔剂制备出多孔Al-MoSi2-TiC陶瓷基复合材料;探讨了组成,性能和结构的关系,以及添加碳纤维（沥青基和聚丙烯腈基）对复合材料性能的影响。采用分析天平、差热仪（DTA）、热膨胀仪（TED）、压力机、扫描电镜（SEM）、x—射线衍射仪（XRD）等仪器,测试了陶瓷基复合材料的容重、孔隙率、晶相、热膨胀系数、力学性能和显微结构形貌。 结果表明: MoSi2明显降低TiC陶瓷基复合材料的烧结温度,复合材料的相对密度、抗折强度和抗压强度分别为76～84.7%、10～55MPa、20～52MPa;当TiC为65wt%时有最大值,分别为84.7%、55MPa和52MPa;热膨胀系数为4.64～5.81×10-6K-1,在TiC为60wt%时,有最低的热膨胀系数4.64×10-6K-1。 XRD衍射分析表明,烧结过程中TiC与MoSi2及C粉发生化学反应,MoSi2-TiC复合材料中除TiC外,还有Mo2C、Ti0.98Mo0.02C、Ti3SiC2和Mo5Si3新晶相产生。 Al-MoSi2-TiC陶瓷基复合材料的相对密度、抗折强度和抗压强度分别为86～92.7%、50～90MPa、50～180MPa。当Al为3.5wt%时有最大值,分别为92.7%、90MPa和180MPa;热膨胀系数在6.3～7.8×10-6K-1之间。 在Al-MoSi2-TiC陶瓷基复合材料中添加碳纤维（沥青基和聚丙烯腈基）后,材料的力学性能明显降低;碳纤维与基体颗粒之间不润湿,没有形成化学键合是其力学性能降低的主要原因。 多孔Al-MoSi2-TiC陶瓷基复合材料的孔隙率随造孔剂含量增多而增大,并呈线性关系,孔隙率在34～70vol%;抗折强度、抗压强度和热膨胀系数随孔隙率的增大而线性减小;多孔C fiber-MoSi2-TiC陶瓷基复合材料的孔隙率在33%～69%;抗折和抗压强度较低;提高坯料成型压力利于提高陶瓷基复合材料的力学性能,但导致多孔复合材料的性能降低。 MTAN30多孔陶瓷基复合材料对无水乙醇和椴木干馏的高分子木焦油有明显的催化作用;使无水乙醇可以转化为乙烯,25.16wt%木焦油转化为有机气体,气体的转化率提高了1.21倍。

关键词： 陶瓷基复合材料   界面   影响   应力场   应力应变曲线  

摘要： 陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能,被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相,其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能,因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能的影响具有重要的意义。 本文在总结前人工作的基础上开展了如下研究工作: (1)基于剪切滞后理论推导了无界面层和有界面层两种情况下,复合材料单元体的应力场分布,分析了两种情况下界面参数对单元体应力场的影响。结果表明,界面弹性模量、体积含量、泊松比等参数对单元体应力场分布以及界面层的应力集中具有明显的影响。 (2)在有界面层单元体应力场的基础上,进一步考虑在材料制造过程中由于降温作用而导致的单元体内热残余应力的分布,分析比较了有无界面剪切作用两种情况。结果表明,除了界面层的材料参数,纤维和基体的热膨胀系数对单元体的应力场也具有明显影响。在材料设计中要想获得理想的界面强度必须综合考虑这两方面的因素。 (3)在前文工作的基础上,将得到的单元体应力场与基体、界面和纤维的不同失效准则相结合,建立了模拟CMC逐渐损伤的应力应曲线,并分析了界面参数对复合材料力学性能的影响。结果表明,增加界面层弹性模量和体积含量有助于材料在弹性阶段的承载,增加界面层泊松比和界面滑移剪应力对于防止材料灾难性失效具有积极作用。

关键词： 二硅化钼   碳纳米管   机械合金化   力学性能   韧化机制  

摘要： 本文首先用机械合金化(MA)方法合成MoSi纳米先驱粉体,并对碳纳米管进行超声分散,将MoSi和CNT湿法球磨混合后,采用热压烧结方法制备了CNT/MoSi复合材料。利用X射线衍射分析(XRD)、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)等实验手段和力学分析方法,深入研究了Mo-Si粉体机械合金化机理、碳纳米管分散机理、热压烧结优化工艺、复合材料力学性能和组织结构。 研究表明,Mo-Si粉末按原子比1:2混合,加酒精做过程控制剂装入球磨罐中,罐内抽真空后充氩气,转速510r/min,球磨24小时得到杂质含量较低的MoSi纳米粉体,为降低烧结温度,优化制备工艺奠定了基础。将碳纳米管加入配好的十二烷磺酸基钠乙醇溶液中,用超声振荡的方法降低了碳纳米管的团聚现象。 热压烧结制备CNT/MoSi复合材料的优化工艺为:将CNT和MoSi混合粉末从室温以15℃/min升温至800℃,从700℃开始缓慢加压,在800℃保温1小时,再以较高升温速率20℃/min升温至1400℃,同时压力升至30MPa,保温保压45分钟,随炉冷却至室温,制得了致密度达到90%以上的CNT/MoSi陶瓷基复合材料。 未添加CNT的MoSi材料由MoSi和少量Mo5Si3组成;添加CNT的复合材料中新增了少量的SiC,MoSi的含量也比非增强MoSi中高,MoSi颗粒细小,且分布均匀,有利于复合材料高温性能。 CNT提高了复合材料强度和韧性,含2.5wt%CNT复合材料的室温抗弯强度较纯MoSi提高72%,添加1wt%CNT复合材料的断裂韧性提高到纯MoSi的1.43倍。 CNT/MoSi复合材料在1000℃以下强度未降低,但由于MoSi在1000℃附近脆韧化转变和CNT在高温下氧化,在接近1000℃时强度下降显著。 分析CNT/MoSi复合材料显微结构表明,CNT/MoSi复合材料的韧化效应主要是裂纹在CNT与基体之间偏转、CNT使裂纹桥联和CNT在断面的拔出。CNT/MoSi复合材料的强化机制则主要为细晶强化和弥散强化。

关键词： 倾斜内锁型三维机织   陶瓷基复合材料   孔洞   损伤演化   单胞模型   织物细观结构参数   弹性性能  

摘要： 倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料在改进层间断裂韧性,提高损伤容限等方面具有巨大潜力,材料具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低密度等特点,在高推重比航空发动机,火箭发动机等领域具有广阔的应用前景。三维机织物有较强的仿形能力,能够一次成型具有异形截面的纺织预成型件,这预示着倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料将有可能在更多的领域得到应用。 对于三维机织陶瓷基复合材料尤其是倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料力学行为的认识还只是处于初级阶段,还需要一个逐步认识逐步了解的过程。三维编织复合材料的力学性的深入研究是材料设计和工艺改进的基础,是材料走向工程应用的前提条件。基于这种认识,本文对三维编织复合材料的力学行为进行了研究。本文的研究工作主要包括: 1.利用平均化方法提出了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料弹性性能分析的三维细观力学模型,对材料的弹性性能进行了预测。针对材料的机织结构分别建立了两种几何模型,模型考虑了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料经向纤维束的弯曲和纬向纤维束的平直,纤维束的横截面形状和相邻纤维束之间的空洞以及工艺处理对弹性性能的影响。基于层合板理论和两种单胞应变状态假设分别对材料的九个弹性常数进行了推导计算,结果表明两种方法理论的预测值非常接近。计算结果与实验值比较吻合,表明所提出的细观力学模型是合理的,可以为编织陶瓷基复合材料的优化设计提供有价值的参考。由于纤维束直杆模型的纤维束波动形式更为接近材料的实际情形,因此纤维束直杆模型预测结果比纤维束曲杆模型更为准确。 2.利用所提出的弹性性能预报模型分析了材料织物细观结构参数对弹性性能的影响。研究了织物几何结构参数与孔隙率、纤维体积含量、曲屈率的关系,给出了材料弹性性能随纤维体积含量、曲屈率以及孔隙率等参量的变化关系。纤维体积含量与编织几何形状有关,随着纤维体积含量的增大,材料的纵向拉伸弹性模量非线性减小,这是因为倾斜内锁型三维机织复合材料独特的机织结构,纤

关键词： 石英纤维布   熔石英   复合材料   制备工艺   力学性能  

摘要： 本文以石英纤维布、硅溶胶、石英粉、BN粉等为原料,采用溶胶凝胶法、料浆浸渍法和热压烧结工艺制备了2D-SiO2f/SiO2-BN陶瓷基复合材料,利用XRD、SEM、TG-DSC等分析手段和三点弯曲、单边缺口梁法等试验方法,较系统地研究了原料形式和制备工艺方法对复合材料中SiO2的析晶行为和材料的力学性能的影响规律。 试验结果表明在2D-SiO2f/SiO2-BN陶瓷基复合材料的制备中,所采用的高纯度高浓度的硅溶胶pH值为6.03时,其凝胶时间最短。浸渍硅溶胶的纤维布在850℃已有析晶迹象,在900℃时已经严重析晶,其陶瓷化温度为403℃。聚丙烯酸作为表面活性剂对SiO2/BN料浆可产生明显的稀释作用,并通过在颗粒表面的吸附,形成空间位阻,对料浆体系起着稳定作用。为制备高固相含量低粘度的SiO2/BN料浆,所加分散剂的含量以0.64wt%时效果最好,粘度达到0.24Pa·s。在pH值在6.9左右时,料浆的流动性最好,粘度达到0.22Pa·s。采用溶胶凝胶法制备的2D-SiO2f/SiO2-BN（GB体系）的烧结温度比通常的熔石英陶瓷低数百度,在1050℃时体系开始析晶。SEM照片显示,硅溶胶的加入改善了料浆的浸渍效果。 用料浆浸渍和溶胶凝胶法制备的2D-SiO2f/SiO2-BN（SBN体系）的析晶温度为1300℃,比溶胶凝胶法制备的陶瓷基复合材料高150℃。在1200℃下热压烧结的材料的力学性能最高,其密度达到了2.068g·cm-3。弯曲强度、断裂韧性以及弹性模量分别为36.9MPa（Z）、35.7MPa （X-Y）;1.14MPa·m1/2 （Z）、1.14MPa·m1/2 （X-Y）;23.2GPa（Z）、27.2GPa （X-Y）。不同固相含量的研究表明在适合的固相含量（40vol.%）时材料具有最佳的性能。 硅溶胶的加入使得SBN体系的析晶温度降低了100℃,但是在同一烧结温度下,硅溶胶的加入改善了其微观组织,显著提高了其密度与力学性能。纳米SiO2的加入虽然对密度的提高没有显著作用,但是对其力学性能却有较大的提高。在1200℃时,S20BN材料的性能中弯曲强度、弹性模量以及断裂韧性均达到最高值,达到了56.7MPa（Z）,49.4MPa （X-Y）;32.8GPa （Z）,35.1GPa （X-Y）;1.44MPa·m1/2 （Z）,1.18MPa·m1/2 （X-Y）。

关键词： 科研动态   中科院长春应化所   高新技术企业   陶瓷基复合材料   国家火炬计划   研发成功   上海市   异丁酸酯   三氟化氮  

摘要： 上海华谊廿六家企业通过上海市高新技术企业审批；“尼龙酸双异丁酸酯”项目被列为国家火炬计划；杜邦将在常熟建设三氟化氮项目；国家技术发明一等奖项目耐高温陶瓷基复合材料将产业化；上海研发成功长效多功能林木系列稀土肥；中科院长春应化所研发成功性能优异的聚碳酸酯。

关键词： 有机硅树脂   热解温度   填充物   陶瓷基复合材料  

摘要： The joining of graphite, ceramic SiC and C_f/SiC composites via preceramic silicone resin(SR) at high temperature (8001400℃) was studied. The curing and pyrolysis process of SR, pyrolysis temperature, inert and active fillers were especially discussed. The results show that the curing process of SR was accomplished by consuming Si—OH. The temperature of 1200℃ is the appropriate treating temperature for graphite and SiC ceramic, and the temperature of 1400℃ is suitable for C_f/SiC composites. Inert filler SiC powder(5%, mass fraction) has much positive influence on the shear strength of the joints. Active filler nano Ai, Si powder can greatly improve the properties of the joints treated at high temperature. The improvement is over 700%.