关键词： 针刺陶瓷基复合材料   孔隙缺陷   参数化表征   弹性性能   热扩散系数  

摘要： 陶瓷基复合材料凭借其优异的高温性能在航空航天等领域得到了广泛关注。而针刺陶瓷基复合材料通过在材料厚度方向引入针刺纤维束,增强了材料的层间性能,已逐渐成为航空航天等热端结构上的首选材料。然而,由于复杂的制备工艺和特殊的预制体结构,使得材料内部有大量的孔隙缺陷。孔隙缺陷的多尺度特性和随机性导致陶瓷基复合材料力学性能具有较大分散性而难以预测,限制了材料的进一步应用。因此,本文围绕针刺陶瓷基复合材料孔隙缺陷的检测和表征,开展了材料多尺度建模和弹性性能预测方法研究。本文的主要研究内容如下: 首先,采用X射线显微镜对针刺陶瓷基复合材料进行观测,通过三维重构分析了材料的微观结构和孔隙分布特征。结合参数化表征和概率拟合方法,分析了孔隙缺陷的结构特征。通过关联多个结构特征参数,参数化定量表征分析了孔隙缺陷的变化规律。 之后,基于对孔隙缺陷的表征参数数据,通过蒙特卡洛接受-拒绝采样将微观孔隙缺陷的表征数据映射到有限元分析模型中,通过多尺度建模分析方法,对材料分区域建模,分别在微观和细观不同尺度对材料进行弹性性能分析。以显微观测和各尺度求解的参数为基础,建立了整体的针刺陶瓷基复合材料细观代表性体积单元(RVE)模型,而后求解并讨论了孔隙缺陷对材料弹性性能的影响。 最后,以一维热传导理论为基础,结合多尺度建模分析方法,分析了孔隙率与热扩散系数之间的定量关联关系,从热扩散系数的角度对材料孔隙率进行了检测表征,并借助红外热成像实验对分析结果进行了实验验证。基于仿真分析结果,以指数函数拟合孔隙率与热扩散系数,关联了孔隙率与热扩散系数,建立起孔隙率-热扩散系数关联模型,实现了以热扩散系数反求材料孔隙缺陷分布的方法。并将反求获得的孔隙缺陷分布带入多尺度的建模和分析方法中,通过对模型力学性能求解,实现了材料在任意孔隙率下弹性性能的预测。 本课题研究成果将为针刺陶瓷基复合材料制备工艺的改进,弹性性能的预测评估提供理论和方法参考。

关键词： 陶瓷基复合材料   复相陶瓷   浆料浸渍法   前驱体浸渍裂解法  

摘要： 陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites,简称CMCs）具有耐高温、高强度、高模量、低密度和耐磨损等优异性能,在航空航天领域有着广阔的应用前景。目前其相关研究已实现了在航空发动机的高温热结构部件及高超音速导弹的热防护结构上的应用。然而在实际应用中的有关研究表明,目前研究的较为广泛的非氧化物CMCs尽管具有高强度、低密度与优异的耐高温性能,但是在长时高温水氧环境下,其易受氧化腐蚀导致材料性能的减退。因此,如何制备抗氧化、耐腐蚀且力学性能较优的CMCs及提升复合材料在高温条件下的长时耐用性,是当前亟待解决的问题。 本文针对以上问题,以Nextel 720纤维增强氧化物陶瓷基复合材料（Nextel720/Al2O3-ZrO2 CMCs）为研究对象,开展了相关研究,主要研究内容如下: （1）通过粉末压片法制备出氧化物陶瓷块体并系统研究了不同Al2O3、ZrO2陶瓷粉体比例及氧化铝溶胶的添加量对陶瓷块体的线收缩率、孔隙率、密度及微观形貌演变的影响。研究发现当Al2O3与ZrO2粉体质量比为4:1且氧化铝溶胶添加量为总固体质量的10 wt.%时所得氧化物陶瓷块体的性能最优。此时经1200℃烧结后的陶瓷块体密度为2.46±0.03 g/cm3,线收缩率为1.27±0.06%,孔隙率为41.56±0.50%。 （2）基于上述研究筛选出合适的陶瓷基体组分配方后,通过浆料浸渍热压法结合前驱体浸渍裂解工艺制备得到Nextel 720纤维增强氧化物CMCs,并主要研究了莫来石前驱体浸渍次数对其性能的影响。其中Nextel 720/Al2O3-ZrO2 CMCs在经2次莫来石前驱体浸渍-裂解循环后的性能最优,此时弯曲强度为184.83±12.48 MPa,弹性模量为49.92±1.48 GPa。制备的氧化物CMCs同时具有较好的抗烧蚀性能,但高温耐老化性能较差,经1200℃高温烧结48小时后的强度保留率仅为65.5%。 （3）通过界面相工艺优化,引入高熵氧化物陶瓷界面相,实现对纤维的保护。研究表明通过高熵氧化物陶瓷界面相的引入,不仅可避免莫来石前驱体裂解产物对纤维的损害,实现更多次的浸渍-裂解循环,得到更致密的基体结构,而且还可避免纤维与基体之间过强的界面结合。含高熵氧化物陶瓷界面相的氧化物CMCs经历3次浸渍-裂解循环后的弯曲强度最大值为166.76±10.37 MPa,弹性模量为67.34±2.32 GPa。含高熵氧化物陶瓷界面相的氧化物CMCs经1200℃高温烧结48小时后的强度保留率为91.4%,其长时耐高温性能得到了一定程度上的提升。 总的来说,本文从陶瓷基体的研究出发,通过优化CMCs的制备工艺及引入高熵氧化物陶瓷作为界面相,最终实现了力学性能较优、长时高温稳定性好且抗烧蚀性能优异的氧化物CMCs的制备。本论文的研究成果将为氧化物CMCs在长时高温水氧环境下的应用提供一种新的解决思路。

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。

关键词： 超声辅助磨削   SiO2f/SiO2   工艺优化   最大未变形切屑厚度  

摘要： 石英纤维增强的SiO2陶瓷基复合材料(SiO2f/SiO2)具有低等压热膨胀率、低密度、耐腐蚀、高机械强度和优异的介电性能,具备防热、承重、穿波等多功能性能,是高马赫数导弹的雷达天线罩的首选材料。然而,由于其固有的脆性、超高硬度和非均质性,导致磨削加工面临诸多挑战。传统磨削工艺在陶瓷基复合材料的加工中面临损伤严重、效率低下等问题。大量研究证明,超声辅助磨削可以有效改善硬脆材料的磨削加工质量,但是目前,对于超声辅助磨削SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料的研究相对较少,关于SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料在超声加工过程中的表面成形机制尚不明确,超声的引入对于对材料去除的作用仍需讨论。本文深入研究了SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料的普通磨削和超声辅助磨削的表面质量变化规律和磨削工艺过程,以满足实际生产中对精度与效率的双重要求。主要工作如下: 通过理论计算,分析超声辅助加工过程中磨粒的运动轨迹,计算磨削过程的最大未变形切屑厚度,同时探讨了磨粒划痕轨迹之间的相互影响,计算临界超声参数,构建了超声辅助磨削SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料的磨粒力学模型,结合实验数据对模型进行验证。研究结果显示,引入超声振动提高了各磨粒划痕轨迹间的相互重叠干涉可能性,导致理论上磨粒在加工表面上进行重复耕犁,进一步改善表面质量。超声振动的引入可以影响磨削力的变化。通过超声的作用,磨粒的划痕路径得以延长,提高了磨粒对SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料的去除能力,降低了磨削力,并提高磨削效率和加工质量。使用超声振动辅助能够减小单颗磨粒在磨削过程中的切削深度,有助于减少磨削力。加工参数的变化通过改变磨粒的最大未变形切屑厚度,改变了材料的去除形式,进而影响磨削力和磨削比能的大小。 基于最大未变形切屑厚度,系统性地探究了工艺参数和超声参数对磨削过程的影响机制,揭示了超声振动对工件加工表面质量和亚表面质量改善的原因。结果表明:最大未变形切屑厚度与表面粗糙度和亚表面损伤深度均呈正相关趋势,随着最大未变形切屑厚度的变化,SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料去除机制发生转变,使表面和亚表面质量发生变化。 提出了针对SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料磨削的工艺参数优化方法。通过基于遗传算法的多目标优化,可以在超声辅助磨削SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料的加工过程中,找到最佳的加工参数组合,以达到最优的加工质量和最大的去除效率。

关键词： 陶瓷基复合材料   飞秒激光   气膜冷却孔   旋切制孔   小孔形貌  

摘要： SiC连续纤维增强SiC陶瓷基复合材料（SiC_f/SiC复合材料）以其低密度、耐高温、抗氧化和优异的机械性能成为航空涡轮发动机高温部件的首选材料。通常,涡轮叶片和燃烧室衬套上分布有大量直径为0.3～1 mm的气膜冷却孔来确保航空发动机在较高温度下稳定工作。然而,SiC_f/SiC复合材料的高硬度、弱导电性、严重的各向异性和不均匀性给小孔的高质量、高效率和高精度加工带来了巨大挑战。针对上述问题,本文采用飞秒激光两步旋切制孔方法开展SiC_f/SiC复合材料小孔高质高效加工工艺研究,具体研究内容如下: （1）从时间尺度和物理变化尺度阐明了飞秒激光烧蚀材料的去除机理和过程,分析了SiC_f/SiC复合材料的制备过程及材料组成,基于EDS、XRD和XPS分析了飞秒激光烧蚀SiC_f/SiC复合材料产物。结果表明,飞秒激光烧蚀SiC_f/SiC复合材料表面会发生非线性吸收激光能量的现象,并伴随着雪崩电离、多光子电离和库仑爆炸等影响。辐照区的SiC基体、SiC纤维以及热解碳界面会以等离子体形式与空气中的氧离子结合,形成SiO2、CO2、CO等氧化物。基于旋光系统介绍了飞秒激光两步旋切制孔方法:第一步环形光束螺旋进给制孔,第二步环形光束轴向进给修孔。 （2）针对第一步制孔,基于飞秒激光环形光束烧蚀试验,分析了环形光束随光楔距离L和光楔相位差φ的变化规律,实现了环形光束的光束偏角和焦点直径的精确调控。选择合适的旋光系统光楔参数开展了SiC_f/SiC复合材料飞秒激光螺旋进给制孔试验,采用单因素试验明确了光楔相位差、光楔距离、功率、进给速度和螺距工艺参数对制孔质量和效率的影响规律,最终得出了第一步飞秒激光环形光束螺旋进给制孔最优工艺参数。 （3）针对第二步修孔,基于环形光束随旋光系统光楔参数的变化规律,确定了合适的工艺参数范围,采用四因素四水平的正交试验法探究了光楔相位差、光楔距离、功率、进给速度工艺参数对修孔质量的影响规律。得出了第二步飞秒激光环形光束轴向进给修孔最优工艺参数。选择两步旋切制孔最优工艺参数开展了制孔验证,分析了时间维度下的孔形演变规律,阐明了飞秒激光两步旋切制孔的成形机制。结果表明,成孔出入口及孔壁加工质量较好,孔截面无明显加工损伤及热影响,飞秒激光两步旋切方法可以实现SiC_f/SiC复合材料小孔的高质高效加工。

关键词： 焦磷酸锆陶瓷基复合材料   高硅氧纤维   原位反应法   抗折强度   介电性能   天线罩  

摘要： 近年来，随着航空航天技术向着更快速、更精确和更耐久发展，天线罩的工作环境日益恶劣，这对天线罩的力学性能、介电性能、隔热能力提出了更高的要求。焦磷酸锆材料具有质量轻、导热系数低和介电性能好的优点，但是其强度偏低的问题限制了它在天线罩领域的使用。　　针对焦磷酸锆材料强度偏低的问题，本文以高硅氧纤维作为焦磷酸锆基复合材料的增强体，系统研究了高硅氧纤维的加入对焦磷酸锆基复合材料结构和性能的影响。然后加入焦磷酸锆材料的前驱体粉末，通过原位反应法制备复合材料，探讨原位反应法对复合材料性能的影响。通过分析制得材料的结构与性能，得出如下结论:　　（1）纤维添加量和长度的选择。以高硅氧纤维作为增强体制备通过固相烧结制备焦磷酸锆基复合材料，并对其结构和性能进行分析。研究发现，纤维添加量为1wt.％，纤维长度为9mm的样品具有最佳抗折强度（44.2MPa）。　　（2）磷源的选择和前驱体粉末含量的调控。以磷酸二氢氨和磷酸硼作为合成焦磷酸锆材料的不同磷源，以纳米氧化锆作为锆源，并通过原位合成法制备焦磷酸锆基复合材料。研究发现，以磷酸硼为磷源制备的复合材料，具有最佳的抗折强度（44.2MPa）、低的介电常数（6.85）和低的介电损耗角正切（0.00152）。　　（3）天线罩应用模拟仿真。挑选综合性能最佳的样品进行介电性能测试，并使用COMSOL有限元软件对其进行天线罩模拟仿真，讨论了样品材料作为天线罩时对天线收发电磁波能力的影响，发现添加4wt.％前驱体粉末（磷源为BPO4和锆源为纳米ZrO2）的样品可以对天线增益有一定的聚焦作用，改善对特定方向上天线收发电磁波能力。