关键词： 氮化硼纳米片   硼酸盐氮化法   陶瓷基复合材料   力学性能   介电性能   增韧机理  

摘要： 氮化硼纳米片(BNNSs)因为良好的导热性能、电绝缘性能、润滑性能、耐化学腐蚀性、高模量等优异的性能可以被用作制备各类复合材料,将BNNSs添加到陶瓷基复合材料中既可以提升其力学性能,又能改善其介电、导热等其他性能。本文利用硼酸盐氮化法制备了 BNNSs、BNNSs/MgO复合粉体和BNNSs/Al2O3复合粉体,通过热压烧结制备了 BNNSs/MgO复合陶瓷、BNNSs/Al2O3复合陶瓷和BNNSs掺杂的共晶成分Al2O3/YAG/YSZ陶瓷。研究了 BNNSs/MgO复合陶瓷、BNNSs/Al2O3复合陶瓷和BNNSs掺杂的共晶成分Al2O3/YAG/YSZ陶瓷的力学性能和断裂机理,分析了 BNNSs/MgO复合陶瓷的介电性能。(1)本文通过硼酸镁氮化法原位反应制备了 BNNSs/MgO复合粉体,并通过热压烧结制备了 BNNSs/MgO复合陶瓷,实现了粉体和陶瓷中BNNSs和MgO充分均匀的混合,且没有引入杂质。BNNSs/MgO复合陶瓷具有和纯MgO陶瓷相近的弯曲强度(201.4MPa)和断裂韧性(3.78 MPa·m1/2),但具有较低的体积密度(2.994 g/cm3),因此相比纯MgO陶瓷具有较高的比强度。BNNSs/MgO陶瓷相比纯MgO陶瓷具有较低的介电常数(约7左右)和较低的介电损耗,因此具有较好的透波性能。BNNSs/MgO陶瓷的断裂机理是BNNSs拔出、BNNSs桥联和裂纹偏转共同作用机理。(2)本文通过硼酸铝氮化法原位反应制备了BNNSs/Al2O3复合粉体,并通过热压烧结制备了 BNNSs/Al2O3复合陶瓷,实现了粉体和陶瓷中BNNSs和Al2O3充分均匀的混合,且没有引入杂质。BNNSs/Al2O3复合陶瓷具有优异的弯曲强度(537.9MPa)、断裂韧性(5.18MPa·m1/2)和硬度(21.3 GPa),BNNSs 的掺杂能有效降低Al2O3的晶粒大小。BNNSs/MgO陶瓷的断裂机理是Al2O3基体的穿晶和沿晶混合断裂方式以及BNNSs拔出、BNNSs桥联和裂纹偏转共同作用机理。(3)本文利用硼酸镁氮化法成功制备了 BNNSs,并用于增韧共晶成分Al2O3/YAG/YSZ陶瓷。1.5wt.%BNNSs掺杂的复合陶瓷具有最高的弯曲强度(390.35 MPa)和断裂韧性(3.75 MPa·m1/2)。BNNSs掺杂的共晶成分Al2O3/YAG/YSZ陶瓷的断裂机理为BNNSs拔出、BNNSs桥联、裂纹偏转和颗粒增韧共同作用机理。

关键词： 陶瓷基复合材料   各向异性导热系数   前倾扇形孔   多排孔端壁   综合冷却效率   热固耦合  

摘要： 为了解决陶瓷基复合材料(CMC)各向异性导热特点而带来的温度场分布变化问题,基于热固耦合数值模拟手段并采用等效导热系数法将CMC端壁导热系数等效为X,Y,Z三个方向的宏观等效导热系数,研究了主传热方向与次传热方向导热系数比(R),主传热方向与主流方向夹角(γ)与端壁冷效分布之间的关系。当端壁导热系数呈现各项异性特征时,端壁表面冷却带朝着主传热方向发生扭曲,R越大扭曲现象越明显。γ=0°时展向平均冷效峰值相比γ=90°要低15%~16%,而下游中心线冷却效率峰值则要高出11.1%~26.2%。对于无气膜覆盖的冷气出口上游区域,冷却带对主传热方向以及导热系数比的变化更为敏感。采用交错多排圆柱孔端壁结构进行了实验,对比了高温合金和CMC材料的综合冷效分布情况。在吹风比M=3~5情况下,CMC端壁的整体综合冷却效率比高温合金端壁低4.32%~5.10%,这主要是厚度方向导热系数的不同导致的。实验结果与理论模化公式结果符合良好,验证了模化公式的准确性。

关键词： 陶瓷基复合材料   陶瓷纤维   复合方式   高温材料   预制件   处理过程   陶瓷部件   碳纤维  

摘要： 碳纤维和陶瓷纤维特性良好,制成的复合材料抗拉强度高、密度低、耐磨性好,是当前纺织品技术应用方面最具开创性的研究领域。陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites, CMCs)通常应用于有耐高温需求的领域,其纤维处理过程复杂,纤维-基体的复合方式特殊。作为德国Fraunhofer高温材料设计中心(AWZ TFK)的重要部门,Fraunhofer陶瓷纤维纺织应用中心(HTL)的研究人员与德国Hof大学有着密切的合作。

关键词： 陶瓷基复合材料   纤维复合   热端部件   航空发动机   航空领域   CMC   NASA   先行者  

摘要： 陶瓷基复合材料(CMC)兼具金属、陶瓷和碳等材料的优点。美国国家航空航天局(NASA)作为美国航空领域的先行者和引领者,资助CMC涡轮导叶相关技术的研究,并将其推广应用至航空发动机热端部件。陶瓷基复合材料(CMC)是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。

关键词： 先驱体陶瓷   复合材料   直写成型   抗氧化性能  

摘要： 采用直写成型与先驱体转化相结合的工艺制备了h-BN增强SiCw/SiC陶瓷基复合材料。复合材料打印构件氧化后在外壳表面生成了玻璃态氧化膜,具有独特的流体壳加氧化膜的复合结构。相较于普通SiC陶瓷的SiO_(2)氧化膜,玻璃态硼硅酸盐氧化膜能更有效地降低氧向复合材料内部扩散的速率,从而使复合材料的氧含量从12.33%降至5.75%。此外,适量的增强相(如h-BN/PCS=0.5)能进一步改善复合材料的抗氧化性能,其在800℃、900℃、1 000℃和1 100℃氧化后的增重变化不大,生成的玻璃态氧化膜完整且连续,能修补氧化表面的裂纹和孔隙,提高材料致密度,减少氧向材料内部扩散的路径。

关键词： 难熔金属碳化物   陶瓷基复合材料   循环静态氧化   循环氧乙炔焰烧蚀  

摘要： 难熔金属碳化物改性是提升陶瓷基复合材料抗氧化性能的有效途径。然而,ZrC-HfC-TaC改性对循环氧化烧蚀性能的影响却鲜有报道。利用前驱体浸渍裂解结合化学气相沉积工艺构筑了ZrC-HfC-TaC改性C/SiC复合材料,剖析了1600℃/5 h循环静态氧化后材料的力学强度、化学组成以及微观结构的变化,根据表征结果提出了改性后材料的抗氧化机理,并利用1700℃/4000 s循环氧乙块焰烧蚀试验验证了ZrC-HfC-TaC改性对提升循环氧化烧蚀性能的有效性。研究表明,经过ZrC-HfC-TaC改性的C/SiC复合材料具备优异的高温循环氧化烧蚀性能。

关键词： 反应熔渗   陶瓷基复合材料   多孔低密度C/C基材   基体改性  

摘要： 反应熔渗(RMI)工艺制备碳纤维增强陶瓷基复合材料具有周期短、成本低、致密度高等优势,因此获得了广泛关注。本文主要对影响RMI工艺制备碳纤维增强陶瓷基复合材料的三方面因素(多孔低密度C/C基材结构、基体改性成分及制备工艺)的研究进展进行了综述。研究显示:通过对多孔低密度C/C基材中碳基体类型、碳纤维预制体结构、基材密度及孔隙结构进行优化设计,可显著提升复合材料的力学及抗氧化烧蚀性能;通过基体改性技术在C/C复合材料中引入功能性组元,可显著提高复合材料的抗氧化烧蚀、耐磨擦等性能;通过熔渗工艺优化,如调整熔渗温度、时间,选择合适的熔渗物类型等,可制备出综合性能良好的复合材料。最后,指出了目前RMI工艺制备碳纤维增强陶瓷基复合材料中存在的主要问题和潜在研究方向。

关键词： 超高温   陶瓷基复合材料   热压烧结   无压烧结  

摘要： 超高温陶瓷复合材料被广泛应用于超高速飞行器等超高温领域,这种材料具有足够高的强度、韧性和抗高温能力。近年来,各国研究者在耐高温和高强韧性陶瓷基复合材料的研究方面取得了一定的进展,为进一步发展超高温陶瓷基复合材料提供了技术基础。文章系统阐述了超高温陶瓷复合材料的类别和制备方法,介绍了各种超高温陶瓷复合材料的密度、力学性能、抗氧化/烧蚀性能等,以期推进超高温陶瓷复合材料的发展。

关键词： 非金属矿物   氧化物陶瓷基复合材料   白云石   电气石   海泡石   强韧  

摘要： 氧化物陶瓷基复合材料具有高硬度、高强度、高耐磨损性、低线膨胀系数、抗氧化、耐高温、耐化学腐蚀和抗高温蠕变等优点,在制造业、航空航天、齿科修复等领域得到广泛应用。非金属矿物与氧化物陶瓷基复合材料的有效复合,不仅能够发挥我国典型非金属矿物的资源禀赋特征和结构特点,也能够降低氧化物陶瓷基复合材料强韧化成本、提高制备过程的可控性。本文重点介绍了白云石、电气石、海泡石等三种非金属矿物在强韧氧化物陶瓷基(Al_(2)O_(3)、ZrO_(2)和“磷酸钙-高岭土-石英”)复合材料方面的研究进展,归纳了非金属矿物的组分、结构等对氧化物陶瓷基复合材料强韧化的作用成效,并对其发展趋势进行了展望。

关键词： C/SiC陶瓷基复合材料   轻量化点阵结构   力学行为   传热行为   一体化热防护结构  

摘要： 高超声速飞行器技术是航空航天领域发展的重要方向,对国防安全起着重要作用。高超声速飞行器能在极端环境中安全服役的关键在于飞行器的热防护材料与结构。一方面,热防护材料与结构必须能够经受恶劣的气动热环境;另一方面,热防护材料与结构还要在承载的同时尽可能降低质量以提高飞行器有效载荷。因此,需要研发兼具耐高温、轻量化、承载特性的热防护结构。本文首先综述了C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构及其制造方法,对其在室温、高温环境下的力学行为与传热行为的研究现状进行了总结,并具体讨论了基于C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构的耐高温、轻量化、承载、一体化热防护结构研究进展情况。最后,在新设计理论与方法、新制造技术、服役特性、多功能一体化设计与实现四个方面对面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构的研究挑战进行了展望。本文为高超声速飞行器新型热防护结构的发展提供一定借鉴与思考。