关键词： 3D打印   陶瓷前驱体   复合材料   力学性能  

摘要： 将含惰性填料(Si3N4晶须)的陶瓷前驱体/光敏树脂浆料经数字光处理(DLP)3D打印技术成功制备出了复杂结构的生坯,经热解后生坯转化为聚合物转化陶瓷基复合材料,并能完好地保持其形貌和结构。引入的填料不仅可以避免大块生坯在热解过程中崩塌,还能有效降低陶瓷材料的线性收缩率和失重率,并且其作为增强相可以显著提高复合材料的力学性能。当填料含量为10 wt.%时,复合材料的抗弯强度可达(160.9±19.7)MPa。此外,还讨论了填料含量对复合材料微观结构和孔隙率的影响,发现过量的填料会导致复合材料孔隙缺陷增加,基体连续性降低,从而降低复合材料的力学性能。

关键词： SiC/SiC复合材料   激光加工   陶瓷基复合材料   纳秒激光   毫秒激光  

摘要： SiC/SiC复合材料具有硬度高、脆性大等特点,属于典型的难加工材料,制备冷却孔主要采用激光加工的方法。毫秒激光与纳秒激光主要是利用光热作用迅速加热目标材料,使之熔融、气化,并借助高速气流来移除材料,由于纳秒激光的脉冲持续时间短、能量密度高,因此更容易实现材料的气化,并且引起的热效应较少。本工作分别采用毫秒激光与纳秒激光对SiC/SiC复合材料进行制孔,结果表明,对于直径0.6 mm、倾斜角度为25°的冷却孔,纳秒激光加工时长是毫秒激光的8.7倍;两种激光加工的孔均存在一定的锥度,其中纳秒激光加工的孔锥角为2.12°,毫秒激光加工的孔锥角为1.49°。毫秒激光加工的孔内部、孔出口端与入口端均存在残留物,并且孔周边存在明显的重熔-氧化区与热影响区;而纳秒激光加工的孔内部无明显残留物,激光入口端出现变色现象,出口端无变色现象,无明显重熔-氧化区与热影响区。元素分析结果表明,两种激光加工过程中均能够引起材料的氧化。

关键词： 碳纤维   陶瓷基   复合工艺   微观结构   力学性能   抗烧蚀性能  

摘要： 为提高C/C复合材料在2000℃以上有氧环境中的抗氧化烧蚀性能,本研究采用ZrB_(2)浆料浸渍、ZrC-SiC前驱体浸渍裂解与Si-Zr10共晶合金反应熔渗复合工艺制备了C/C-SiC-ZrB_(2)-ZrC复合材料,细致研究了复合材料在熔渗过程中的基体微观结构演变机理及其力学性能和抗烧蚀性能。结果表明,在反应熔渗结束后的降温阶段,部分ZrC陶瓷与残余Si熔体通过原位固-液反应转化为ZrSi_(2)和SiC,生成的亚微米级SiC颗粒均匀镶嵌于ZrC-ZrSi_(2)二元混合物中,最终形成ZrC-ZrSi_(2)-SiC三相混合微区。制备的C/C-SiC-ZrB_(2)-ZrC复合材料密度为3.18 g/cm^(3),开孔率为2.77%,其弯曲强度和弯曲模量分别为121.46±13.77 MPa和21.78±5.56 GPa。在其断口处能观察到较长且较多的单丝纤维拔出以及明显的界面脱黏,这表明复合材料的失效方式为韧性断裂。经2000℃,300 s的大气等离子体烧蚀,复合材料表现出优良的抗超高温烧蚀性能(质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.37×10^(-3)g/s和3.43×10^(-3)mm/s)。分析发现,烧蚀中心形成了独特的双层梯度氧化物结构,底部的ZrO2层可阻挡外部热量向材料内部基体的传递,表面由固相ZrO2颗粒和液相富SiO2的SiO2-ZrO2熔体组成的复合氧化层既能抵御高速气流的机械冲刷,又能抑制氧气向内部基体的扩散。

关键词： 自愈合   陶瓷基复合材料   SiC/SiC   熔渗工艺   SiC–B_(4)C  

摘要： 采用预浸料–熔渗工艺制备了B_(4)C改性SiC/SiC复合材料(SiC/SiC–B_(4)C复合材料),研究了SiC–B_(4)C改性基体在700℃、1000℃、1200℃、1350℃下氧化50 h的本征氧化行为及自愈合规律,有效观察到了基体的自愈合行为,同时考察了SiC/SiC–B_(4)C复合材料的抗氧化性能,通过材料重量变化和强度保持率衡量其在氧化环境中的损伤程度,揭示了氧化行为。研究结果表明,氧化初期B_(4)C开始发生氧化反应,此时的液态自愈合相主要成分为B_(2)O_(3)。随着温度的升高,氧化生成的SiO_(2)将与B_(2)O_(3)结合生成硅硼玻璃相,当温度进一步升高至1350℃时,由于硅硼玻璃分解加剧,导致自愈合效果减弱。此外,高温导致的硅硼玻璃黏度下降也将有利于氧化介质扩散。SiC/SiC–B_(4)C复合材料在1200℃氧化50 h后仍保持较好的力学性能,说明B_(4)C氧化后生成的B_(2)O_(3)、SiO_(2)等黏流态物质可以在一定程度上封填裂纹,赋予材料高温下自愈合机制。

关键词： 陶瓷基复合材料   混沌多项式展开   不确定传播   各项异性本构   孔隙率  

摘要： 陶瓷基复合材料因其耐高温、高强度比、抗腐蚀等出色的力学性能而被广泛应用于航空航天领域中。然而,制备工艺的复杂性导致陶瓷基复合材料的本构模型中存在大量的不确定性,无法合理估计给定工况下结构的力学行为。为此,本文首先探究了陶瓷基复合材料中的材料参数对其本构模型的影响,并建立了考虑孔隙率的陶瓷基复合材料各向异性本构模型。随后,进一步提出了一种基于稀疏混沌多项式展开的不确定性传播分析方法,定量地分析材料参数及外界环境的不确定性对陶瓷基复合材料性能的影响,进而为结构的优化设计提供有效指导。最后,以陶瓷基复合材料圆柱壳模型为例,验证了本文所提方法的有效性。

关键词： 涡轮叶片   陶瓷基复合材料   结构设计   数字图像相关(DIC)法   静强度  

摘要： 以高温合金低压涡轮叶片为原型,研究了采用SiC/SiC复合材料进行该型涡轮叶片结构设计的可行性。完成了SiC/SiC叶片的宏观设计、榫头设计和细节设计。计算分析了金属和复合材料涡轮叶片的变形和应力特点。对按设计制备的SiC/SiC叶片开展了拉伸强度测试,并在试验中监测了叶片的应变。计算结果表明:SiC/SiC叶片在额定状态下的伸长量低于原金属叶片;叶身叶根与缘板过渡处应力水平最高,但低于SiC/SiC复合材料的拉伸强度;榫头榫颈处有发生局部剪切破坏的风险。试验结果表明:该SiC/SiC叶片的断裂明显呈现出拉伸失效模式,以断裂转速计算的静强度储备系数约为1.3;所采用的SiC/SiC叶片结构设计方法可行,所制备的复合材料叶片也顺利通过了实验室条件下的静强度考核。

关键词： C/C-SiC-ZrC复合材料   ZrC-SiC-MoSi_(2)涂层   刷涂   烧蚀  

摘要： 为进一步提高C/C复合材料在不同烧蚀环境下的烧蚀性能,采用浆料刷涂法在C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料上制备Zr含量分别为34%和60%(质量分数)的ZrC-SiC-MoSi_(2)涂层,并且利用氧乙炔焰研究涂层C/C-SiC-ZrC复合材料在3种不同氧气及乙炔流量下的烧蚀行为。结果表明:随着Zr含量的增加,涂层内部的ZrC和SiC颗粒尺寸明显减小,且颗粒分布更加均匀。Zr含量为60%的涂层线烧蚀率随氧气和乙炔流量的增加而增加,而Zr含量为34%的涂层线烧蚀率随氧气和乙炔流量的增加,先增加后降低。此外,详细讨论ZrC-SiC-MoSi_(2)涂层在不同条件下的烧蚀机理。随着氧气和乙炔流量的增加,主要的烧蚀机制由氧化变为氧化和蒸发的结合作用,最后变为氧化、蒸发及剥蚀的结合作用。

关键词： 碳化硅   陶瓷基复合材料   特种加工技术  

摘要： 碳化硅陶瓷基复合材料(SiC-CMC)具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等诸多优点,在航空航天、核工业、刹车系统中表现出巨大的应用潜力。然而,SiC-CMC各向异性、不均质性、硬脆性的特点,使加工变得十分困难。传统加工方法存在加工表面质量难以控制、刀具磨损严重、加工效率极低的问题。为了解决上述问题,特种加工技术被用来尝试加工SiC-CMC。不过,特种加工技术种类众多,涉及的知识面比传统加工技术多、广、杂,选择工程实用价值更高和基础性更强的激光加工、磨粒水射流加工、电火花加工三个方面展开综述。首先介绍了三种特种加工技术存在的问题,然后综述了解决问题的方法,最后比较了三者之间的优劣势并得出结论:特种加工技术具有各自优势,激光加工适合加工微孔、微槽等微织构;磨粒水射流加工具有更高的加工效率,且能加工大型复杂构件;电火花加工设备投资低,擅长加工薄板型构件和深腔凹槽。特种加工技术既不相互排斥,也不能相互代替,而应该相辅相成,发挥各自的优势,以高效率制备高精密的复杂构件。

关键词： 美国能源部   结构设计理论   温度相关性   低温箱   气体扩散   航空航天   陶瓷基复合材料   建模技术  

摘要： AIAA结构技术委员会(致力于发展航空航天结构设计理论、试验和操作的发展和应用)总结了2022年该领域的技术进展。总体上看,复合材料结构的多物理场分析、损伤建模、新型低温储箱设计试制等技术已成为年度亮点。2022年5月,美国亚利桑那州立大学在美国能源部的资助下,通过有限元分析实现了陶瓷基复合材料(CMC)多物理模拟方法的应用,并对典型CMC进行演示,通过详细模拟复杂的温度相关性氧化、降解以及CMC微观结构的气体扩散,研究应力氧化试验中的应变加速,分析不同温度条件下的差异。

关键词： 陶瓷基复合材料   仿生结构   反应熔渗   抗冲击性能   实弹射击  

摘要： 为解决碳化硅防弹陶瓷受弹道冲击易碎裂致使防护能力大幅下降的问题,本文在掌握了三种碳化硅基材料的静态力学性能与抗冲击性能的基础上,通过缝合编织结合反应熔渗(RMI)等工艺制备了仿龟壳夹心结构的碳纤维增强陶瓷基复合材料,采用三点弯曲、纳米压痕等方法研究了其静态力学性能,利用霍普金森压杆(SHPB)、实弹射击等方法探究了仿生结构复合材料的抗冲击性能。最后,探讨了碳化硅纳米线、不同织物比例以及陶瓷基体类型对于仿生结构复合材料抗冲击性能的影响,主要结论如下:(1)在极低速冲击时,SiC涂层可提高材料抗冲击性能;冲击速度提高后,涂层无法起到防护效果。碳纤维增韧SiC材料可通过内部微孔隙的压缩以及纤维拔出等方法吸收更多的冲击能量,表现出优异的抗冲击性能。此外,复合材料在不同的冲击速度下表现出破碎和粉碎两种不同的损伤模式。(2)非仿生结构的碳网胎叠层以及碳布叠层样品实弹射击测试穿靶后木质千层板的渗透深度分别为6.42 mm和3.95 mm,其中网胎叠层样品在射击后出现了大块的碎裂。与之相比,仿生结构复合材料具有更高的动态能量吸收率,其射击测试穿靶后木质千层板的渗透深度为2.02 mm。而引入了SiC纳米线后,仿生结构复合材料的动态压缩强度和动态能量吸收率更高,分别为433.25 MPa和27.46%,其射击测试穿靶后木质千层板的渗透深度为1.34 mm。(3)随碳布层增加,复合材料动态能量吸收率增加,16层碳布+8层碳网胎缝合而成的仿生结构复合材料具有更高的动态能量吸收率。但其动态压缩强度较低,射击测试穿靶后木质千层板的渗透深度为2.75 mm。Ti C-SiC基以及Zr C-SiC陶瓷基仿生结构复合材料的动态能量吸收率更高,分别为33.16%和27.38%。但两者基体与纤维的结合较差,动态压缩强度较差,分别为135.06 MPa和173.87MPa,射击测试穿靶后木质千层板渗透深度分别为3.83 mm以及4.08 mm。而SiC陶瓷基仿生结构复合材料具有较高的动态能量吸收率和动态压缩强度,其射击测试穿靶后木质千层板的渗透深度为2.02 mm。图47幅,表格22个,参考文献85篇