关键词： 微型摆式内燃机   陶瓷基复合材料   传热模型   热变形  

摘要： 由于微型摆式内燃机结构较小，唯一运动部件中心摆受热后容易出现变形、卡死等现象，导致内燃机不能正常运行或热效率严重下降。为解决该问题，提出中心摆由陶瓷基复合材料制作，并建立柱坐标系下的中心摆非稳态传热模型，利用有限元方法分析中心摆材质和结构尺寸变化对其变形的影响规律。研究表明,选用的4种材质中SiO2陶瓷基复合材料中心摆受热后变形最小；当中心摆半径分别为21 mm、23 mm时，随着中心摆温度的升高其整体变形的变化不大。该研究可为微型摆式内燃机中心摆的变形及整机热效率研究提供理论参考。

关键词： 陶瓷基复合材料   多尺度模型   高温热循环   力学性能   微观结构  

摘要： 鉴于立体织物增强陶瓷基复合材料独特的复杂微观结构特性，其应用于热防护材料时，对于高温热循环下的服役寿命预测面临着多重严峻挑战。本文通过多尺度模型并结合仿真分析与试验测试，进行了复合材料在1200℃热循环下微观损伤与力学性能的研究。所构建的多尺度模型描述了经纱和纬纱的编织方式、纤维的几何构型、基体中的孔隙分布情况。所使用的材料本构涵盖了基体的屈服阶段，并考虑了温度相关的循环硬化效应。仿真及试验结果表明，热循环导致的基体开裂和界面脱粘是微观损伤的主要原因，使得复合材料拉伸性能大幅下降。相比之下，弯曲和压缩性能受热循环影响较小。

关键词： 陶瓷基复合材料   高温疲劳   疲劳极限   失效机理   氧化损伤  

摘要： 为探究氧化作用对2.5D编织C/SiC复合材料疲劳性能的影响，开展C/SiC复合材料在高温空气和惰性气体环境中的疲劳行为研究。采用应力比0.05，频率10 Hz的正弦波分别在1 200 ℃惰性气体和1 200 ℃空气环境下对2.5D编织C/SiC复合材料开展疲劳试验。1 200 ℃惰性气体环境下循环基数为106的疲劳极限约为160 MPa，1 200 ℃空气环境下循环基数为104的疲劳极限约为130 MPa。随着循环次数的增加，迟滞回线呈现右移的趋势，循环数相同时，空气环境的位移大于惰性气体环境的位移。通过扫描电子显微镜表征疲劳失效试件断口的形貌，发现纤维表面较为粗糙，呈现出明显的氧化迹象。采用能谱仪分析疲劳氧化特征，发现SiC基体氧化形成SiO2。高温空气环境中，氧气的存在显著降低了材料的疲劳性能，氧化作用加速了疲劳失效。在机械载荷作用下，纤维、基体和界面的性能不断退化，导致界面磨损、界面脱粘和纤维拔出。氧化后纤维的受力状态恶化，失效概率增加，成为复合材料中的薄弱部分，易发生断裂。

关键词： 2D机织结构   SiCf/SiC复合材料   反射损耗   吸波机理   先驱体浸渍裂解法(PIP)  

摘要： 随着隐身技术的快速发展,对复合材料的吸波性能要求日益提高。本文以SiC纤维2D机织织物为预制体,通过先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了SiCf/SiC 2D机织层合复合材料,并通过试验测试与数值模拟相结合的方法研究了其反射损耗、吸波机理、影响因素等基础吸波性能。结果表明,在4~18 GHz频率范围内,本文所制备的SiCf/SiC 2D机织层合复合材料具有3 GHz的有效吸波带宽,吸收峰9.7 GHz处的最大反射损耗达-19.2 dB,其吸波性能与纤维电磁参数、细观结构参数以及电磁波的入射角度等因素密切相关。此外,还发现复合材料的吸波性能主要来源于特殊的编织结构和纤维与基体之间的相互作用。这些相互作用使电磁波在材料内部发生多次反射、散射和吸收,从而实现了高效的电磁波衰减,推动SiCf/SiC复合材料在隐身技术、电磁屏蔽等领域的应用。

关键词： 增材制造   陶瓷基复合材料   碳化硅陶瓷   纤维增强   离散纤维   连续纤维  

摘要： 碳化硅陶瓷是一类先进结构材料,具有低密度、高强度、耐腐蚀等优点,然而,碳化硅陶瓷自身的高硬度、高脆性导致其复杂结构件难以制造。3D打印技术的发展为复杂异形陶瓷构件的成形开辟了新途径,但与注射、等静压、凝胶注模等方法相比,其力学性能仍有不足。纤维增强是一类提高碳化硅陶瓷材料力学性能的可靠方法,纤维的引入不仅提高了碳化硅陶瓷的强度,而且改善了碳化硅陶瓷材料的韧性。因此,3D打印纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料逐渐成为研究热点。本文对国内外纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料3D打印技术的最新研究进行了回顾,总结了用于3D打印碳化硅陶瓷增强的纤维种类和纤维预处理方法;依据纤维的连续性对纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的3D打印工艺进行了概括,分析了各种3D打印工艺制备的碳化硅陶瓷基复合材料的力学性能,并介绍了3D打印纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的应用领域,对未来发展方向作出了展望。旨在为碳化硅陶瓷基复合材料的增材制造技术研究提供参考。

关键词： 连续纤维   陶瓷基   纤维增强   复合材料   3D打印  

摘要： 连续纤维增强陶瓷基复合材料(continuous fiber reinforced ceramic matrix composites,CFRCMCs)具有低密度、高强度、优异的高温稳定性与化学稳定性等性能,在航空航天、核工业、化工以及交通运输等领域都有着重要应用。近几年,3D打印技术的发展为复杂异形CFRCMCs构件的预制体成形提供了创新途径。然而CFRCMCs的3D打印技术仍处于起步阶段,面临着成形设备、成形工艺和成形原理等方面的重大挑战。因此,对CFRCMCs的3D打印研究进展与挑战进行归纳与分析具有重要意义。本文首先对常见3D打印技术进行简单介绍;其次,总结CFRCMCs的3D打印研究进展,具体包括基于热塑性原料的熔融沉积3D打印、基于水系浆料的墨水直写3D打印、机械辅助的墨水直写3D打印、基于光敏浆料的光固化3D打印等;最后,从纤维与陶瓷界面、缺陷表征与控制、陶瓷化与致密化、自动化与智能化制造、结构功能一体化、4D打印、自修复以及标准等方面对CFRCMCs的3D打印挑战进行分析。期望为CFRCMCs 3D打印相关的基础科学与关键技术研究提供一定参考与指导。

关键词： 氧化铝   二氧化硅   氧化物连续纤维   陶瓷基复合材料   高温力学性能  

摘要： 分别以氧化铝纤维和石英纤维作为增强体,采用溶胶-凝胶成型工艺制备出了氧化铝纤维增强二氧化硅复合材料(Al_(2)O_(3)f/SiO_(2))和石英纤维增强二氧化硅复合材料(SiO_(2)f/SiO_(2))2种氧化物纤维增强陶瓷基复合材料。分别研究了其在25~1400℃温度条件下的抗拉伸强度及抗压缩强度,并采用电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对复合材料的微观形貌和物相进行了表征。结果表明,在25~1000℃条件下,氧化铝纤维增强二氧化硅复合材料的力学性能远高于石英纤维增强二氧化硅复合材料。而当温度升高到1200℃及以上温度时,复合材料力学性能急剧下降,基体中的二氧化硅颗粒与氧化铝纤维之间发生强结合。当温度进一步提升到1300~1400℃时生成了莫来石相和α-方石英相,界面消失导致的脆性断裂是复合材料高温失效的主要机理。

关键词： 声发射   陶瓷基复合材料   机器学习   剩余强度预测  

摘要： 为有效评估陶瓷基复合材料在载荷作用下的损伤状态,开展了陶瓷基复合材料加载过程中的声发射监测试验。对比了包括XGBoost、AdaBoost、KNN回归等多种机器学习算法在材料剩余强度预测方面的性能。通过基于SHAP的模型可解释性,分析了各相关特征对模型预测能力的贡献。结果表明:除关键声发射信号特征之外,基于声发射信号的计算特征——预警函数,对剩余强度模型预测能力的提升有较大帮助,基于XGBoost算法和声发射信号能够实现较精确的陶瓷基复合材料剩余强度预测。

关键词： 太阳能   斯特林发电系统   陶瓷基复合材料   蓄热   斜温层   蓄热效率   量纲分析  

摘要： 基于1 kWβ型碟式太阳能斯特林发电系统,建立三维、瞬态单罐填充床蓄热数值模型。按不同比例制备陶瓷石墨复合材料,通过热物性与机械性能表征,采用m(高炉矿渣)∶m(石墨)=8∶2的复合材料作为储罐填料。结果表明加入填料后不同初始条件下斜温层厚度比纯水蓄热罐可减少37.5~70.0 mm,蓄放热效率提高约6%;通过π定理采用多元回归方法建立斜温层厚度与各初始条件数学模型,分析了入口流速、蓄热温差、罐体高径比、填料等对蓄热罐斜温层厚度的影响,得到斜温层厚度比无量纲函数关系式;蓄热过程增大入口流速、减小颗粒粒径,达到热平衡时间越短。

关键词： C/SiC复合材料   高温合金   活性钎焊   高熵合金   异种接头  

摘要： 陶瓷基复合材料和金属材料在高温下的连接性能至关重要。本文采用Nb0.74CoCrFeNi2高熵粉末钎料对C/SiC陶瓷基复合材料与GH4169金属进行钎焊连接，揭示了钎焊接头微观组织形貌的演化过程及形成机制，探究了钎焊接头的室温、800℃和1000℃高温下的连接性能。结果显示钎焊接头典型结构为：Cr23C6+（Cr，Fe）23C6/（Cr，Fe）3C2+Ni2Si+NbC/FCC+（Cr，Fe）3C2+Ni2Si，C/SiC陶瓷基复合材料侧界面上随着反应的进行，Cr元素被逐渐消耗，形成了独特的梯度界面结构。随着钎焊温度升高或保温时间延长，焊缝内部缺陷逐渐消失，但脆性界面反应层厚度急剧增加，导致接头室温连接强度呈现先升高后降低的趋势，钎焊接头连接强度最高为188.1 MPa，800℃高温连接强度高达107.7 MPa，1000℃高温连接强度依然保持57.6 MPa。高连接强度源于钎料中Ni元素向C/SiC复合材料侧扩散，使纤维束丝与基体形成了较强的界面结合。