关键词： 科技创新发展   新材料产业   稀有金属材料   宽禁带半导体   增材制造   陶瓷基复合材料   能源材料   新型电子  

摘要： 近日,在西安市人民政府官网上,公布了《西安市“十四五”科技创新发展规划》(以下简称规划)。规划中提出要发挥西安新材料产业优势,围绕国民经济和社会发展重大需求,聚焦稀有金属材料、光电能源材料、空天复合材料、石墨烯材料、汽车轻量化材料、生物医药材料、陶瓷基复合材料、增材制造等重点领域,前瞻布局高端新材料、前沿新材料,突破材料性能及成分控制等工艺技术,形成重点领域“材料+器件+装备”一体化发展优势,全面提升全市新材料产业竞争力。

关键词： SiC   /SiC陶瓷基复合材料   超声辅助螺旋磨削   孔壁质量   材料去除机理  

摘要： 针对SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiC;/SiC)存在加工质量差、材料去除困难等问题,开展金刚石砂轮超声辅助螺旋磨削SiC;/SiC陶瓷基复合材料试验,研究其出口质量、孔壁形貌及孔壁表面粗糙度。结果表明:与传统制孔相比,超声辅助螺旋磨削制孔出口处材料无大面积崩边;砂轮磨削速度方向与纤维方向的夹角θ的周期性变化导致孔壁表面形貌呈现规律性变化。当θ在0°/180°时,纤维与基体多发生脱黏现象;当θ在45°时,纤维多发生剪切断裂;当θ在90°时,纤维多发生挤压断裂;当θ在135°时,纤维既发生剪切断裂又发生挤压断裂;孔壁表面粗糙度Sa在θ为90°时最低,在θ为135°时最高。在一定范围内,表面粗糙度Sa随着超声振幅的增大而降低,最大降幅为38.7%;随着进给速度的增大而升高,最大增幅为39.3%。

关键词： 陶瓷基复合材料   双剪切   声发射   时频分析  

摘要： 针对陶瓷基复合材料结构损伤声发射监测模式识别及强度评估问题,利用圆柱形试样双剪切试验获取破坏过程典型的声发射波形信号,采用傅立叶和时频分析等手段,获得声发射信号特征,发现同批次试样在不同加载条件下的损伤演化规律不同。分析声发射信号历程变化特征,在典型高幅值信号下,小幅值声发射信号代表了不同的损伤模式;纤维铺层与加载方向成0°夹角加载方式下,损伤声发射信号能量主要集中在70kHz和120kHz;随纤维铺层与加载方向夹角增大至45°,声发射信号的能量分布在多个频率;纤维铺层与加载方向夹角增大至90°,信号能量主要分布在40kHz、70kHz和170kHz三个频率。信号能量集中频率的不同,说明试样内部产生不同的损伤模式。首次大幅值声发射信号出现的载荷与极限破坏载荷具有一定的相互关系,随纤维铺层与加载方向夹角的增大,极限破坏载荷越大。

关键词： 陶瓷基复合材料   航空发动机   涡轮   燃烧室   热端部件  

摘要： 陶瓷基复合材料(CMC)具有密度低、耐高温的优异特性而被视为新一代航空发动机的战略热结构材料,其制备工艺、性能设计及其在燃烧室和涡轮等热端部件的应用已成为现阶段航空发动机研究领域的热点。然而,由于编织特征导致的各向异性特性,给CMC在热端部件的应用和加工带来巨大挑战。本文总结了有关陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的应用研究现状和存在的挑战,提出未来CMC热端部件精细化热分析发展建议。

关键词： 石墨烯   陶瓷基复合材料   制备工艺   分散工艺  

摘要： 制备工艺是调控石墨烯/陶瓷复合材料结构、优化其力学和热电等性能的关键。重点综述了石墨烯/陶瓷复合材料的粉末压坯烧结工艺和3D打印工艺及其研究进展。粉末压坯烧结工艺包括无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结和高频感应加热烧结等,具有工艺简单、材料性能好、制备参数易控制等优点,是石墨烯/陶瓷复合材料的主要制备工艺,用于制备致密的块体复合材料;主要3D打印工艺有直写成形、激光选区烧结、喷墨打印和立体光固化等,具有结构和形状可控的特点,是目前石墨烯/陶瓷复合材料的研究热点,用于成形复杂形状和特定性能的复合材料器件。另外,还简要介绍了原位生成法、碳热还原法等利用特定物理化学反应制备石墨烯/陶瓷复合材料的制备工艺,并综述了石墨烯在复合材料中的分散工艺。

关键词： 陶瓷基复合材料   疲劳   损伤分析   界面   优化设计  

摘要： 本文从界面损伤模拟出发研究了陶瓷基复合材料(CMCs)的抗疲劳设计方法。以CMCs微观结构演变为切入点,在微观尺度建立复合材料各组分损伤机制的物理模型,然后集成到细观尺度的有限元分析之中,从而建立CMCs疲劳损伤的数值模拟方法,并对界面相组成、结构等因素影响疲劳性能的作用机制进行探究,以实现界面的抗疲劳设计。通过多尺度和多维度对CMCs疲劳损伤机理进行数值模拟,建立了可计及界面微观结构影响的疲劳性能理论表征模型。结果表明,SiC_(f)/SiC_(m)复合材料中,界面偏转裂纹的疲劳扩展速率是随着裂纹长度的增大而下降的,且不同位置偏转裂纹的具体扩展规律存在较大差异;界面相厚度和成分均对偏转裂纹的疲劳扩展速率存在显著影响,裂纹扩展速率随界面相厚度增大而减小,随界面相成分的模量增大而减小。

关键词： 陶瓷基复合材料   C_(f)/SiC复合材料   损伤   断裂   原位试验   人工智能  

摘要： 为揭示平纹C_(f)/SiC复合材料的拉伸损伤演化及失效机理,开展了X射线CT原位拉伸试验,获得材料的三维重构图像,利用深度学习的图像分割方法,准确识别出拉伸裂纹并实现其三维可视化。分析了平纹C_(f)/SiC复合材料损伤演化与失效机理,基于裂纹的三维可视化结果对材料损伤进行了定量表征。结果表明:平纹C_(f)/SiC复合材料的拉伸力学行为呈现非线性,拉伸过程中主要出现基体开裂、界面脱黏、纤维断裂及纤维拔出等损伤;初始缺陷易引起材料损伤,孔隙多的部位裂纹数量也多;纤维束外基体裂纹可扩展至纤维束内部,并发生裂纹偏转。基于深度学习的智能图像分割方法为定量评估陶瓷基复合材料损伤演化与失效机理提供了有效分析手段。

关键词： 超高温   复相陶瓷基复合材料   烧蚀行为   基体设计   SiC  

摘要： 采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB_(2)-ZrC-SiC和HfB_(2)-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料,复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征,对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高温烧蚀行为。研究结果表明,超高温复相陶瓷基复合材料相比传统的未改性SiC基复合材料,烧蚀后复合材料表面原位生成了固液两相致密氧化膜,两相协同作用实现了抗冲蚀和抗氧化的效果,对液相SiO_(2)的流失起到了阻碍作用,提升了材料的超高温烧蚀性能。在此基础上,提出了设计超高温复相陶瓷基复合材料应考虑的因素。上述研究结果对陶瓷基复合材料在超高温有限寿命领域的应用具有一定的指导意义。

关键词： 微结构   陶瓷   陶瓷基复合材料   精密磨削   电火花加工   PCD  

摘要： 蓝宝石、聚晶金刚石（PCD）、单晶碳化硅陶瓷、陶瓷基复合材料等高性能硬脆材料具有硬度高、密度低、热膨胀系数小、化学稳定性好等特点,在其表面加工制造出规则的微结构可以附加出新的功能特性,被广泛应用于航空航天、汽车制造、生物工程等领域。然而,这些材料硬度或脆性较高,导致其微结构加工表面容易出现破损、崩边等问题,很难保证微结构的3D形状精度。论文提出采用高精度的微细磨削加工技术在蓝宝石、硬质合金、陶瓷及陶瓷基复合材料表面加工制造出高形状精度的微阵列结构,对比研究不同材料微结构加工的形状精度和表面质量;采用电火花磨削复合加工技术在PCD刀具表面加工制造出螺旋沟槽结构,并探索PCD刀具的钻削性能。论文主要研究内容和结果如下: （1）采用机械修整技术将金刚石砂轮修整成V形尖端,然后利用精密修整后的V尖端砂轮在单晶碳化硅陶瓷、蓝宝石玻璃、陶瓷基复合材料等材料表面加工出微阵列结构,并且对比研究不同材料表面微结构加工的形状精度和表面质量。单晶碳化硅、铝基碳化硅、反应烧结碳化硅、微晶玻璃陶瓷表面的微结构磨削形状精度PV值分别为12.6μm、13.7μm、11.3μm、17.9μm,蓝宝石玻璃微结构表面粗糙度Ra为0.942μm,微结构尖端圆弧半径为17.37μm。 （2）采用干式接触放电（ECD）修整技术可以对金属基金刚石砂轮进行高效修锐修整,研究了脉冲放电参数对金属基砂轮尖端修整精度的影响,优化的脉冲放电参数为:开路电压25 V,脉冲频率4000 Hz,占空比50%;精密放电修整后的砂轮尖端圆弧半径最小可达15μm,尖端角度误差最小可达2.4°。采用修整后的V尖端金刚石砂轮在硬质合金表面加工微结构,获得的微结构深度误差最小为2.6μm,底部圆弧半径误差最小为3.2μm,沟槽侧面粗糙度Ra为0.31μm。 （3）采用电火花磨削复合加工技术在PCD刀具表面可以高效加工出螺旋沟槽结构,研究了电火花磨削复合加工参数对PCD刀具刃磨质量的影响。在PCD刀具的电火花磨削复合加工过程中,脉冲放电参数对PCD刀具螺旋沟槽加工质量的影响从大到小依次为脉冲电流、脉冲电压、脉冲宽度、脉冲间隔,较优的脉冲电流、脉冲电压、脉冲宽度分别是1400 m A、95 V、400 ns。脉冲间隔对PCD刀具刃磨质量影响较小,当脉冲电压为95 V时,PCD刀具沟槽表面粗糙度Ra为0.156μm,PCD刀具钻削性能最好,铝基碳化硅钻孔质量最好。

关键词： 陶瓷基复合材料   摩擦磨损机理   细观结构磨损有限元模拟  

摘要： 陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites,CMCs)以其高比模量、密度低、优异的高温力学性能等优点,已成为下一代航空发动热端部件的关键材料,更是未来发动机发展的核心技术之一。编织CMCs结构件在航空发动机中常常与高温合金进行连接,长时间服役其表面会发生摩擦磨损,从而影响CMCs结构件的可靠性。然而目前编织CMCs的常温摩擦磨损性能和机理为主要以刹车盘为研究对象,但在连接结构的小载荷低速度的条件下,其摩擦性能和磨损机理具有明显区别。因此,揭示编织CMCs常温和高温摩擦磨损机理、实现磨损有限元模拟、以及磨损后力学性能的研究,对于编织CMCs连接结构的工程实际应用具有重要作用。 本文首先开展了平纹编织SiC/SiC复合材料与GH4169配副的室温、高温往复摩擦试验,探讨了载荷、滑动速度和温度对其摩擦磨损性能的影响。采用光学显微镜和电子扫描显微镜对磨损表面形貌和局部特征进行了观察,分析了平纹编织SiC/SiC复合材料的磨损特征,揭示了其常温、高温磨损机理。基于Archard磨损模型,建立了编织CMCs的磨损有限元模拟方法,从宏观和细观尺度对CMCs的磨损量和磨损特征进行了数值模拟。与磨损试验结果进行对比,验证了磨损模拟方法的有效性。开展了编织CMCs磨损后室温准静拉伸试验,采用非接触式应变测量方法(Digital Image Correlation,DIC)获得了磨损表面在拉伸载荷下的应变场分布特征和演化规律。最后建立了编织CMCs复合材料磨损后细观结构RVE模型,通过渐进损伤分析方法模拟了细观结构在拉伸载荷下的应变场分布特征和失效过程。最终,实现了编织CMCs复合材料磨损模拟预测以及磨损后轴向拉伸失效分析。