关键词： 陶瓷基复合材料   编织结构   各向异性热导率   细观结构   概率分布  

摘要： CMC材料由于其良好的耐高温和力学性能，在涡轮叶片等航空发动机高温部件中逐渐得到工程应用，但内部非均匀和非均质结构特征导致热物性参数呈现显著的各向异性及分散性，进而对CMC(Ceramic Matrix Composite)高温部件的热设计产生影响。本文针对2.5维编织CMC平板进行细观几何特征参数识别及统计分析，建立了反映材料细观结构分散性的参数化全尺寸模型，使用Monte-Carlo模拟方法，探究了编织CMC材料细观结构几何特征参数的随机性对材料各向异性热导率概率分布的影响规律，并通过正交试验分析了不同几何参数的影响程度。研究结果表明，基础模型在基体和纤维束热导率差异的影响下，温度和热流密度分布存在不均匀性，在各部分纤维与基体交界处温度存在较为明显的梯度变化，在基体和斜向纤维束内热流密度较大，在y向纬纱以及x向经纱水平段内热流密度较小；在几何特征波动的影响下，基体和纤维束的体积分数发生改变是影响等效热导率波动的主要原因，六种几何特征对热导率概率分布的影响程度为：编织角>经纱长度>经纱间距>经纱宽度>纬纱宽度>纬纱长度。

关键词： 陶瓷基复合材料   编织角度   截面尺寸   气膜冷却   各向异性   导热系数  

摘要： 针对陶瓷基复合材料(CMC材料)在航空发动机高温部件中应用时的冷却需求,考虑到CMC材料内部非均质非均匀结构和热物性特征与均质金属材料的巨大差异,探究了CMC材料编织结构几何参数对气膜综合冷却效果的影响,研究中以三维五向编织CMC材料为例,建立了反映材料内部细观编织结构的平板气膜全尺寸计算模型,从细观纱线尺度引入各组分热物性参数,计算分析了不同编织角度和纤维束截面尺寸等几何特征参数对气膜综合冷效的影响规律。研究结果表明,纤维束由于导热系数相对较高成为平板内部的主要热量传输通道,编织角发生变化时纤维束方向也随之改变,进而影响材料内部热量传输通道及整体各向异性等效导热系数。本文计算工况下,在气膜孔下游0~10D (D为气膜孔直径)区域,编织角度为40°时气膜综合冷效相对较高;在远离气膜孔区域,气膜板的冷却效果随着编织角度的增大而减弱。纤维束截面尺寸的改变对气膜综合冷效的影响较小,但是随着纤维束截面尺寸的增加,平板内部温度更加均匀。

关键词： SiC_(f)/SiC复合材料   陶瓷基   热震   多物理耦合损伤   摩擦磨损  

摘要： 采取加热-水淬循环的方式对化学气相渗透(CVI)和先驱体浸渍裂解(PIP)复合工艺制备成的2.5D编织SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料进行热震试验,并对热震后的材料进行单向拉伸试验,研究在多物理耦合损伤(不同热震次数、拉伸)下材料的摩擦性能及摩擦磨损机制。结果表明单一拉伸损伤会导致材料内部缺陷增多,拉伸损伤程度越高,磨损量与磨损率越大,但材料的摩擦系数变化趋势、磨损机理没有改变。在热震30次后材料表面出现凹坑,具有疲劳磨损的特征。多物理耦合损伤下,由于热震后材料表面产生氧化物,作用在表面织构起到了固体润滑剂的效果导致减磨,使得材料的磨损量与磨损率降低。并且磨损机理发生改变,单一拉伸损伤的SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料的磨损机理主要是磨粒磨损,经过10次热震后转变为磨粒磨损和粘着磨损,在热震30次后材料表面出现凹坑,具有疲劳磨损的特征。

关键词： 陶瓷基复合材料   磨削加工   表面质量   表面粗糙度  

摘要： 针对陶瓷基复合材料的难加工问题,开展长度300和500 mm连续表面磨削加工试验,分析典型损伤特征,利用3D表面粗糙度参数S_(a)、S_(z)、S_(sk)、S_(ku)、S_(dr)和S_(bi)综合评价加工表面形貌,系统研究不同加工长度连续表面的质量稳定性。结果表明:磨削加工后的有效长度超过70%,但是会随机出现剥落损伤和过切损伤;剥落损伤源自涂层-复合材料界面的低结合强度,过切损伤源自理想加工表面与纤维编织层间的微小偏角误差;剥落损伤和过切损伤会造成陶瓷基复合材料层孔隙裸露,破坏表面完整性,影响表面气密性,但未观察到加工导致的孔隙缺陷扩展现象;去除上述损伤位置,加工表面光滑平坦,呈现镜面状态,能够提供更好的承载能力和更低的流体阻滞;300和500 mm加工长度的表面质量稳定性差异不显著,但刀具磨损差异导致500 mm加工长度的表面粗糙度S_(a)和S_(z)高于300 mm加工长度。

关键词： 氧化铝纤维   陶瓷基复合材料   高比强  

摘要： 连续氧化铝纤维是新一代耐高温热端构件主力原材料,具备熔点高、热导率低、绝缘性好、抗化学侵蚀能力强及高比强等特性。该材料用于制备耐高温高强、防隔热陶瓷基复合材料,广泛应用于航空、航天、船舶、热电、石油化工、半导体、汽车以及高温炉膛等高端领域。国外氧化铝纤维及其复合材料已形成产品化并实现了构件应用,国内在该领域起步较晚,近10年左右时间实现了从基础研究到应用研究的跨越式发展。本文归纳介绍了国内外氧化铝纤维及其复合材料的发展历程、制备工艺、研究现状及产业布局情况,并提出了当下存在的问题以及后续发展重点。

关键词： 陶瓷基复合材料   PPH   专利   赛峰  

摘要： 本文介绍了陶瓷基复合材料的特点、发展现状以及PPH专利的特点,分析了全球技术领先生产商赛峰集团的相关中国专利申请概况和所有PPH专利申请技术,以期为国内创新主体提供技术研发和专利预警信息。

关键词： SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料   界面相   增韧机制   小尺寸力学测试技术   界面相微区性能  

摘要： 作为一种典型的陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC),SiC_(f)/SiC复合材料具有高比强度、耐高温、抗氧化和抗热震等优点,在航空航天领域应用前景广阔。纤维和基体中间的界面相具有保护纤维、传递载荷、偏转裂纹等作用,赋予SiC_(f)/SiC复合材料伪塑性断裂特征。界面相的设计方案会显著影响其微区性能,进而影响SiC_(f)/SiC复合材料宏观力学性能和损伤失效模式。近年来发展的基于聚焦离子束(focused ion beam,FIB)的微纳加工技术和基于纳米压痕的微观力学测试技术是表征SiC_(f)/SiC复合材料界面相微区性能的有效手段。本文综述了SiC_(f)/SiC界面相现有设计方案及界面相微区性能对增韧效果的影响机制,重点总结了单纤维顶出/顶入、微柱压缩等小尺寸力学测试(small-scale mechanical testing,SSMT)技术的应用现状及各方法的适用条件和优缺点。最后,对CMC界面相微区性能研究的发展趋势做了初步展望,并指出测试方法的标准化、测试环境的高温化及测试数据的模型化是未来的主要发展方向。

关键词： 热喷涂   环境障碍涂层   热与环境障碍涂层   可磨耗封严涂层   陶瓷基复合材料   专题评述  

摘要： 随着航空发动机涡轮前燃气入口温度的不断攀升,陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite, CMC)以其轻质、高强、抗氧化、对裂纹不敏感、耐温性能优异等特点,成为新一代航空发动机高温部件的首选基体材料。但CMC存在抗高温水氧侵蚀性能不足等问题,发动机CMC热端部件用热喷涂涂层成为亟待解决的技术瓶颈。本文结合国外航空发动机热端部件选材方案的更迭及工程应用实例,分析了发动机热端部件采用高温合金+气膜冷却+热障涂层方案的技术局限性,明确了CMC+适量气膜冷却+环境障碍涂层方案的技术优势;综述了CMC用热与环境障碍涂层(Thermal and Environmental Barrier Coatings, TEBCs)和环境障碍可磨耗封严涂层(Environmental Barrier Coatings-Abradable Sealing Coatings, EBCs-ASCs)的研究进展、应用情况以及近些年国内外学者的研究成果;辨析了面向更高温燃气来流时热喷涂环境障碍涂层面临的机遇与挑战,为后续TEBCs的组分和结构设计以及制备明确了方向,并对今后研究工作的重点进行了展望。

关键词： 应变   FBG   电阻应变片   高温合金   陶瓷基复合材料  

摘要： 利用光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器测量了高温合金和陶瓷基复合材料的应变特性,并与电阻应变片的测量结果进行了对比分析.将FBG应变传感器与电阻应变片分别粘贴在高温合金和陶瓷基复合材料试件的正、反面上,利用力学试验机对2种试件施加载荷,分别利用FBG解调仪和应变测试仪对FBG应变传感器和电阻应变片的信号进行实时解调.研究得出:FBG应变传感器与电阻应变片在一定的应变范围内,测量结果符合较好.因此,FBG应变传感器可代替电阻应变片,实现对材料的应变测量.

关键词： 陶瓷基复合材料   纤维预制体   涡轮外环   结构设计   航空发动机  

摘要： 基于陶瓷基复合材料在发动机涡轮部件中迫切的工程应用需求,对陶瓷基高压涡轮外环结构设计方法进行研究。开展了陶瓷基高压涡轮外环结构设计,包括外形结构、装配结构、封严结构等;完成了不同预制体方案与不同致密化工艺的匹配性研究,实现了高压涡轮外环整体结构减重70%的目标;深入开展了零部件试验考核,识别了陶瓷基高压涡轮外环失效模式;开展了核心机挂片试验验证,推进了陶瓷基复合材料在发动机涡轮部件中的应用。