关键词： 氮化物纤维   陶瓷基复合材料   高温透波  

摘要： 新一代飞行器天线罩(窗)要求具有优异的热、力、电综合性能。氮化物纤维增强氮化物陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度及优异介电性能,是理想的高温透波承载一体化材料。在论述现有连续纤维增强陶瓷基高温透波复合材料体系的性能特点、适用环境及制备工艺的基础上,同时提出了当前阶段基于PIP工艺制备氮化硅纤维陶瓷基复合材料的难点及关键问题。

关键词： 陶瓷基复合材料   电学特性   分层破坏   无损监测  

摘要： 二维连续纤维增强陶瓷基复合材料是航空航天领域重要的应用材料,然而层间断裂严重约束了该类材料的使用。为监测和评估材料层间Ⅰ型断裂韧性,开展了层间Ⅰ型断裂的直流电势降试验,获取了层间Ⅰ型裂纹起始及扩展时的加载数据及相应测点的电势降数据,并通过建立力-电模型定量分析了相关特征变化发生的原因。试验结果表明:在裂纹起始阶段,即加载曲线线性转非线性的拐点位置,预制裂纹尖端位置电势降发生了平滑-抬升的变化;裂纹的进一步扩展引起纤维的脱附及断裂,在电势降变化曲线上表现为抬升曲率的增加;当裂纹扩展受到阻力时,如Z-pin拔出及次生裂纹产生,将明显减缓电势降曲线的抬升。最后,结合试验数据证明了所提出力-电模型的合理性。研究结果对于应用材料电学特性监测和评估层间Ⅰ型断裂韧性具有一定的指导和参考价值。

关键词： 陶瓷基复合材料   纤维预制体   失效机制   刚度不匹配   空气舵  

摘要： 为了揭示三向正交C/SiC复合材料(3D–C/SiC)和碳布缝合复合材料(2D–C/SiC)两种舵片与金属螺钉组合结构的不同破坏机制,从已失效舵片的低应力区取样,开展两种复合材料的层间剪切试验和弯–扭组合加载试验,研究纤维预制体构型对C/SiC复合材料层间剪切性能和弯扭耦合力学性能的影响规律。结果表明,与3D–C/SiC相比,2D–C/SiC的综合强度性能较低,而刚度性能较高。将材料试验结果与其舵片结构的测试结果进行对比,分析了三向2D–C/SiC舵片结构强度较低的原因。研究表明,舵片结构在危险截面上的外加载荷由舵轴和螺钉共同承担,根据组合结构中载荷按照刚度比例进行分配的基本原理,密度和刚度较低的3D–C/SiC舵轴所承担的载荷必然较低,螺钉因承担相对更高的载荷而提前发生屈服破坏,从而降低了舵片结构的承载强度。

关键词： SiC_(f)/SiC复合材料   SiC纤维   界面相   EBC涂层   制备工艺  

摘要： 连续碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_(f)/SiC)陶瓷基复合材料具有轻质、高强韧、耐高温、抗氧化等优异的综合性能,是在航空涡轮发动机热端部件和新型空天飞行器防热结构等领域具有广泛应用前景的先进材料。本文从SiC_(f)/SiC复合材料的四大组成单元出发,综述了SiC纤维、界面相、SiC基体和环境障涂层(EBC)制备技术研究进展,并提出了SiC_(f)/SiC复合材料未来发展需要突破的瓶颈问题。目前第三代SiC纤维具有近化学计量的C/Si比,并且具有优异的高温力学性能和耐温性能。界面相的结构和抗氧化性能对SiC_(f)/SiC复合材料在高温有氧环境下的力学性能起着决定性作用,探索与SiC相匹配且具有优异抗氧化性能的新型界面相,并且实现连续均匀制备,是界面相发展的研究重点。SiC_(f)/SiC复合材料常用的制备方法主要有PIP法、CVI法和RMI法,但是单一方法已经无法满足复合材料的性能需求,由此研究者主要开展了CVI-PIP联用工艺制备SiC_(f)/SiC复合材料的工艺参数、微观结构和力学性能等研究。环境障涂层作为防止SiC_(f)/SiC复合材料受到外界环境侵蚀的屏障,在第三代Si/Yb2Si2O7环境障涂层体系基础上,通过补充Si源、自愈合等策略可制备得到高可靠、长寿命的环境障涂层,从而提高SiC_(f)/SiC复合材料构件的服役寿命。为了实现SiC_(f)/SiC复合材料的广泛应用,未来还需要在复合材料结构设计、低成本制造、新型抗氧化界面相开发、抗开裂、抗剥落的新型环境障涂层研制、失效分析与寿命预测等方面开展进一步的研究工作。

关键词： 陶瓷基复合材料   双切口剪切实验方法   数字图像相关方法   有限元模型修正   面内剪切模量  

摘要： 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)作为一种优异的高温结构材料,在航空发动机领域得到了广泛应用。目前,依据GJB 10311—2021的双切口面内剪切实验方法存在明显局限性:切口位置处的应力集中效应导致标距区平均剪切应力计算结果偏高,使得面内剪切模量测试结果与V形缺口剪切实验偏差可达30%。为此,本工作将数字图像相关方法(DIC)与双切口剪切实验相结合,开发一种面内剪切力学性能测试的新方法。为消除切口处应力集中的影响,提出采用有限元模型修正技术(finite element model updating,FEMU),利用DIC实测标距区内面内平均剪切应变与数值计算应变之间的方差构造目标函数,迭代获得材料的面内剪切模量。为便于工程应用,通过优化试样切口深度,实现单次实验即可获得材料的面内剪切模量和面内剪切强度,并采用SiC/SiC正交层合陶瓷基复合材料进一步验证了该实验方法的可行性和测试结果的可靠性。结果表明:该实验方法可同时准确测定陶瓷基复合材料的面内剪切模量和强度,测试结果与V形缺口实验结果偏差小于5%。相较V形缺口剪切实验,该方法实验工装和试样尺寸更小,更适用于高温面内剪切实验。SiC/SiC复合材料面内剪切应力-应变存在典型的屈服点,且屈服后剪切行为表现出典型的线性应变强化特征。

关键词： 涡轮叶片   陶瓷基复合材料   阵列式铠甲   气膜冷却   燃气入侵   温度裕度  

摘要： 基于金属与非金属材料组合式结构的设计思想,设计了一种采用阵列式陶瓷基复合材料(CMC)铠甲的涡轮叶片冷却方案。通过在叶片前部高热负荷区覆盖铠甲并代替原有叶型,以及在其间隙中通少量冷却气的方式,来加强对叶片金属基体的热防护。采用了三维流热耦合数值仿真方法,以及与典型气膜冷却对比的方式,对方案的强化冷却机理和可达到的效果开展了研究,并对部分设计方法进行了总结。方案在冷气用量降低了24.2%的同时,还可将金属区域冷却效果大幅度提高69.2%,达到了0.95,热防护效果显著。而此时CMC铠甲仍有不低于130 K的温度裕度,表明燃气温度在2000 K基础上还可以进一步提高。在设计方法和原则上,为避免出现前缘燃气入侵,应保证冷气压比不低于1.03。可通过使铠甲间缝隙交错和倾斜的优化方式来加强冷却效果。

关键词： 针刺陶瓷基复合材料   X射线显微镜   孔隙缺陷表征   多尺度建模   弹性性能  

摘要： 针刺陶瓷基复合材料在航空航天等热端结构上具有广泛应用前景,但在预制、沉积等过程中产生的制造缺陷导致其性能分散性大,难以准确预测其力学行为。本文基于X射线显微镜和三维图像重构技术,结合概率拟合方法,对材料孔隙缺陷的尺寸和结构特征进行参数化表征,发现与单向层相比,网胎层孔隙率高,且孔隙等效直径大,但长宽比小。采用椭球拟合和多尺度建模方法,对材料的弹性性能进行了预测和分析,预测结果与实验结果相差约3.1%,具有较好的准确性。通过对孔隙参数的讨论发现:单向层孔隙在分布方向上具有较好的统一性,对纤维束长度方向弹性性能的削减程度低于对其他方向弹性性能的削减程度;相较而言,网胎层具有较高的孔隙率,通过改善工艺参数降低网胎层孔隙率,有利于进一步提高材料整体的弹性性能。

关键词： SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料   磨削加工   表面粗糙度   砂轮种类   冷却方式  

摘要： SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料由于其耐高温和高比强度的特性,已成为航空发动机用先进材料之一。然而,作为一种难加工的硬脆材料,提高其加工质量和效率是当前研究的关键问题。采用电镀和烧结金刚石砂轮,在有无冷却液的条件下进行正交磨削试验,以磨削力、工件表面粗糙度和砂轮磨损程度为评价指标,探究不同砂轮种类及冷却方式对SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料磨削加工质量的影响。结果表明:采用烧结金刚石砂轮磨削加工复合材料可得到更好的表面质量和较低的磨削力,同时采用冷却液辅助磨削会降低工件表面粗糙度;由于电镀金刚石砂轮在受到较大磨削力时其金刚石磨粒更易出现成片剥落现象,其使用结果与烧结金刚石砂轮的相反,且电镀金刚石砂轮的磨损形式除磨粒损耗外还包括磨粒的烧伤、脱落等。当粗加工SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料时,应在干式磨削条件下使用电镀金刚石砂轮,并选取高转速、低进给速度及较小磨削深度的磨削参数;当精加工SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料时,应采用烧结金刚石砂轮,并采用水冷辅助方式来显著提高工件加工表面质量。

关键词： 陶瓷基复合材料   高温氧化   力学性能   失效分析   断口形貌  

摘要： 探索高温及氧化作用对编织SiC纤维增韧陶瓷基复合材料（CMC）静强度与循环变形影响规律，在室温和1100℃高温的空气环境中对CMC开展了单向拉伸和循环加卸载力学性能测试。材料的拉伸行为在室温和高温条件下均呈现双线性特征，且室温时发生第二非线性。高温导致材料拉伸强度和刚度下降，但内部材料织构齐次化，力学性能更加均匀。通过扫描电子显微镜表征失效试件断口形貌，发现高温时由于界面层发生氧化导致纤维与基体结合力减弱，纤维拔出长度增加；在循环加卸载过程中，复合材料纤维与基体的损伤显著加剧，表现为纤维拔出长度增加、纤维断口形貌不规则、裂纹沿纤维轴向非连续扩展、纤维多重损伤以及界面层与纤维间空隙的增大。采用能谱仪分析氧化特性，发现高温环境会加速材料的氧化反应，并且氧化现象主要发生在界面层。

关键词： 陶瓷基复合材料   界面力学性能   剪切强度   断裂韧性   单纤维压出  

摘要： 通过微纳米力学测试技术，本文研究了单向陶瓷基复合材料C/SiC的界面力学性能。提出了一种改进的单纤维压出测试方法，以能量角度定量表征C/SiC的界面断裂韧性。结果表明，C/SiC界面的脱粘剪切强度（IDSS）、摩擦剪切强度（IFSS）和界面断裂韧性（IFT）分别为35.2±5.1 MPa、10.1±1.0 MPa和22.5±2.8 J/m2。该方法能够有效表征界面性能，且无需依赖界面应力分布和摩擦假设。在纤维压出过程中，破坏主要发生在纤维与基体的界面处，能量耗散主要源于界面断裂和摩擦损耗。试样厚度在50-100 μm范围内合理，载荷-位移曲线揭示了界面裂纹的萌生与扩展规律。