关键词： 陶瓷基复合材料   基体开裂应力   抗热冲击性能   断裂强度   理论表征模型  

摘要： 高温陶瓷材料因其优异的力学、热学等性能,已逐渐被应用在尖端武器、航空航天和核工业等高新技术领域。研究表明,在陶瓷基体中添加纤维、颗粒等增强相是克服其本征脆性并提高断裂韧性、强度等力学性能的有效手段。纤维增强陶瓷基复合材料因其具备高比强度、高比模量、耐高温和耐腐蚀等优点,已被用于高超声速飞行器热防护系统和推进系统的耐热承力结构件等部位。此类材料在服役时常常面临极端苛刻的高温环境,鉴于力学性能直接关系到材料及构件的服役安全性和可靠性,合理表征及提高其高温力学性能成为陶瓷基复合材料研究领域的重点和难点。充分认识和科学评价其力学性能随温度的演化规律和关键控制要素,对于材料研制、应用、可靠性评价及寿命预测具有重要的指导意义。针对上述科学问题,本文针对纤维增强陶瓷基复合材料开展了以下研究工作:(1)基于力热能量密度等效原理,通过建立断裂表面能与热能之间的等效关系,建立了无需拟合参数的温度相关性断裂表面能理论模型。基于该模型和能量平衡法,针对单向纤维增强陶瓷基复合材料考虑温度、残余热应力和界面脱粘等因素的共同影响,建立了温度相关性稳态基体开裂应力理论表征模型。此外,通过建立剪切应变能与热能之间的等效关系,建立了无需拟合参数的温度相关性界面剪切强度理论模型;进一步研究了基体裂纹长度和温度对基体开裂应力的综合影响,通过应力强度因子法建立了单向纤维增强陶瓷基复合材料的温度相关性非稳态基体开裂应力理论表征模型。上述模型得到了实验结果的很好验证,揭示了基体开裂机理和关键控制要素随温度的演化规律,为合理表征及预测温度相关性基体开裂应力提供了有效的理论途径。此外,利用模型系统分析了关键材料参数在不同温度下对基体开裂应力的定量影响,进而为提高基体开裂应力提供了指导。(2)针对单向纤维增强陶瓷基复合材料建立了温度相关性热冲击失效判据,进一步考虑材料参数对温度的敏感性,建立了适用于宽温域冷却环境温度的抗热冲击性能理论表征模型。模型预测结果与水淬法获得的实验结果取得了合理的一致性。利用模型分析了热冲击临界温差对基体杨氏模量、热膨胀系数和界面剪切强度的敏感性及其随冷却环境温度的演化规律,结果表明临界温差对基体杨氏模量和界面剪切强度的敏感性随冷却环境温度的升高而增加,对基体热膨胀系数的敏感性随冷却环境温度的升高而减小,进而为提高其抗热冲击性能提供了理论指导及建议。(3)通过建立应变能与原子的动能、势能之间的等效关系,针对陶瓷材料建立了不含比热容无需拟合参数的温度相关性断裂强度模型,该模型具备参数便于确定、简洁实用的优点。进一步,针对短纤维增强陶瓷基复合材料、单向纤维增强陶瓷基复合材料、2D编织陶瓷基复合材料以及正交铺层陶瓷基复合材料分别建立了包含材料宏细观结构特征的温度相关性断裂强度理论表征模型,明确了陶瓷基复合材料温度相关性断裂强度与其组分热力学特性之间的定量关系,揭示了复合材料断裂强度的关键控制要素随温度的演化规律。以上模型得到了实验结果的很好验证,为合理表征及预测其温度相关性断裂强度提供了有效的手段,也为材料的研制、设计及其高温力学性能评价和优化提供了理论支撑。

关键词： 氧化铝   硼酸铝晶须   结构调控   复合陶瓷   强韧性   低磨损  

摘要： 众所周知,氧化铝陶瓷因具有高硬度、高温抗氧化性、抗腐蚀性、高强度等优良特性和储量大、价格较低等特点而常被用于耐磨材料与装置,具有非常广阔的工业应用前景。随着科技的不断发展,对材料性能的要求更加苛刻,氧化铝陶瓷材料的脆性与高磨损性等限制了材料的工业应用及其使用稳定性。因此如何制备高韧性、高强度与低磨损等具有优异的综合性能的氧化铝陶瓷材料是目前研究的热点与难点。本论文通过热压烧结法制备了石墨烯、碳化硅晶须、硼酸铝晶须增强的系列氧化铝陶瓷基复合材料,并系统研究与探索了氧化铝陶瓷基复合材料结构性能的调控机制。此外,用硼酸铝晶须增强复合陶瓷材料成功研制出玻璃纤维生产中所用的涂油辊,展示了低磨损高性能氧化铝陶瓷基复合材料在耐磨装置中的应用前景。主要研究内容和结论如下:（1）石墨烯增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备与性能研究。首次采用改进的分步加料的方式进行了石墨烯氧化铝混合粉料的制备,结果表明分步加料方式比一步法加料方式更有利于石墨烯粉料的分散,这有效地解决了因石墨烯粉料团聚导致烧成的陶瓷材料微观结构中产生较大孔洞的问题。其次,利用热压烧结法制备了石墨烯增强氧化铝陶瓷基复合材料,并系统研究了烧结温度、烧结压力和石墨烯含量对材料力学性能的影响。结果表明,通过烧结温度与烧结压力的变化而实现的材料结构调控对制备的氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度与磨损率等力学性能影响显著,存在使材料获得最佳性能的石墨烯含量、烧结温度与压力;在烧结温度为1550℃,烧结压力为40 MPa时,随着石墨烯含量的增加,氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度、断裂韧性与维氏硬度呈现先上升后下降的趋势;当石墨烯含量为1.0 wt%时复合材料的弯曲强度、断裂韧性与维氏硬度达到最优,分别为854.50 MPa、7.50 MPa·m1/2和21.30 GPa;当石墨烯含量为0.5 wt%时,陶瓷基复合材料的磨损率最低,为2.91×10-6mm3/（N·m）。通过建立的可考虑材料临界缺陷尺寸与气孔率影响的材料断裂强度理论表征模型与实验测试结果,系统分析了复合材料断裂强度随烧结温度与石墨烯含量的变化趋势及其内在的控制机理,发现复合材料的断裂强度主要取决于材料微观结构中最大的晶粒尺寸,这在以往关于氧化铝陶瓷基复合材料断裂行为的控制机制的研究中未见报道。通过材料硬度与晶粒尺寸的Hall-Petch关系与试验测试结果分析了材料硬度的影响因素。复合材料断裂韧性的增加主要因为裂纹扩展时发生的偏转、弯曲和分叉、断裂模式的转变、石墨烯的拔出及桥接与石墨烯引入的层状结构及强弱界面等。复合材料磨损性能的提高主要是因为石墨烯在材料的接触面上发挥的润滑作用。此外,研究发现在原料球磨过程中由氧化锆磨球在材料体系中带入了4.76 wt%的Zr O2,其不会对本文制备的系列氧化铝陶瓷基复合材料性能产生不利影响。（2）碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备与性能研究。通过热压烧结法制备了碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料,并系统研究了碳化硅晶须含量对材料弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度与磨损率的影响。结果表明,随着碳化硅晶须含量的增加,材料的弯曲强度和断裂韧性均呈现先上升后下降的趋势,当添加量为20%时达到最高,分别为875.00 MPa、5.40 MPa·m1/2,而此时材料的摩擦系数和磨损率均达到最小,材料的磨损率为3.82×10-6mm3/（N·m）。碳化硅晶须对材料强韧性能的影响主要基于晶粒的细化、裂纹偏折、晶须拔出等机制。材料的耐磨损性主要依赖于材料硬度和韧性的协同效应。（3）硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备与性能研究。首次利用热压烧结法制备了硼酸铝晶须增强氧化铝陶瓷基复合材料,并系统研究了硼酸铝晶须含量、烧结温度以及烧结方式对氧化铝陶瓷基复合材料力学性能的影响。结果表明,通过改变硼酸铝晶须含量、烧结温度与烧结方式调控材料微观结构能够得到具有最佳性能的氧化铝陶瓷基复合材料。随着硼酸铝晶须体积分数或热压烧结温度的增加,氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度和硬度都呈现先增加后减小的趋势,材料的断裂韧性则逐渐增加。复合材料磨损率随着硼酸铝晶须体积分数的增加呈现先降低后升高的趋势。当硼酸铝晶须体积分数为20%时,氧化铝陶瓷基复合材料的弯曲强度最高,达到767.00 MPa;当硼酸铝晶须体积分数为30%时,材料断裂韧性达到4.43 MPa·m1/2;当硼酸铝晶须体积分数为10%时,材料的磨损率最低,达到1.50×10-6 mm3/（N·m）。复合材料的断裂强度主要取决于材料微结构中最大的晶粒或簇的尺寸。复合材料断裂韧性的增加则主要由于晶须增韧所导致,烧结过程中液化后的硼酸铝晶须被晶粒挤出并在晶粒表面重结晶形成类似针状的晶须,同时部分晶须之间出现了桥接现象。通过由桥接晶须而导致的复合材料断裂韧性的增加量模型可

关键词： rGO NSs   ZnO   复合陶瓷材料   力学性能   复介电常数   吸波性能  

摘要： 随着雷达探测与隐身技术的迅速发展,隐身武器成为战争中决胜的重要因素。介电损耗型吸收剂和陶瓷基体组成的复合材料可同时具备吸波性能与力学性能的优势,具有广阔的应用前景。本文的创新点为研究了rGO NSs在Al2O3基体中分布状态对吸波性能的影响。通过原位反应法使ZnO被rGO NSs包住,且该复合材料（rGO NSs与ZnO含量分别为1 vol.%与8 vol.%）的电磁波吸收性能较佳。本文以Al2O3或ZnAl2O4为基体,rGO NSs（reduced graphene oxide nanosheets,还原氧化石墨烯纳米片）或ZnO为电磁波吸收剂,制备了rGO NSs/Al2O3、ZnO/ZnAl2O4以及rGO NSs/ZnO/ZnAl2O4复合材料。研究了rGO NSs含量与分布状态对力学、介电和吸波性能的影响,以及ZnO含量与粒径对力学、介电和吸波性能的影响。在ZnO/ZnAl2O4复合材料的研究基础上添加rGO NSs,调节了复合材料的复介电常数,并优化了电磁波吸收性能。（1）通过Hummer法将鳞片石墨氧化为氧化石墨,在超声剥离扩大片层间距后,使用水合肼还原方法得到rGO NSs。拉曼光谱的测试表明其层数为22层,原子力显微镜的测试表明该rGO NSs的厚度约4.25 nm。（2）当Al2O3原始粉末的平均粒径由0.8μm增长到15μm,rGO NSs在基体中的分布状态发生了显著的变化。发现rGO NSs含量为1 wt.%时,15μm Al2O3的复合材料有较高的复介电常数虚部。相比0.8μm Al2O3基体的复合材料,抗弯强度、反射损耗峰值与有效带宽明显改善。（3）以ZnO与Al2O3粉为原料,通过原位反应的方法,使用真空热压烧结炉制备了以ZnO为吸收剂与ZnAl2O4为基体的ZnO/ZnAl2O4复合材料。研究了ZnO含量和粒径对ZnO/ZnAl2O4复合材料力学、介电与吸波性能的影响。复介电常数随ZnO含量的增加与ZnO粒径的减小而增加。当吸收剂含量由0 vol.%增加到8 vol.%,粒径由1-2μm降低到0.5-1.5μm,厚度为1.6 mm时,有效吸波带宽为1.1 GHz,反射损耗峰值为-43d B,该复合材料具有较佳的电磁波吸收性能。（4）以rGO NSs、ZnO与Al2O3粉为原料,制备了以rGO NSs与ZnO为吸收剂,ZnAl2O4为基体的复合材料。在ZnO含量固定为8 vol.%时,当rGO NSs含量由0 vol.%增加到1 vol.%时,复介电常数虚部由2.0-5.1提高到了3.5-8。rGO NSs含量为1 vol.%,ZnO含量为8 vol.%时,该复合材料的有效吸波带宽为4 GHz,具有较佳的电磁波吸收性能。

关键词： 陶瓷基复合材料   损伤   振动   离心力   稳态响应   快速预测  

摘要： 陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites,简称CMCs）作为提高航空发动机性能的关键材料,会在振动载荷下产生损伤。研究损伤对CMCs结构振动特性的影响可以帮助规避共振。本文旨在建立基于损伤的动力学计算模型,实现CMCs结构稳态振动响应的快速预测。首先开展了平纹编织CMCs的本构拉伸试验和振动试验。拉伸试验获得的应力-应变曲线表征了材料的非线性本构行为,并指导宏观本构计算模型的建立。正弦扫频试验获得的位移幅频特性曲线表征了结构的非线性振动特性,并指导动力学理论计算模型的建立。编写了非线性动力学计算程序,可对CMCs悬臂梁的非线性稳态振动响应进行快速预测。不考虑材料损伤的仿真结果用ANSYS软件进行了验证。进一步,在给定的振动载荷下获得了CMCs悬臂梁稳态位移响应、固有模态、割线刚度随损伤的变化规律。进一步,在谐响应分析中得到了位移幅频特性曲线,提出了非线性频率区间。该区间各响应非线性明显,且区间范围受损伤影响。进一步,将平纹编织和单向CMCs悬臂梁的仿真结果进行了对比。编写了适用于旋转件的非线性动力学计算程序,可实现CMCs叶片在离心力、振动载荷作用下的稳态响应计算。首先考虑离心力作用,不考虑材料损伤的仿真结果用Workbench软件进行了验证。得到的动频曲线体现了离心力对刚度的增强作用。进一步,考虑损伤影响,得到的高转速下的动频曲线体现了材料软化对离心力作用的削弱。进一步,绘制Campbell图进行了气动力作用下的共振分析。

关键词： 陶瓷基复合材料   电阻层析成像技术   电阻率特性   损伤检测   电阻率空间分布图像  

摘要： 陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs)具有极好的高温稳定性和较好的力学性能,是未来高性能航空燃气涡轮发动机热端部件的关键候选材料。热端部件处在极端苛刻的高温环境中,初始设计很难保证CMCs构件在服役时不损坏。电阻层析成像技术(Electrical Resistance Tomography,ERT)基于边界电压测量和成像算法重建目标的电阻率空间分布图像,依据电阻率与损伤的对应关系,实时、原位检测损伤。借助ERT技术,有望基于构件的实时损伤状态预测寿命,避免灾难性的构件失效。为达成以上目标,需要研究基于ERT技术的CMCs高温燃气损伤检测。本文首先依据ERT技术的原理,编程实现ERT成像算法及ERT测试仪器的远程控制,开发用于CMCs的ERT损伤检测系统。随后试验研究2D Si C/Si C复合材料的电阻率特性,建立电阻率与温度的定量关系,分析材料经长时间高温氧化后的电阻率变化和氧化损伤;确定材料在单向拉伸载荷下电阻率与机械损伤演化的关系,借助电阻率分析温度及氧化对机械性能的影响。以此为基础,对编织CMCs开展ERT损伤检测试验。利用带通孔损伤的2.5D C/Si C复合材料板验证ERT损伤检测方法的可行性,确定最合适的正则化参数和测量模式。利用ERT系统检测2D Si C/Si C复合材料平板的冲击损伤,借助电阻率与机械损伤的关系揭示冲击损伤机理。设计用于高温检测环境的电极及热防护装置,基于ERT系统实时监测2D Si C/Si C复合材料平板的烧蚀损伤,借助电阻率与温度、氧化损伤的关系分析板件的温度分布及氧化情况。

关键词： SiC/SiC复合材料   高温水氧耦合环境   分子动力学模拟   氧化动力学模型   力学性能  

摘要： SiC/SiC复合材料具有耐高温、低密度、高比强度和高比模量等优良性能,是极具潜力的航空发动机热部件材料。在服役条件下,材料需长期承受高温、应力、水蒸气和氧气耦合作用,产生热物理、化学损伤耦合,失效机理和损伤规律极为复杂。开展单向SiC/SiC复合材料在高温水氧耦合环境下应力氧化行为和力学性能研究,可对其在航空发动机上的应用提供指导。本文首先对单向SiC/SiC复合材料三种组分在水氧环境下的氧化机理和氧化模型进行了研究,定性地分析了水蒸气对SiC氧化的促进作用。基于定性分析,发现氧化剂在Si O2中的扩散系数是SiC氧化速率的主要影响因素。其次,通过熔融淬火法,对无定形Si O2结构进行了分子动力学模拟,采用径向分布函数验证了该结构的正确性。基于此,提出了氧气和水蒸气混合气体在无定形Si O2中扩散的分子动力学模拟方法,并通过均方位移法计算了氧气和水蒸气的扩散系数,两者扩散系数上的差异在一定程度上验证了结果的有效性。随后,基于各组分的水氧机理和传质学理论,提出了复合材料内部两阶段扩散的氧化动力学模型,推导了关于氧气和水蒸气浓度的二阶微分方程,模拟了材料内部几何形貌变化和质量变化率,质量变化率模拟结果与文献数据吻合度较高,验证了该模型的有效性。最后,基于材料内部各组分氧化形貌变化,考虑高温蠕变对纤维强度和刚度的影响,从细观力学角度出发,分析了纤维应力分布和强度分布,模拟了材料的宏观力学性能,获得了应变、剩余刚度保持率和剩余强度保持率随时间的变化规律。

关键词： 陶瓷基复合材料   非线性动力学   有限元   多尺度   流固耦合  

摘要： 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMCs)具有耐高温、高比强度、耐氧化、耐蠕变等一系列独特的材料属性,这使得CMCs成为了替代高温合金应用于高温环境的理想材料,目前航空发动机的热端部件中已有CMCs的工程应用。振动载荷是航空发动机结构承受的常见载荷,也是导致结构失效的重要原因。因此要将CMCs应用于航空发动机,需要对其动力学特性进行校核。然而,由于陶瓷基体具有相当大的脆性,在应变不大的情况下,CMCs的应力应变关系即会发生变模量、迟滞等复杂的非线性行为,这给CMC结构的振动分析带来了很大挑战。本文首先采用两尺度方法建立了单向CMC结构动力学仿真方法。进行了单向CMCs的加卸载试验,并基于剪滞模型(shear-lag model),对单向CMCs的加卸载响应进行模拟。基于有限元法对CMC梁进行离散,采用显式动力学方法对单向CMC梁在简谐激励下的动力学响应进行了求解。进行了单向CMC梁的振动试验,分析了试验结果,并将试验结果与仿真结果进行了对比。建立了平纹编织CMC梁的非线性振动计算方法。建立了平纹编织CMCs的唯象加卸载本构模型,模拟了CMCs加卸载下的应力应变响应。基于该模型,采用显式动力学方法对平纹编织CMC梁的动力学响应进行了求解。进行了平纹编织CMC梁的振动试验,分析了试验结果,并对仿真结果进行了验证。最后,建立了考虑流体作用的CMC结构响应计算方法。基于弱耦合方法,对CMC平板叶片流固耦合振动响应进行了仿真,其中流体域采用商业软件Fluent进行求解,固体域采用前述非线性动力学仿真方法计算。

关键词： 聚合物衍生陶瓷   SiHfBOC   陶瓷基复合材料   高温抗氧化性  

摘要： 随着高超声速航天飞行器的出现,航天飞行器发动机燃烧室和尾喷管对热防护材料轻质化、强韧化和抗氧化性等方面的要求日益提高,以陶瓷隔热瓦为代表的陶瓷类防热材料,难以满足高超声速航天飞行器使役环境温度不断提升的需求。高性能硅基先驱体陶瓷具备优异的热力学稳定性,其中SiOC基先驱体陶瓷已在航天飞行器热端部件获得应用,但这类陶瓷在1300℃以上环境中易发生强碳热还原,这严重制约了硅基先驱体陶瓷材料在航空航天领域的发展。针对这个难题,本课题以甲基三乙氧基硅烷为Si源和C源,四氯化铪为Hf源,硼酸为B源,采用溶胶-凝胶法和溶剂热法制备不同B:Si和Hf:Si配比的SiHfBOC先驱体,并以相似的方法制备了SiBOC先驱体。通过TG和SEM分析可知,SiBOC先驱体在B:Si为0.6时陶瓷产率最高为76.7%;SiHfBOC先驱体在B:Si为0.6、Hf:Si为0.1时陶瓷产率最高为85.8%。同时,随着裂解温度的提高,SiHfBOC陶瓷内部的Hf O晶粒开始粗化,并由t-Hf O向m-Hf O发生转变,符合奥斯瓦尔德熟化机制。随着裂解温度升高,SiHfBOC多元陶瓷的石墨化程度也随之升高;当Hf元素超过一定化学计量时,SiHfBOC陶瓷的石墨化程度显著降低。在1400℃下对SiBOC和SiHfBOC陶瓷进行静态氧化实验,结果表明,SiHfBOC陶瓷的高温热稳定性和抗氧化性能均明显优于SiBOC陶瓷。综上,选择SiHfBOC先驱体来制备陶瓷基复合材料,并确定其热解工艺条件。碳纤维作为重要的增强体材料,具有优异的力学性能,但是其抗氧化性能较差,为防止碳纤维高温损伤,本课题首先采用CVI法在碳纤维表面制备SiC涂层。再结合先驱体浸渍裂解法(PIP)将SiHfBOC陶瓷先驱体浸渗到SiC涂层包覆的C编织体骨架中,通过多次PIP循环最终制备得到理想的SiC涂层包覆C/SiHfBOC陶瓷基复合材料。本文重点阐述了SiBOC及SiHfBOC先驱体的合成方法和成键机理、SiHfBOC先驱体溶液在碳纤维编织体骨架中的浸渍机理以及复合材料断裂过程中的强韧化机理。通过控制静态氧化温度和时间等参数,研究了C/SiHfBOC陶瓷基复合材料的抗氧化性能,探究了不同条件下C/SiHfBOC陶瓷基复合材料的力学性能变化。实验结果表明:七次PIP循环后的C/SiHfBOC陶瓷基复合材料的密度增长幅度极小,其x/y方向和z方向的压缩强度达到最大值,分别为77.56±8.56MPa和40.03±5.48MPa,其强韧化机理主要源于纤维脱粘、纤维拔出以及纤维断裂。C/SiHfBOC陶瓷基复合材料在静态氧化过程中的产物主要包括:CO、CO、BO、SiO、Hf SiO等,1500℃下氧化120min后的质量保留率和压缩强度保留率分别为原来的77.16%和21.27%。C/SiHfBOC陶瓷基复合材料具有优异的抗氧化性能和力学性能。

关键词： Cf/SiC材料   磨削   加工机理   表面质量   仿真   磨削力  

摘要： 碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)具有高硬度、耐磨性、低密度、高强度等卓越性能。作为一种新型的高温材料,Cf/SiC材料已经被广泛应用于航空航天、交通等领域。但是Cf/SiC材料加工技术研究目前仍处于初级阶段,Cf/SiC材料加工质量难以保证,严重阻碍了其使用和发展。Cf/SiC材料具有各向异性的特点,基体和纤维具有不同的强度和刚度,存在强度较弱的界面层,在受力时易出现界面脱粘。传统的磨削机理不能完全适用于复合材料的磨削加工,需要结合传统磨削理论,研究陶瓷基复合材料的磨削加工机理。Cf/SiC材料多种材料混杂结构,使加工去除过程中存在纤维脱出,纤维露头,基体裂纹,界面层脱粘,亚表面裂纹等缺陷。为了控制表面加工质量,需要探明不同加工参数对陶瓷基复合材料磨削加工表面完整性以及磨削力的影响规律。论文就加工机理和工艺优化两方面内容进行了探索性研究。主要研究内容有:(1)根据碳纤维和SiC脆性材料的材料性质,结合脆性固体压痕力学和磨削机理,研究三种典型纤维角度的1D Cf/SiC材料的磨屑形成机理;从裂纹延展的角度分析介绍了材料去除时界面分层和纤维增韧的过程;对磨削过程中由纤维位置不同造成的去除机理的变化进行了补充介绍。(2)对磨削力进行了系统性的研究。通过2.5DCf/SiC和SiC材料的单因素试验,探讨了不同加工参数和纤维角度对磨削力的影响和演化趋势。此外,通过正交试验,分析了磨削力影响因素之间的相关性,对磨削加工的工艺参数进行了工艺优化。(3)对Cf/SiC材料磨削表面完整性进行了深入研究,分析了不同加工参数和纤维角度对表面质量的影响和演化趋势,分析了工艺参数等因素之间对表面质量影响的相关性,对磨削加工的表面质量进行了工艺参数优化并得出了相关结论。通过观测已加工表面形貌特征、磨屑和亚表面损伤,从机理上分析了其形成的原因,以及这些形貌特征对表面质量产生的的影响,得出了相关结论。(4)使用Abaqus软件,建立了 1D Cf/SiC材料的三维细观模型,仿真模拟了磨削过程。通过VUMAT子程序对碳纤维材料本构和损伤准则进行定义,将磨削力与试验结果进行对比,验证了模型的准确性。通过仿真结果验证了不同纤维角度下材料的去除机理。

关键词： 短纤维增强   h-BN/Si3N4陶瓷   力学性能   介电   热震损伤  

摘要： 氮化物基透波陶瓷作为一种新型结构-功能一体化材料,在航空航天、国防、通信等领域有着重要应用前景。具有类石墨结构的六方氮化硼陶瓷耐高温、机加工性和介电性能优异、热物理性能优良;氮化硅陶瓷强度高、化学稳定性好,两者优势性能互补,故对h-BN/SiN陶瓷基复合材料的相关研究逐步开展起来。本文采用热压烧结工艺,以Al PO作固相烧结助剂,在1400～1600 ℃下制备了短切SiN增强h-BN/SiN(SBS)复相陶瓷。研究了烧结温度、纤维含量及BN含量对显微组织、物相组成、力学和介电性能、热物理和抗热震性能的影响规律,并对热震损伤行为与热应力场分布等进行分析和有限元数值模拟。研究表明,在1500 ℃以下烧结时复相陶瓷成分包括α-SiN、h-BN、Al PO和β-SiN,其中α-SiN为主相,而1600 ℃烧结时塞隆相成为主相。随烧结温度升高,试样气孔率降低,抗弯强度提升,介电常数和介电损耗增加。10SBS-1400的抗弯强度仅有75±2.1 MPa,断裂韧性1.2±0.11 MPa·m1/2,介电常数3.9,介电损耗角正切值(tanδ)小于2×10。而10SBS-1500的相关性能分别可达117±12MPa,2.1±0.53 MPa·m1/2,4.6和3×10。随BN体积分数由5%增至30%,材料抗弯强度由176±14 MPa降至119±18 MPa,介电常数由5.28降至4.67。另外,当烧结温度超过1500 ℃时,氮化硅纤维发生析晶现象,性能出现退化。以硼酸和尿素为原料采用浸渍-裂解法于SiN纤维表面合成BN非晶涂层,当浸渍液浓度为0.8 mol/L时涂层脱落现象改善,厚度适中,通过XRD、XPS分析等进一步明确了BN涂层的制备机理。纤维的单丝拉伸试验表明涂层后抗拉强度下降且呈脆性断裂。采用基于牵引-分离定律的扩展有限元法和粘性单元分别模拟了基体和界面在横向拉伸过程中的失效行为。对复相陶瓷的热物理性能进行了测试,热扩散系数随烧结温度增加而增加,随测试温度增加而降低。S20BS的平均热导率仅为2.75 W/m·K(RT～1500 ℃),平均热膨胀系数为2.8×10-6/K(RT～1200 ℃)。依据力学性能结果预测BN体积分数5%～20%的复相陶瓷热震临界温差为456～555 ℃。实验表明BN可以提高抗热震性能,各组分试样在ΔT=900 ℃的热震试验后残余强度显著下降,强度保留率仅在19%～30%之间,热震后陶瓷表面生成的氧化膜成分主要是BO和Si O。采用瞬态完全热力耦合方法模拟机械约束下热震淬火过程的宏观温度场和应力场变化,当热震温差超过575 ℃时,热应力开始大于材料的强度值,热震温差达到1175 ℃时,内部应力达400 MPa以上。对600～1200 ℃下的纤维-涂层-基体细观RVE模型进行了热应力计算,纤维主要承受轴向拉应力,基体承受压应力。