关键词： 溶胶凝胶法   氧化铝纤维   氧化物基体复合材料   声发射   力学性能  

摘要： 氧化物纤维增强氧化物基体(Oxide/Oxide)复合材料耐腐蚀、抗氧化且介电性能优异,鉴于Oxide/Oxide复合材料增强增韧机制复杂,为降低其应用过程中的安全隐患,需要对其受力特点进行分析,对其破坏机制进行研究。首先,对Nextel 610、Nextel 720、ALF-FB3三种氧化铝纤维高温处理后的组成、形貌、性能演变进行研究。结果表明Nextel 610拉伸强度高(2.56GPa),在900℃和1100℃高温热处理后强度依然高达2.11GPa和1.43GPa。随热处理温度升高,Nextel 610中氧化铝晶粒逐步长大,导致纤维表面逐渐粗糙。采用溶胶-凝胶工艺(Sol-Gel)分别在1100℃和700℃烧结制备了AlO/AlO和AlO/Si O复合材料。AlO/AlO基体中存在大量烧结时体积收缩产生的裂隙,基体连续性较差,基体模量为138.00Gpa,硬度为6.69GPa。AlO/AlO拉伸强度为52.05MPa,层间剪切强度为5.28MPa,力学测试产生的试样断面中纤维成束破坏,拔出的纤维表面有大量基体粘连。AlO/Si O基体模量与硬度较低,分别为12.81GPa和1.24GPa。AlO/Si O拉伸强度为195.80MPa,层间剪切强度为3.68MPa,力学测试所产生的试样断面中纤维拔出长度长,表面少有基体粘附。对力学测试中产生的声发射(Acoustic emission,简称AE)信号进行采集,并对其事件数与累积能量的时域特征进行分析。以AE检测技术为辅助对两种复合材料在拉伸测试和短梁剪切测试中的损伤破坏过程进行了分析:(1)拉伸测试中,载荷随时间上升的阶段,两种复合材料中AE信号能量都较低,此时试样基体中裂纹萌生并扩展。由于两种基体模量差异显著,且氧化铝基体具有更高的孔隙率,因此该阶段氧化铝基体中易发生应力集中导致裂纹失稳,而在该阶段,氧化硅基体中微裂纹萌生、扩展更为充分。载荷达到峰值并断崖式下降的阶段,AE信号事件数与累积能量均呈爆发式增长。该阶段,AlO/AlO中AE信号事件数占比0.37,累积能量占比高达0.79,说明绝大部分纤维与基体在此时破坏。AlO/Si O在该阶段产生的AE信号,其事件数与累积能量占比分别为总体的0.64和0.67,仅有0.03的AE信号在载荷下降后40s内产生,但其对应累积能量占比却高达0.21。这说明AlO/Si O复合材料失效后,大量纤维在随后的加载中才逐步破坏,试样失效瞬间对应发生基体破坏、纤维基体脱粘及部分纤维破坏。(2)短梁剪切测试中,载荷上升达到峰值阶段,两种复合材料中都几乎没有AE信号产生。此时AlO/AlO中,裂纹失稳沿层间扩展造成分层破坏。AlO/Si O中,微裂纹在基体中大量萌生并在纤维束间、层间充分扩展,对应着试样模量的显著变化。载荷首次下降后,随着试样形变增大,高能AE信号大量产生,此时AlO/AlO中大量纤维随基体同步被压断,AlO/Si O中的纤维则充分拔出,少量、逐步断裂。

关键词： Cf/HfC-SiC   超高温陶瓷基复合材料   反应熔渗   溶胶-凝胶  

摘要： 连续纤维增强超高温陶瓷基复合材料（C_f/UHTCs）从根本上克服了超高温陶瓷固有的脆性,同时具有轻质、耐极端高温、非脆性断裂、抗氧化烧蚀、可设计性强等优点,成为新型高速飞行器热结构的首选材料。反应熔渗（RMI）是快速制备高致密超高温陶瓷基复合材料的重要方法,但受熔渗动力学控制,反应熔渗超高温陶瓷基复合材料容易存在大尺寸金属残留;同时,高温熔体极易侵蚀纤维、界面,影响材料的高温力学性能及可靠性。针对上述问题,本论文选择C_f/HfC-SiC复合材料作为研究对象,提出基于预成型体孔隙结构调控的反应熔渗思路,首先采用溶胶-凝胶工艺制备C_f/HfC-C熔渗预成型体,改善熔渗反应动力学过程,促进金属熔体消耗,减少基体金属残留;再结合具有较低熔点的Si反应熔渗,以缓解RMI-C_f/HfC-SiC的纤维/界面损伤问题。主要取得了如下结果:（1）成功制备了HfC前驱体溶胶并揭示其陶瓷转化机理。以HfCl4及蔗糖分别为Hf源和C源,制备了HfC前驱体溶胶,经烘干固化后获得固态HfC前驱体。Hf元素以化学吸附的方式存在于前驱体中;氩气气氛下,前驱体在600°C完成裂解,碳热还原反应于1600°C基本完成,而在真空条件下于1500°C进行碳热还原即可达到产物氧含量<1 wt.%的高水平。前驱体陶瓷转化获得的粉体主要为HfC与残余碳,其中HfC平均粒径小于100 nm,晶胞参数与标准数据相比有所减小。通过调节前驱体原料配比实现了对产物氧含量、碳含量、平均粒径与粒径分布等参数的调控。基于固相-气相反应机理揭示了前驱体裂解产生的Hf O2-C体系的碳热还原过程。（2）基于HfC前驱体溶胶的研究,通过溶胶-凝胶方法实现了孔隙结构可控的C_f/HfC-C多孔预成型体的制备,并结合Si反应熔渗获得了高性能的C_f/HfC-SiC复合材料。通过对溶胶凝胶浸渍-裂解循环次数及工艺参数的控制,制备了具有不同孔隙结构的C_f/HfC-C多孔预成型体,孔隙率为27.8-33.0 vol.%,孔中位径为2-13μm,呈现出纳米孔、亚微米孔、微米孔与大孔的多级阶梯状分布状态,有利于反应熔渗动力学过程。研究发现,碳热还原中预成型体的纤维/界面存在损伤情况,外层SiC界面出现破损,内层Py C界面存在Hf元素侵蚀点。反应熔渗后纤维/界面损伤进一步加重,特别是对于高HfC含量的复合材料,由于溶胶凝胶浸渍-裂解次数较多,碳热还原过程对纤维/界面的损伤累积,导致材料力学性能较低。基于溶胶凝胶-反应熔渗工艺制备的RMI-C_f/HfC-SiC复合材料HfC含量为26-37 wt.%,气孔率小于6 vol.%,密度为2.65-3.01 g/cm3,残余金属含量小于5 wt.%,材料基体主要物相包括HfC、SiC、Hf Si2、残余硅及富硅SiC。（3）揭示了化学反应-扩散渗透诱导的纤维/界面损伤机制,并据此优化复合材料制备过程,实现RMI-C_f/HfC-SiC复合材料力学性能的大幅提升。研究表明,高温碳热还原过程中Hf O2颗粒与SiC界面层的反应是造成纤维/界面损伤的重要原因,通过控制碳热还原温度抑制Hf O2与SiC界面层反应,可有效缓解纤维/界面损伤,优化后的复合材料室温抗弯强度提升约50%（由214.1 MPa提高到319 MPa）。（4）系统研究了RMI-C_f/HfC-SiC复合材料高温力学性能,揭示了材料高温力学失效机制。RMI-C_f/HfC-SiC复合材料的抗弯强度随温度升高呈现先增大后减小的趋势,室温至1000°C抗弯强度逐渐增加,1000°C时抗弯强度达到329.5MPa,而温度升至1400°C时抗弯强度降低至149.1 MPa。材料断口微观形貌分析表明,当温度超过一定范围后,材料基体中的残余金属熔化并对纤维/界面产生侵蚀,同时材料中已有的纤维/界面损伤进一步加重,纤维拔出长度变短,材料的抗弯强度明显降低且呈现向脆性断裂发展的趋势。（5）基于空气等离子烧蚀试验平台,深入研究了RMI-C_f/HfC-SiC复合材料的烧蚀行为,揭示了材料的抗烧蚀机理。在恒定热流密度4 MW/m2和5 MW/m2烧蚀试验条件下,材料烧蚀表面中心温度分别为～1820°C和～2080°C,远低于前驱体浸渍-裂解所制备的复合材料,材料呈微烧蚀,质量烧蚀率和线烧蚀率分别小于5 mg/s和1μm/s。经高温等温模式（2200°C）烧蚀考核后,材料质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.45 mg/s和-0.1μm/s。烧蚀过程中,HfC、SiC氧化分别形成Hf O2多孔骨架与Si O2熔体,Si O2熔体包覆于材料表面并填充材料裂纹和孔洞,有效抑制了氧化气氛向材料内部扩散,Hf O2骨架则为Si O2提供依附,减少气流冲刷消耗。特别地,高温条件下Hf O2溶解于Si O2,熔体形成Hf-Si-O相,

关键词： 纤维增韧陶瓷基复合材料   相场法   损伤演化   孔隙   微裂纹  

摘要： 工程材料失效的形式多种多样,其中最为严重的是断裂失效,往往造成巨大的经济损失及人员伤亡。以往人们多采用实验和理论方法研究材料的损伤断裂特性,随着计算机科学的不断发展及软硬件性能的不断提升,数值算法及软件技术快速发展,结构/材料损伤断裂力学与数值模拟方法相结合,能有效仿真材料断裂失效行为及机理的同时,节约大量的时间和成本。纤维增韧陶瓷基复合材料因其抗氧化、耐高温、高比强、高比模、耐化学腐蚀、高抗磨等优良特性,被广泛应用于航空航天、核电等领域极端服役环境下。由于此类复合材料制备工艺极为复杂,且制备过程涉及流体、力学、热学、化学等多场耦合作用,导致其内部难以避免地存在孔隙、微裂纹等自然缺陷。为了准确预测其服役性能和保证构件在极端环境下地可靠性,亟需建立纤维增韧陶瓷基复合材料微结构内损伤模拟算法,并深入探究不同自然缺陷对材料损伤以及服役性能地影响机制。当前,基于相场法的构件/材料损伤及失效研究多集中于各项同性均质材料,而纤维增韧陶瓷基复合材料为典型的各向异性材料,且损伤演化多起始于纤维-基体交界面及自然缺陷位置,存在裂纹偏转、桥接、纤维拔出等复杂过程。因此,本文基于相场法和连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CFRCMC)微结构智能建模方法及纤维丝/束材料各向异性特性,建立兼顾自然缺陷影响的CFRCMC损伤演化模拟方法,并讨论其内在机理。本文的研究内容主要包括:(1)相场法理论推导及算法开发:从裂纹弥散化原理出发,推导了CFRCMC损伤场有限元控制方程及位移场控制方程,并结合文献特征值分解技术提出了一种新的应变张量算子投影算法,通过MATLAB编写数值代码并验证了其正确性。(2)CFRCMC微结构数字化智能建模:结合CFRCMC模型特点和局部网格智能细化方法建立了二维编织布增韧陶瓷基复合材料微观组成的参数化建模策略,并结合陶瓷基复合材料宏观、增韧纤维束材料各向异性性能及相场模拟方法,实现了CFRCMC微结构内损伤演化过程的有效模拟,并获得了材料失效过程性能演化结果。(3)总结归纳了CFRCMC内自然孔隙和微裂纹等缺陷分布及尺寸特点,并从孔隙形状和位置、微裂纹形状等角度探究了缺陷对材料损伤演化的影响。并在此基础上,进一步分析了随机多孔隙对陶瓷基复合材料损伤及裂纹扩展路径影响规律。(4)将二维CFRCMC微结构简化模型延伸至三维CFRCMC模型,采用MATLAB编写了相场模拟代码。通过简化算例模型验证了结果的有效性,同时结合CFRCMC材料特性及内部缺陷统计信息,分析了CFRCMC三维材料内损伤演化规律。

关键词： 陶瓷基复合材料   二维编织   固有频率   整体叶盘   振动测试  

摘要： 陶瓷基复合材料(CMCs)相较于传统的航空航天制造材料,具有高强度,能够承受高温环境以及具有低热膨胀系数等优良性能,使其制造的零部件和结构能够适用于航空航天领域的各种恶劣环境。二维编织陶瓷基(2D SiC/SiC)复合材料与单向陶瓷基复合材料、三维编织陶瓷基复合材料有所不同,二维编织陶瓷基复合材料具有生产成本低、生产工艺简单和优越性能等优点。现代航空发动机的制造过程中陶瓷基复合材料的使用比例逐年增加,而航空发动机在服役过程中,由于振动原因使得二维SiC/SiC陶瓷基复合材料结构内部的损伤裂纹导致结构的性能参数变化。因此本文着重研究二维SiC/SiC陶瓷基复合材料结构试样内部损伤和陶瓷基复合材料涡轮转子整体叶盘转速与结构固有频率的联系。首先针对陶瓷基复合材料的拉伸与循环加卸载,采用细观力学方法进行理论分析,研究陶瓷基复合材料在单轴拉伸情况下的理论应力-应变行为,以及陶瓷基复合材料在循环加卸载情况下的应力-应变行为。给出了陶瓷基复合材料单向拉伸和循环加卸载情况下其应力-应变基本表达式。其次,以陶瓷基复合材料结构为试样,对试样采用循环加卸载试验的方法。预测了二维SiC/SiC陶瓷基复合材料循环加卸载迟滞回线,以及不同峰值应力的界面脱粘比与纤维断裂概率,建立了陶瓷基复合材料试样结构固有频率与复合材料模量衰退、界面脱粘和纤维断裂之间的关系。在陶瓷基复合材料循环加卸载试验中,采集陶瓷基复合材料所承受的应力以及激光测振仪采集的固有频率数据,发现编织陶瓷基复合材料试样结构固有频率随着应力的增加而减小。当固有频率衰退参数Φ=1%时,基体出现开裂,界面发生脱粘,但纤维未断裂;当固有频率衰退参数Φ=4%时,弾性模量衰退参数为D=49.8%,界面发生脱粘,纤维开始断裂。随着施加在试样上的应力逐渐增加,陶瓷基复合材料试样内部出现了基体开裂、纤维与基体的界面层脱粘以及纤维断裂的概率逐渐增加,导致陶瓷基复合材料试样的弹性模量大幅度衰减和固有频率的逐渐下降。因此可根据陶瓷基复合材料试样结构固有频率的变化来判断结构内部的损伤情况。此外,针对陶瓷基复合材料涡轮转子整体叶盘进行振动特性研究。采用仿真计算的方法,分别对陶瓷基复合材料单个叶片、轮盘以及整体叶盘进行计算,得到前4阶单独叶片的固有频率以及对应振型、前4阶轮盘的固有频率以及对应振型和前8阶整体叶盘的固有频率以及对应振型。根据涡轮转子的转速试验,得到陶瓷基复合材料涡轮转子整体叶盘的临界转速为85kr/min整体叶盘的结构固有频率与转速呈负相关,当叶盘转速为0-85kr/min时,整体叶盘结构频率随着转速的增加而缓慢下降;当叶盘转速大于85kr/min时,整体叶盘结构频率与转速随着转速的增加而急剧下降。通过陶瓷基复合材料涡轮转子整体叶盘的仿真计算与试验测量结果对比发现:在1-3阶中,试验值与仿真计算值相吻合;在4阶之后,试验采集整体叶盘的固有频率低于仿真计算预测值。最后,针对本文研究的二维SiC/SiC陶瓷基复合材料试样进行循环加卸载试验,陶瓷基复合材料涡轮转子整体叶盘进行仿真计算和转速试验,对试验过程中振动特性进行总结。并且针对后续内容安排进行分析和探讨。

关键词： 直接烧结SiC   恒温氧化   循环氧化   反应分子动力学   氧化机理   氧化动力学  

摘要： SiC/SiC陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites,简称CMCs）由于其高比强度,高比模量,耐磨性以及在高温下的稳定性和抗氧化性被广泛用于航空发动机热端部件。氧化是CMCs所面临的最为常见的一种失效形式,将使得其力学性能快速衰退,进而造成SiC/SiC复合材料以及部件寿命的衰减。CMCs主要由基体、纤维以及界面组成,三者氧化性能各异,且都会对复合材料最终呈现的氧化行为产生影响,因此理解SiC/SiC各组分的氧化机理是研究氧化问题的基础和前提。有必要对CMCs的组分尤其是基体的氧化行为进行研究。本文采用与CMCs基体具有相同晶体类型的直接烧结SiC进行氧化研究。主要包括恒温氧化试验、循环氧化试验和分子动力学模拟三部分,主要工作和结论如下:（1）采用热重分析仪及管式炉进行直接烧结SiC的不同温度及不同氧化时间的恒温氧化试验,并对氧化产物进行表征,结合氧化动力学曲线及氧化产物特征,获取直接烧结SiC恒温氧化的氧化动力学及氧化机理。结果表明:随氧化时间的增加,直接烧结SiC在1400℃下氧化分为3个氧化阶段。三个阶段的氧化行为都遵循抛物线氧化规律,氧化过程由氧气扩散通过SiO2控制。第1阶段氧气以分子扩散的形式扩散通过无定形SiO2,第2阶段以离子扩散形式扩散通过结晶的球晶特征的SiO2氧化层,第3阶段以离子扩散形式扩散通过细晶结构的SiO2氧化层,但细晶结构将增加更多的晶界作为O2的扩散通道。且氧化程度也随氧化温度的升高而增加。基于1400℃不同氧化时间下的氧化层厚度分布数据建立氧化层厚度分布预测模型,其拟合相关系数R2大于95%,可对1400℃下300h内氧化层厚度分布进行有效预测。（2）采用管式炉对直接烧结SiC在静止空气中进行1300℃下循环周期为5h的以及1400℃下循环周期分别为1h、3h、5h的循环氧化试验,使用分析天平以及扫描电镜对氧化产物进行表征,获取直接烧结SiC的循环氧化机理。结果表明:直接烧结SiC的循环氧化行为由短时间内的抛物线氧化增重过程与长时间氧化产生的氧化层剥落造成的失重过程组成;随循环氧化时间的增加,可将循环氧化过程分为4个阶段:氧化、扩散、开裂、剥落,且4个阶段形成循环过程,最终导致了直接烧结SiC在循环氧化过程中的多层氧化层剥落行为。随氧化温度的升高,SiC氧化速率增加,且更快进入氧化失重阶段;循环氧化周期越短,越易发生局部剥落行为,循环氧化过程受氧化层开裂及剥落影响越严重;循环周期越长,受氧化层开裂及剥落影响推迟,但容易发生氧化层的整体剥落行为。（3）为直观获取SiC恒温氧化机理,使用LAMMPS软件对6H-SiC进行分子动力学模拟,并采用修正的Deal-Grove模型对模拟结果进行分析整理,以获取其氧化动力学模型及氧化机理。结果表明:6H-SiC高温氧化由O2向内扩散通过SiO2氧化层控制,同时伴随着C元素向内聚集,与O2反应生成CO与CO2,最终以气泡的形式逸出。6H-SiC的氧化动力学曲线遵循抛物线规律,氧化反应的活化能Ea=65 k J·mol-1。模拟结果表明6H-SiC氧化反应的活化能与O2浓度无关,只与反应物种类相关。

关键词： 陶瓷基复合材料   数字散斑技术   声发射分析   细观结构  

摘要： 平纹编织陶瓷基复合材料克服了常规陶瓷脆性的缺点,并具有高温下的可靠性以及耐腐蚀和耐磨性,用于航空航天飞行器热端部件,具有良好应用前景。对其力学行为开展研究具有重要工程意义与价值。本文针对平纹编织陶瓷基复合材料的损伤表征、孔边应力集中、力学性能细观模拟开展了试验和数值分析。监测了陶瓷基复合材料拉伸过程中的声发射特征,基于主成分分析法和Kmeans聚类分析法对声发射信号进行聚类处理,并从能量角度对声发射信号进行了分类,与拉伸过程中的损伤失效类型相匹配;采用ARAMIS数字散斑应变测量系统,测试了平纹编织陶瓷基复合材料孔边应变场;试验研究了孔径对含孔试件拉伸强度的影响;探索了过孔横截面不同区域的应变变化规律,结合无孔材料得出过孔横截面的真实应力曲线;通过单胞模型,讨论了纤维随机分布对复合材料性能的影响,并预测了上一尺度的力学性能;利用子程序定义了材料的损伤失效准则,将有限元结果与试验结果比较整体性较好;并通过有限元模型,分析了平纹编织结构开孔位置与开孔大小对应力分布的影响,结果显示应力主要集中在开孔附近的纤维束上;不同的开孔位置表现出了明显差异,双十字形开孔对材料的应力影响最大;并且不是所有平纹编织结构开孔直径越小其安全程度越高。

关键词： SiC纳米纤维   SiC陶瓷基复合材料   成型压力   界面相   聚合物浸渍裂解   反应熔渗  

摘要： SiC陶瓷具有低密度、高强度、抗蠕变、耐腐蚀和耐高温的特性,已广泛应用于安全防护、热防护、机械等领域。由于SiC陶瓷脆性大、服役时易发生灾难性损毁,限制了其作为热结构材料的应用。采用SiC纤维增强增韧SiC陶瓷基复合材料是有效改善陶瓷脆性的重要途径。与连续SiC陶瓷纤维比较,碳化硅纳米纤维(SiCnf)为单晶结构,拉伸强度和弹性模量高,是一种理想的增强体。针对当前原位生长的方法制备的SiCnf协同SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料中存在SiCnf含量少、长度短、纤维拨出效应弱的问题,本课题以SiCnf为增强体,经模压成型、聚合物浸渍裂解和反应熔渗联用（PIP-MI）工艺制备了高体积分数的SiCnf增韧SiC陶瓷基(SiCnf/SiC)复合材料。为降低高温渗硅过程对SiCnf的损伤并提高SiCnf对复合材料的增韧效果,通过PIP工艺对预制体分别进行了不同次数的SiC填充和C/SiC、BN/SiC界面相包覆,主要研究内容如下:（1）以超长SiCnf为增强体,采用模压成型工艺,通过不同成型压力制备出不同SiCnf体积分数的预制体,并结合PIP-MI工艺制备出高致密SiCnf/SiC复合材料,探究了成型压力对SiCnf/SiC复合材料结构和性能的影响。结果表明:随着成型压力的增大,SiCnf体积分数不断增加,有助于载荷在陶瓷基体与增强体间的传递,但过大的成型压力会导致SiCnf严重断裂。当成型压力为30 MPa时,预制体中SiCnf体积分数达到19.95%,且SiCnf连续性好,复合材料抗弯强度和断裂韧性分别达到188 MPa和9 MPa·m1/2;当成型压力为40 MPa时,预制体中SiCnf体积分数高达22.13%,但SiCnf严重断裂,长度仅有3～5μm,复合材料抗弯强度和断裂韧性分别降至175 MPa和8.4 MPa·m1/2。（2）为降低反应熔渗过程对SiCnf的损伤,以聚碳硅烷溶液为前驱体,采用PIP工艺在预制体填充SiC相,最后结合MI工艺完成复合材料的致密化,探究了PIP工艺循环次数对复合材料结构和性能的影响。结果表明:PIP工艺循环次数过少时SiC相对纤维的包覆效果不佳,PIP工艺循环次数过多时会导致材料孔隙直径过小,影响热解碳的填充。当进行4个循环PIP工艺处理时,适宜的碳含量和有效的包覆使复合材料呈现出一定的韧性断裂,材料断裂韧性达到15.4 MPa·m1/2,是无SiC填充的1.9倍。（3）研究了C/SiC、BN/SiC界面相对SiCnf/SiC复合材料结构和性能的影响。发现经C/SiC和BN/SiC双界面相包覆的复合材料力学性能进一步提高,抗弯强度分别提升至189.6MPa和195.3 MPa,断裂韧性分别提升至15.3 MPa·m1/2和16.1 MPa·m1/2。分析认为这主要归因于Py C和BN界面相的层状结构增加了裂纹偏转途径,SiC界面相可以保护Py C、BN界面相和SiCnf免受熔融硅的侵蚀。综上,本文采用模压成型,结合PIP-MI工艺,制备了高SiCnf体积分数SiCnf/SiC复合材料。通过对预制体进行SiC、C/SiC和BN/SiC界面相包覆,一定程度上实现了复合材料的韧性断裂。同时,研究还存在复合材料抗弯强度较低,没有实现强度和韧性的同步增强,今后应当在预制体制备、烧结工艺和界面相包覆等方面做更进一步的研究。

关键词： 陶瓷基复合材料   天线罩   制备工艺  

摘要： 本文强调了陶瓷基复合材料用于天线罩制备的优势,并以无机先驱体浸渍烧成法、有机先驱体浸渍烧成法、无机盐溶液浸渍固化法为切入点,阐述了陶瓷基复合材料天线罩的主要制备工艺。在此基础上,对陶瓷基复合材料天线罩制备的未来发展方向进行了展望。

关键词： 新型陶瓷基复合材料   超声C扫描   粘接缺陷检测   时频分析   定量表征  

摘要： 新型纤维刚性陶瓷基复合材料因具有轻质、耐高温、低导热率、抗氧化、抗腐蚀等优良的性能在航空航天、工业设备、汽车工业等热防护领域得到了广泛的应用。通常是把该材料粘接在基体表面起热防护作用,但在使用过程中由于粘接工艺以及在使役过程疲劳损伤,会导致粘接层出现粘接缺陷,严重威胁到设备和系统的运行安全。因此,开展对该类陶瓷基复合材料粘接构件的粘接缺陷检测和可靠性评估具有十分重要的意义。本文针对陶瓷基复合材料粘接试样,开展了基于超声C扫描的粘接缺陷检测及表征方法研究,主要内容包括材料声场传播特性数值模拟、超声检测信号时频分析和缺陷的量化表征三个方面。(1)考虑到陶瓷基复合材料声学特性复杂,超声在其内部的传播特性还缺乏研究,为探究了材料特性对超声传播特性的影响,建立了二维的声场瞬态传播模型,对超声在陶瓷基复合材料中的声场传播特性进行了数值模拟。通过模拟声速与理论声速相比较,验证了仿真的可靠性,研究了超声在材料内部不同时刻的瞬态传播情况,进而对材料内部的声场特性和声波在材料内部的衰减情况进行了仿真研究,揭示了超声在材料中的声场分布规律和超声在传播过程中的能量衰减规律,为研究该类材料的声场传播特性提供了借鉴方法和理论依据。(2)针对被测材料多孔性和各向异性导致超声回波信号易被噪声淹没,信号特征不易被提取的问题,提出利用小波包时频域分析及能量谱分析的方法提取超声回波信号的频谱和能量谱特征,采用自适应小波包阈值算法,增强回波信号的特征,有效减小噪声信号对原始超声信号的干扰。自主搭建了基于脉冲反射法的超声C扫描检测系统,开展针对CMC材料试样脱粘、孔洞和夹杂等类型缺陷的检测,并通过对比实验,分析了该检测方法对不同类型缺陷的适应性。(3)为提升缺陷的定量分析精度,提出一种卷积神经网络算法与Grab Cut图像分割算法相结合的方法实现对超声C扫描图像缺陷的免交互分割和定量分析。利用卷积神经网络对超声C扫图像进行缺陷识别,以确定缺陷位置,在此基础上结合Grab Cut图像分割算法实现对缺陷图像的免交互分割和定量分析。结果表明,该方法能够有效的对缺陷进行识别和定量分析,并取得了较好的缺陷定量精度。