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。

关键词： 陶瓷基复合材料   正交各向异性   本构模型   损伤耦合   偏轴压缩  

摘要： 陶瓷基复合材料的面内本构关系对于热结构的设计与评价具有重要参考意义.对2D-C/SiC复合材料的轴向压缩、面内剪切和偏轴压缩力学行为进行了实验和模拟研究.通过单调压缩和循环加卸载实验,研究了不同加载角度(0°,15°,30°和45°)下材料的应力应变行为以及卸载模量与残余应变随卸载应力的演变规律;并表征了面内剪切应变响应行为以及剪切卸载模量和残余应变随卸载应力的演化行为.在理论层面,考虑材料的正交各向异性、非线性和细观损伤机理,应用连续介质损伤力学方法对材料的压缩、剪切和压-剪耦合损伤演化行为进行了描述,且提出了面内剪切和偏轴压缩力学行为表征模型;并基于损伤演化实验数据确定了损伤解耦模型中的压-剪损伤耦合系数和损伤钝化系数,对材料的偏轴压缩应力应变行为进行了模拟.结果表明:该材料的轴向压缩本构关系为线弹性;而面内剪切本构关系为非线性,且卸载模量随卸载应力的增大而减小,残余应变随卸载应力的增大而增大;偏轴压缩载荷下,轴向压缩应力对材料的剪切损伤具有抑制作用,而面内剪切应力对材料的轴向压缩损伤起到了促进作用,且材料的应力-应变响应行为呈现出了相当的复杂性.但模拟结果与实验数据的一致性表明,基于损伤解耦的本构模型可以较为准确地预测材料的偏轴压缩应力-应变行为.

关键词： 陶瓷基复合材料   高温力学性能测试   涡轮导向叶片   航空发动机  

摘要： 针对航空发动机涡轮导向叶片所用的陶瓷基复合材料的高温力学性能测试需求,设计开发一套测试系统。该系统由温度控制、载荷施加、数据采集和控制系统4个功能模块组成,采用比例-积分-微分(Proportion Integral Differential,PID)温度控制算法和模糊控制策略,实现了1600℃高温环境下的精确测试。对C/SiC复合材料样件的测试结果表明,系统在1600℃、300 MPa工况下的温度控制精度为±2.0℃,载荷控制精度为0.95%,应变测量精度为0.98με,数据采集稳定性达99.89%,满足用于涡轮导向叶片的陶瓷基复合材料的高温力学性能评价要求。

关键词： 耐高温结构   陶瓷基复合材料   各向异性   ANSYS ACP模块   有限元仿真  

摘要： 由于在航空航天和核工业中存在超高温工况,结构对材料耐高温、耐腐蚀、高强度性能提出了较高要求,此外较低的材料密度也是提升结构轻量化水平的重要性能。碳化硅陶瓷基复合材料因具有低密度、耐高温、高强度等特点,已经在相关领域表现出较大的潜力,并且已有较成熟的工程应用。本文以SiCf/SiC复合材料(碳化硅作为陶瓷基体,SiC纤维作为增强体)为对象,简要论述了国内外相关研究人员对碳化硅陶瓷基复合材料制备加工工艺的研究,根据其各向异性、非均质性以及双模量等特征,结合具体实例进行分析,建立了一种基于ANSYS ACP技术的复合材料设计分析方法,初步形成针对耐高温结构复合材料建模和仿真优化分析的解决方案。