关键词： 陶瓷基复合材料   带孔板   销钉连接   渐进损伤   多尺度计算   失效分析  

摘要： 陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,简称CMCs)具有高强度、高弹性模量、低密度、耐高温、抗烧蚀等特点,在航空发动机热端部件中已有广泛应用。由于航空发动机中各构件功能的不同,CMCs需要与金属结构进行连接,需要研究CMCs和金属连接结构的强度问题。机械连接是主要的连接方式,通过螺栓、销钉连接时需要对CMCs进行开孔,CMCs含孔连接结构的强度及破坏形式需要进行研究。针对国内外学者主要采用宏观力学方法对CMCs连接结构进行强度分析的研究现状,本文使用多尺度计算方法对CMCs带孔板进行强度计算和破坏分析。本文首先根据2.5维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了包含经纱、纬纱、基体、孔隙等内部结构的细观模型。然后提出一种基于子模型技术的多尺度计算方法,对宏观模型和细观模型进行结合。使用渐进损伤方法完成了CMCs带孔板的强度计算和破坏形式分析,分别模拟了宏观结构和细观结构的破坏过程。最后对CMCs和金属销钉的连接结构进行了试验,得到了结构的破坏强度以及孔边的破坏形式,销钉与孔的接触区域会随着载荷增大而产生挤压失效和剪切失效。通过连接结构模型的仿真计算,模拟的孔边破坏形式与试验吻合。通过对CMCs带孔板的破坏分析和CMCs/金属销钉连接结构的试验,验证了本文建立的模型和计算方法的有效性,完善了CMCs连接结构的失效分析方法。

关键词： Translation studies   Thermodynamics   Mechanical engineering   High temperature physics   Molecular physics   Atomic physics   Nuclear physics and radiation   Materials science   High energy physics  

摘要： High-temperature composite materials have broad applications in the energy and transportation sectors because of their unique capabilities to sustain strength at elevated temperatures, inert interaction with some coolants, and their high strength-to-weight ratio. These encompass C/C and SiC/SiC composites, developed as cladding in fission reactors, and as turbine blade materials for advanced jet engines and combustion liners. Cyclic thermal and mechanical loading associated with neutron irradiation effects of these composites leads to wide-spread and progressive micro-cracking that leads to loss of thermal conductivity and further enhancement of thermo-mechanical damage. A physics-based model of wide-spread micro-crcaking is developed within the thermodynamic framework of continuum damage mechanics. Evolution equations for damage parameters that describe the growth of continuum damage are developed, where the material variables are obtained from experiments. The model novelty is in coupling mechanical, thermal, and irradiation damage through a consistent thermodynamic framework, including loss of thermal conductivity due to the evolution of mechanically induced micro-cracks. A number of thermo-mechanical experiments were conducted to confirm model assumptions. The model is shown to be validated with out-of-pile experiments, and then implemented using commercial finite element code COMSOL to the fuel cladding problem and FNSF blanket where coupling between different physics was achieved along with an implementation of global local approach. Finally, a set of performance diagrams for a thin-walled SiC tube structure subjected to cyclic thermo-mechanical loading associated with neutron irradiation were introduced to aid the community with first stage design tool for a thin walled CMC cylindrical structures.

关键词： 碳纤维   GO   PyC   先驱体浸渍裂解法   Cf/SiC复合材料  

摘要： 碳纤维增强碳化硅陶瓷基(Cf/SiC)复合材料与陶瓷材料相比较具有更优异的强度密度比、耐温性和抗热震性,在航空航天领域具有广阔的发展前景。对于Cf/SiC复合材料,如何提高其断裂韧性是一个共性的难题,传统方法是在复合材料制备过程中引入热解碳(PyC)界面层,以提高断裂韧性。但是由于碳纤维表面化学惰性较强,影响了纤维与基体之间浸润性能。因此,最好的解决方法是对碳纤维进行表面改性以提升复合材料的界面结合性能。基于以上思路,本课题首先采用多分子偶联剂法分别对碳纤维及氧化石墨烯(GO)进行偶联改性,通过不同的多功能偶联剂活性基团的化学反应将GO接枝到碳纤维表面,发现碳纤维表面接枝GO后,在碳纤维、硅烷偶联剂和GO三者之间形成了高能化学键,可以有效阻止纤维断裂,主要体现在接触角下降51%,表面能增加146.5%,拉伸强度升高4.4%,模量提升7.5%。同时GO的引入有效增加了纤维表面粗糙度,从而提升了界面机械联锁性能,使得界面剪切强度(IFSS)提高64.5%,有效的改善了纤维与基体的界面结合性能。其次采用浸渍裂解法,使用酚醛树脂先驱体溶液,在碳纤维表面制备均匀且厚度可控的PyC层,研究了碳纤维改性前后对PyC层均匀性和厚度的影响规律。结果表明碳纤维的表面石墨化程度随着裂解温度的升高而减小,结构缺陷增加,使拉伸强度随着裂解温度的升高会逐渐减小,因此PyC层的最优裂解温度为700°C。接枝GO的碳纤维,其表面制备PyC层的厚度增加,抗氧化性能增强,制备的Cf/PyC试样的拉伸强度提高7.4%。最后采用先驱体浸渍裂解法(PIP),制备得到碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料,研究了碳纤维表面接枝GO和制备PyC层对Cf/SiC复合材料的影响。结果表明GO和PyC层的引入,可以使基体裂纹发生偏折,同时产生明显的纤维拔出现象,有效的改善了纤维与基体之间的界面结合。随着GO的加入和PyC中间层厚度增加,复合材料的石墨化程度增加,抗氧化性能增强,拉伸强度增加,Cf/SiC复合材料的拉伸强度分别比未处理碳纤维制备的复合材料拉伸强度分别提高了47.8%、63.4%和172.4%。

关键词： 耐高温   陶瓷基复合材料   弯曲强度  

摘要： 陶瓷基复合材料是一种新型多功能材料,具有耐高温、耐腐蚀、强度高、密度低等优点,可应用在航天飞行器的天线罩、发动机等耐高温部位。为了提高陶瓷基复合材料的高温力学性能,本文对陶瓷基体进行改性,采用连续纤维进行增韧,制备了基于陶瓷前驱体的耐高温复合材料,并探究了热压强度、料布比、粉体含量等因素对其力学性能的影响。首先,采用硅氧烷对苯并嗯嗪树脂进行杂化改性,通过浸渍热压法制备了石英纤维增强苯并嗯嗪的耐高温复合材料,对其分子结构、固化行为、耐热性能及力学性能进行了表征。结果表明:硅氧烷杂化苯并嗯嗪与双酚A型苯并嗯嗉有着近似的凝胶温度以及凝胶时间,但其粘度更低,有利于复合材料的成型加工。相比于石英纤维增强双酚A苯并噁嗪复合材料的弯曲保持率是5.7%,石英纤维增强硅氧烷杂化苯并嗯嗪复合材料在300。(℃下弯曲强度保持率为37.2%,展示出良好的耐高温性。其次,向氮化硅基体中引入磷酸二氢铝作为胶黏剂,并通过浆料浸渍热压法制备了石英纤维增强Si3N4陶瓷基复合材料,探究了晾布时间、粉体含量、料布比等因素对复合材料性能的影响。结果发现:室温(16℃)晾布4h、Si3N4粉体尺寸为1-3μm、A1(H2P04)3:Si3N4=1:1、料/布=2:1、压强为2MPa时,制备的QF/Si3N4复合材料的力学性能相对较佳(30(℃C热压后弯曲强度为75.64MPa;500℃烧结后弯曲强度为67.91MPa)。此外,研究发现氢氧化铝的加入可有效促进磷酸二氢铝的低温固化;采用钛酸四丁酯-乙醇溶液对石英纤维布进行预处理,可减弱酸性浆料对纤维的损伤。最后,向碳化硅基体加入磷酸二氢铝、间苯二酚和六次亚甲基四胺作为胶黏剂,并采用浆料浸渍热压法制备了碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料,探究了粉体含量、料布比、热压强度和粉体尺寸对复合材料力学性能的影响,并测试了浆料的DSC、TGA以及复合材料的弯曲强度。结果表明:加入间苯二酚和六次亚甲基四胺可有效促进磷酸二氢铝的脱水和固化,有利于形成网络结构。当粉体含量为A1(H2PO4)3:SiC=1:1、料/布=1.5/1、热压压强为2MPa、粉体尺寸为5μm时,复合材料的力学性能相对最好(300℃热压后弯曲强度为222.14MPa;500℃烧结后弯曲强度最大为165.59MPa)。本课题从基体改性入手,制备了3种不同的陶瓷基复合材料。石英纤维增强硅氧烷杂化苯并噁嗪复合材料在300℃的弯曲强度为191MPa,弯曲保持率为37.2%,可应用在300℃的温度范围。石英纤维增强Si3N4陶瓷基复合材料50℃强度为67.91MPa,强度虽不及前者,但其在500℃的弯曲保持率为89.78%,力学性能衰减缓慢,可满足低强度耐高温复合材料的需求,应用于500℃温度范围。碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料500℃强度为165.59MPa,可满足较高强度耐高温复合材料的要求。此研究为提高陶瓷基复合材料的耐热性和强度提供了一定的参考。

关键词： 航空发动机   高温合金   金属间化合物   陶瓷基复合材料  

摘要： 随着新一代航空发动机对推重比以及燃油效率等的要求不断提高,航空发动机内热端部件的使用温度也越来越高,对高温材料的高温力学性能也提出了更高的要求,高温材料的综合性能对航空发动机技术的发展有很大影响.本文综述了航空发动机用传统耐高温材料及新型耐高温材料的概念、优缺点及研究现状,重点介绍了高温材料的应用,总结了航空发动机用高温材料的发展方向,并对航空发动机用耐高温材料的发展趋势进行了展望.

关键词： 超高温陶瓷基复合材料   反应熔渗   多孔预成型体结构设计   界面损伤  

摘要： 受熔渗动力学控制,常规反应熔渗制备的超高温陶瓷基复合材料易存在纤维/界面损伤,基体大尺寸金属残留等问题,严重影响复合材料性能。近年来,中国科学院上海硅酸盐研究所建立了基于溶胶-凝胶预成型体孔隙结构设计的超高温陶瓷基复合材料反应熔渗新方法,揭示了预成型体孔隙结构对复合材料基体分布、界面损伤及性能的影响规律;发现反应熔渗超高温陶瓷基复合材料界面锆元素聚集现象,并首次提出反应-类熔融界面损伤机制;提出准连续ZrC界面保护结构设计思路,有效缓解了反应熔渗纤维/界面损伤,实现反应熔渗C_f/（ZrB2）-ZrCSiC超高温陶瓷基复合材料性能大幅提升。

关键词： 编织陶瓷基复合材料   表面分级评价   磨削加工   声发射频率   摩擦磨损机理   高温干摩擦  

摘要： 编织陶瓷基复合材料(Woven Ceramic Matrix Composites,WCMC)不仅继承了陶瓷材料高比刚度、耐高温、耐腐蚀、低密度的优势,并且因为编织纤维的增强,使其具有了高比强度、高韧性、耐磨损的卓越性能。因此,这种材料被广泛应用于众多先进技术领域。由于WCMC是一类新型材料,对其进行机械加工,并将其合理、可靠地应用于实际工程场景,都面临着不同于传统材料的困难与挑战。为了实现WCMC在工程领域的广泛应用,有必要对其进行加工工艺研究和使用性能研究。而在此之前,建立客观、有效的WCMC表面评价体系,是必不可少的基础性工作。然而,由于WCMC内部复杂的结构组成,这类材料具有明显的各向异性和不均匀性。关于其表面评价技术、磨削加工技术和摩擦学特性的研究,很多传统的适用于均质材料的理论和模型都无法应用在WCMC的相关研究中。因此,急需建立新的适用于WCMC的理论体系,以指导该类材料的设计、加工和使用。本文尝试性地提出了一种WCMC表面分级评价体系。该体系包含纤维、纤维束、胞体、全表面四个层级。在纤维层级上,分析纤维损伤的典型形式及这些损伤对WCMC表面形貌和摩擦学特性的影响,并为后面三个层级的测量和评价奠定基础;在后面的每一层级上,本体系均提出了一套基于统计学原理的表面采样参数确定方法以及表面质量评价方法。在纤维束层级上,本文认为应当使用二维评价方法进行纤维束的表面评价,并论证采样方向、采样长度、采样组数和采样步长对纤维束表面采样结果的影响。提出使用轮廓粗糙度均值Ra、粗糙度均方根偏差均值Rq、归一化后的轮廓偏斜度均值Rsk和轮廓峭度均值Rku四个评价指标分别评价纤维束表面的粗糙程度、损伤类型和损伤严重程度;在胞体层级上,本文认为应当使用三维评价方法进行胞体的表面评价,并基于残差估计理论提出最大许用采样步长的确定方法;在全表面层级上,本文论证了胞体测量结果和全表面形貌之间的关系,并提出了基于特征面积比例的全表面形貌评价方法。以一种典型的WCMC——碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C/Si C)为例,对这一评价方法进行了说明,验证了这套参数和方法能够实现C/Si C各层级表面的无失真、客观评价。评价结果也能直接反应表面的真实形貌状态,并和材料的摩擦学性能建立联系。本文通过理论推导和实验验证,论证了传统的基于最大未变形切屑厚度理论的磨削力模型无法用于估计WCMC的磨削力。进而通过数学推导,提出一种基于变比磨削能的WCMC单颗磨粒磨削力模型,并以石英纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料(Si O/Si O)为例,通过实验验证了其正确性。然后,在单颗磨粒磨削分析的基础上,展开了针对WCMC表面的砂轮磨削加工研究,建立了砂轮磨削力模型,仍然以Si O/Si O为被加工材料,通过实例实验,研究了不同磨削参数对磨削力和磨削后表面质量的影响,从而确定了最佳磨削参数组合。使用声发射(Acoustic Emission,AE)技术、表面评价技术和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观测相结合的方法,对Si O/Si O单颗磨粒和砂轮磨削过程中的AE信号处理、频率特征进行研究,提出了一种基于AE特征频率的磨削加工损伤类型识别和损伤程度定量评估方法,建立了Si O/Si O砂轮磨削工艺参数分别与工件加工损伤、加工后表面质量之间的关系。整个研究为WCMC的磨削加工工艺规划、加工过程状态监测和加工质量评估奠定了理论基础。本文进行了WCMC-陶瓷摩擦副的摩擦性能研究。首先,在工况条件不变时,研究了WCMC加工角度、表面加工参数、对磨副陶瓷材料及其表面微结构对摩擦性能的影响,并在此基础上总结了WCMC与陶瓷配合时的摩擦磨损机理;然后,在工况条件变化时,研究了摩擦时间、载荷、转速、温度对WCMC-陶瓷摩擦副摩擦性能的影响。上述研究中选用的WCMC为C/Si C,对磨副材料为氧化锆(Zr O)和氮化硅(SiN)。并针对高温工况条件,进行了高温摩擦副的优化,选用碳纤维增强碳基复合材料(C/C)与Zr O和SiN组成摩擦副,研究了温度、微结构对其摩擦性能的影响,并分析了高温条件下的摩擦磨损机理,为WCMC在高温摩擦领域的广泛应用提供了理论基础。研究表明,通过合理地选用摩擦副材料并控制材料表面微结构,可以在室温至1000℃的区间内,获得不高于0.2的摩擦系数。

关键词： Cf/ZrC-SiBCN   陶瓷基复合材料   碳化锆   抗氧化性能  

摘要： 近年来,超高温陶瓷材料凭借其优良的物理性能和化学稳定性,满足了高超声速飞行器不断发展的需求。尤其是连续纤维增韧陶瓷基复合材料的问世,克服了陶瓷脆性大、抗热冲击性能差的特点,备受航天航空研究人员的瞩目。ZrC是一种过渡金属的碳化物,具有熔点高,硬度大的特点,是飞行器机身的优选材料。但如今国内生产的ZrC粉体普遍存在颗粒粗大、尺寸分布不均的缺点,这严重影响了后期的粉体烧结和复合材料的性能。基于这个现状,本课题采用溶胶-凝胶与碳热还原相结合的方式来制备ZrC粉体,并以此为基础,将合成的ZrC粉体与具有良好抗氧化性能的SiBCN陶瓷结合,作为复合材料的基体。通过浆料浸渍和PIP工艺分别将ZrC粉体和SiBCN陶瓷引入到连续纤维编织体内,制备了C/ZrC-SiBCN复合材料,并对材料的力学性能和抗氧化性能进行了测试。本课题从低碳绿色的角度出发,以廉价的蔗糖作为碳源,以ZrO作为锆源,通过溶胶-凝胶的方式将两者充分混合,并在合适的碳热还原工艺下制备ZrC粉体。分别研究了加热温度、锆/碳比和原料尺寸对最终粉体的影响。通过扫描和XRD分析可知,在1550°C、锆/碳比为1:4的条件下,最终获得的ZrC粉体纯度较高,颗粒尺寸均匀。通过浆料浸渍和PIP工艺,ZrC粉体和SiBCN陶瓷能够被均匀引入到编织体内部,同时能够在较短的制备周期内使复合材料的致密度达到70%以上。通过对复合材料的弯曲强度测试发现,ZrC含量的增加会降低材料的力学性能。利用水淬法对材料的抗热冲击性能进行测试,研究表明在600°C以上,材料的力学性能就会由于表面的缺陷发生大幅度下降,经过计算得出复合材料的临界热冲击温度为736°C。同时发现,当温差在1000°C时材料表面仍然没有出现宏观裂纹,这表明制备的复合材料具有一定的抗热冲击性能。通过不同温度和时间下的静态氧化对复合材料的抗氧化性能进行了研究。结果表明材料在1000-1200°C温度范围内,材料表现出较差的抗氧化性能,主要原因是各相组分热膨胀系数的差异和表面物质的氧化。在1400-1550°C温度范围内,材料表现出较好的抗氧化性能,主要是因为熔融的SiO在高温作用下具有良好的流动性,能够将材料表面的缺陷弥合,减少了氧通道,避免了基体的氧化。随着温度的升高,材料表面的氧化层厚度由430μm降至103μm。

关键词： 新型陶瓷基复合材料   缺陷检测   数值模拟   HHT时频分析   伪Wigner-Ville分布  

摘要： 新型陶瓷基复合材料因具有优良的隔热性能,而被广泛应用在航天器外壳的热防护结构中。热防护结构在粘贴到飞行器基体的过程中,因工艺问题可能会产生粘接缺陷,再加上使役过程中大气层造成的热损伤,会导致材料隔热性能下降,甚至造成热防护结构脱落,严重威胁到飞行器的飞行安全。因此,无损检测和评估这类材料与飞行器基体的粘接层缺陷具有十分重要的意义。本文开展了基于超声C扫描的粘接缺陷检测技术研究,主要内容包括数值模拟、信号处理和量化分析三个方面。(1)为了研究超声在新型陶瓷基复合材料材料中的传播特性,采用基于高斯声束模型和有限元的数值模拟方法。首先,在对材料中超声传播特性理论进行分析总结的基础上,基于高斯声束模型对超声换能器的声场分布进行模拟;基于有限元的数值计算方法对超声在材料中的传播瞬态过程进行仿真研究,为研究新型该种材料的超声传播特性提供理论依据。(2)基于上述理论分析,本文自主研制了超声C扫描自动检测系统,实现了检测图像的实时显示和伪3D显示,从而完成了超声检测数据的可视化分析。结果表明,该检测系统可实现新型陶瓷基复合材料粘接结构的脱粘和夹杂等缺陷的检测。(3)针对被测材料特性复杂、超声数据多噪音的特点,提出了HHT和伪Wigner-Ville分布相结合的时频分析方法。首先,采用自适应的中值滤波和小波阈值去噪算法进行消噪处理,大幅度减小了超声数据携带的脉冲和高斯噪声。然后,在去噪基础上利用HHT和伪Wigner-Ville分布相结合的方法对信号进行时频分析,得到信号的幅值-频率-时间三维分布图,从而实现信号的时频域特征分析。结果表明,本文提出的时频分析方法可以更直观、更具体的体现超声信号在时域、频域的分布特点。(4)为实现缺陷的定量和定位分析,针对去噪后的超声检测图像采用脉冲耦合神经网络算法进行分割,对分割得到二值图像进行缺陷圆滑和拟合处理,并与多种分割方法进行对比。结果表明,所提方法的定量和定位误差最小,分别为5%和6%。

关键词： 陶瓷基复合材料   涡轮转子叶片   结构设计   实体建模   受力分析  

摘要： 陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,简称CMCs)具有轻质、吸振、耐高温等特点,是发展高性能航空发动机的关键材料。在航空发动机的涡轮叶片上应用CMCs将显著提升航空发动机的性能。但是CMCs也具有硬度高、脆性大,加工难度大且非均质性显著的特性。目前几乎没有关于CMCs涡轮转子叶片结构设计的公开报道。如何设计叶片的宏观与细观结构,已成为制约CMCs涡轮叶片研制的关键技术瓶颈。本文针对上述问题开展研究工作。首先分析了某型发动机的金属涡轮转子叶片在室温典型转速下的应力分布,作为CMCs涡轮叶片应力分析的参照。然后结合CMCs的材料特性,设计出了CMCs涡轮转子叶片的宏观主体模型。并在此基础上进行铺层设计,最终实现了CMCs涡轮转子叶片的细观结构设计及建模。最后采用有限元法计算了室温典型转速下的CMCs涡轮转子叶片的应力分布。结果表明,基于叶身几何中面铺层设计的CMCs涡轮转子叶片的应力分布更为合理。此种情况下,它沿经纱方向的的最大拉伸应力为101MPa,低于其拉伸强度336MPa。与其配套的金属涡轮盘的最大Mises等效应力为136MPa,远低于其屈服强度1220MPa。表明本文设计的CMCs涡轮转子叶片能够满足室温下的静强度要求。本文还得到了与CMCs涡轮叶片结构设计相关的一些结论,包括:(1)叶身与榫头中面扭转不可过于剧烈以免SiC纤维在成型过程中因为过度弯曲而断裂;(2)采用铺层形式的预制体可以满足强度要求;(3)插片法形成的燕尾形榫头和缝合工艺制备的下缘板在室温离心力载荷下能够满足强度要求。