关键词： 聚硅氮烷   固化   陶瓷化   前驱体浸渍裂解法   陶瓷基复合材料  

摘要： 飞行器天线罩的外包装保护材料(陶瓷材料)在严苛的条件下必须具有耐高温、耐烧蚀、耐冲刷、抗热震和优异的力学强度等性能。但陶瓷材料存在脆性强、制备工艺较复杂、成本高等问题。本文为解决以上问题,提出一种低成本快速成型的方法制备碳纤维(Cw)增强的碳化硅(SiC)陶瓷基复合材料,具体工作内容如下:为提高陶瓷前驱体产率和固化性能,在碱性缚酸剂条件下,采用聚硅氮烷(LSZ)和溴丙炔经脱酸缩合制备SiC陶瓷基复合材料的有机前驱体(炔丙基聚硅氮烷(PPSZ))。结果表明,PPSZ树脂在900℃烧结后的陶瓷产率约为81%～83%。由于制备SiC陶瓷基复合材料时所需的前驱体量较大,而PPSZ树脂在实验室不能实现量产化,不能满足实验需求。LSZ树脂具有较低的固化温度、良好的流变性、产量高等优点,因此可选用LSZ树脂替代PPSZ树脂作为陶瓷前驱体。通过预浸料模压法制备了碳纤维网胎(Cw)增强LSZ-SiC陶瓷基复合材料,分别研究了厚度<1 mm和厚度约为3 mm复合材料的力学性能和高温抗氧化性。首先对复合材料的制备工艺进行优化,得到实验工艺参数:压强为10 MPa、Cw:浆料质量比为1:10、SiC:LSZ:HDI质量比为1:1:0.2、凝胶条件为自然凝胶,而在以上条件下制得的试样经高温处理后拉伸强度仍保持稳定。由氧化烧结后试样结构的完整性和基体与纤维间良好的界面结合可知复合材料具有良好的耐环境持久性。接着,在2 MPa压强、其余工艺参数不变的条件下制备Cw增强LSZ-SiC陶瓷基厚板复合材料,结果表明,试样经高温处理后弯曲强度仍保持稳定。试样的断裂口形貌研究表明纤维在复合材料断裂时极大地发挥其增韧性能,从而保障了复合材料在高温环境中使用时所需的力学强度。为了在更低烧结温度下(<500℃)制备SiC陶瓷基复合材料并降低工艺成本,选用磷酸二氢铝前驱体替换聚硅氮烷。通过快速模压技术制备Cw增强AlP04-SiC陶瓷基复合材料。并得到实验工艺参数:SiC:Al(H2PO4)3:H2O:HP:HMTA质量比为3:1:3:0.24:0.12、压强为5 MPa、Cw:浆料质量比为1:10时,制得的试样在300℃、500℃、800℃处理后的弯曲强度值分别为87.04 MPa、81.04 MPa、99.58 MPa,稳定的力学强度结果表明纤维在复合材料断裂时可起较大的承载作用。由复合材料在氧气氛围中烧结后具有完整的结构和质量损失率低(约3%～13%)的特点,可知该陶瓷基复合材料具有很好的耐高温抗氧化性。本文为获得耐高温、高韧性、高强度的SiC陶瓷基复合材料提供了一种快速成型技术,极大地降低制备陶瓷基复合材料的时间成本。

关键词： 二维编织陶瓷基复合材料   挤压试验   单胞模型   渐进失效   有限元  

摘要： 二维编织陶瓷基复合材料具有优良的力学性能和耐热性能,其制成的结构部件具有良好的整体性,在航空发动机及航天飞行器上得到广泛应用。二维编织陶瓷基复合材料与金属的螺栓连接是一种飞行器上广泛使用的机械连接方式,挤压破坏是其主要破坏方式之一。因此,二维编织陶瓷基复合材料挤压力学性能的试验与失效机理分析对于陶瓷基复合材料结构设计具有重要意义。为研究二维编织陶瓷基复合材料的挤压力学性能,首先开展了挤压力学性能的试验研究,研究不同沉头深度和沉头角度对二维编织陶瓷基复合材料与金属的单钉沉头螺栓连接结构挤压强度的影响。通过挤压试验,DIC法,三维显微镜图像分析等,得到了最大载荷、挤压强度、应变分布以及局部破坏等与沉头参数的关系。进行了二维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测研究,采用有限元法建立二维编织陶瓷基复合材料的单胞模型,施加周期性边界条件,使用均匀化理论预测了材料的弹性常数,为二维编织陶瓷基复合材料挤压渐进失效机理分析提供基本材料性能参数。采用三维应变Chang-Chang失效准则和基于能量演化的连续线性材料性能退化方案,使用Fotran语言编写了通用有限元软件ABAQUS的VUMAT材料子程序,建立编织复合材料挤压渐进失效分析方法和流程。对二维编织陶瓷基复合材料挤压过程的失效机理进行了分析。建立了二维编织陶瓷基复合材料与金属连接结构的有限元模型,得到有限元模型的应力、应变、位移等结果,以及载荷位移曲线和复合材料各层损伤变化情况,二维编织陶瓷基复合材料挤压渐进失效机理进行了分析。通过试验、理论分析、数值模拟的方法研究了二维编织陶瓷基复合材料连接结构的挤压力学性能,对二维编织陶瓷基复合材料连接结构的设计具有重要的参考意义。

关键词： SiCf/SiBCN   复合材料   疲劳性能  

摘要： 随着超高速飞行器日益增长的需求,热端部件材料的开发已经被世界诸多国家所重视。纤维增强陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、抗氧化、抗高温蠕变、比强度高等优点受到科研人员的亲睐,SiC_f/SiBCN复合材料又是目前这类材料的研究热点。但关于该种材料的疲劳性能,少有报道,使其设计、应用和进一步发展受阻。本文首先研究了DCP的添加对SiC_f/SiBCN复合材料制备效率的影响,结果显示DCP极大的提高了复合材料的制备效率。后续研究了复合材料的常温及高温拉-拉疲劳行为。常温疲劳试验探讨了残余应力、氧化损伤、频率、应力比对材料疲劳性能的影响。结果显示:（1）高周疲劳时,材料疲劳过程会释放材料内部基体的残余拉应力,使材料有更高的表观疲劳极限应力。低周疲劳时,材料内部的裂纹扩展太快,材料内部的残余拉应力来不及释放材料便发生破坏。（2）材料在1200℃空气环境热处理时,由于SiBCN基体的自愈和性,材料基本不发生氧化,材料的疲劳性能保持优异;在1350℃空气热处理时,由于BNC相在高温下迅速消耗,纤维与基体均有明显氧化,材料疲劳性能下降。（3）疲劳频率增大,材料的疲劳寿命减小。应力比增大,材料的疲劳寿命增大。这是由于常温疲劳时材料的疲劳损伤机制主要为磨损机制造成的,拉伸断口显示频率、应力比对拉伸断口影响较小,其断裂行为类似。（4）通过S-N曲线与Goodman曲线对材料的疲劳极限进行预测,预测与实验结果相比误差在5%以内,对疲劳寿命的预测的误差也在工程范围之内。高温疲劳试验主要研究了温度、频率、应力比对材料疲劳性能的影响。结果显示:（1）温度升高,材料的疲劳寿命下降。温度越高,界面受到氧化侵蚀越严重,对应材料的氧化损伤越严重。（2）疲劳频率越小及应力比越大,高温疲劳寿命减少,蠕变损伤对材料疲劳断裂起主要作用。疲劳频率越大,应力比越小,高温疲劳寿命越长。综合而言,材料常温疲劳试验中,纤维/基体界面磨损是材料疲劳失效断裂主要原因,高温下,纤维蠕变和氧化损伤是材料断裂失效的主要因素。材料常温下有优异的疲劳性能,高温下疲劳性能良好。

关键词： 陶瓷基复合材料   弱界面   断裂过程   有限元模拟   拉伸实验  

摘要： 连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCC)具有耐高温、抗氧化、比强度高和韧性好等优点,在航空航天领域的热端部件已逐步得到应用,是各国重点研究的材料之一,对其力学性能的研究也受到越来越多的关注。由于多数CFCC的界面强度相对较弱,断裂过程比传统复合材料复杂的多,探明其断裂过程和影响断裂过程的因素是深入研究和应用CFCC的关键。本文首先从CFCC基体缺陷出发,将缺陷合理简化为唇形缺陷,利用复变函数理论和保角变换定理求解缺陷应力强度因子(SIF)的理论解,将其作为裂纹扩展的判据,并进一步分析缺陷的几何尺寸对SIF的影响,为后续研究CFCC的断裂过程奠定了基础。其次,针对含有弱界面的CFCC横向断裂过程展开模拟分析,基于内聚力模型模拟代表体元(RVE)的横向拉伸断裂过程,分别探究了理想RVE的断裂过程和含有唇形缺陷的RVE的断裂过程,发现两种RVE的断裂过程不同。此外还探究了影响横向断裂过程的因素,重点分析了弱界面的存在对断裂过程的影响,得到了断裂过程的应力-应变曲线,并探究了影响应力-应变曲线的因素。然后又对含有弱界面的三维RVE模型进行纵向拉伸断裂模拟,断裂过程涉及到基体裂纹扩展和弱界面脱粘过程,清晰地展现了CFCC材料纵向拉伸的断裂过程,分析了弱界面导致的界面脱粘现象,得到了断裂过程的应力-应变曲线,并探究了弱界面对应力-应变曲线的影响。最后,本文以C/SiC复合材料为例,通过实验得到了横向拉伸和纵向拉伸断裂过程的应力-应变曲线,验证了有限元模拟,并利用扫描电镜观察裂纹的微观形貌特征和断口形貌,验证了横向断裂过程中裂纹沿着弱界面扩展的现象以及纵向拉伸断裂过程中的界面脱粘现象。

关键词： 锂铝硅陶瓷   碳纤维   多级增强   碳纳米管   力学性能  

摘要： 本课题利用化学气相沉积法,乙酸镍作为催化剂前驱体,利用环己烷作为气相碳源,成功在连续碳纤维（CF）表面原位合成了碳纳米管(CNT),制成了CNTCF多级增强体;通过控制催化剂浓度和生长温度,探究碳纳米管的生长规律;并进一步研究了碳纳米管的生长机理;将不同条件下制备的CNT-CF多级增强体,复合到锂铝硅（LAS）陶瓷基体中,成功制备CNT-CF/LAS复合材料;探究了多级增强体对复合材料的力学性能和失效形式等影响。主要得到以下的研究结果:催化剂溶液的浓度对碳纳米管的生长有很大的影响,合适的催化剂浓度为2 wt%,这个催化剂浓度下,碳纳米管分布均匀;生长温度对碳纳米管的形貌有很大的影响:500℃-600℃的生长温度的条件下,碳纳米管长度最短,碳纳米管层厚约为200-400 nm,缺陷较少;700℃-800℃的生长温度的条件下,碳纳米管层厚达到2-3μm,纳米管中开始出现竹节状和念珠状的形貌;900℃的生长温度下,碳纳米管的长度分布不均匀,出现大量的竹节和念珠状的形貌,同时卷曲的现象更加严重,碳纳米管层约为3μm左右。碳纳米管的生长机理在低温下为气固固机制,在高温时为气液固机制,生长模式为顶端模型,制备出来的碳纳米管为多壁碳纳米管,影响碳纳米管生长速率和形貌的直接因素是温度和碳源气氛,不稳定的局部气氛会使碳纳米管出现竹节,念珠状和卷曲形貌;利用环己烷为碳源,在碳纤维表面制备了一层热解碳（Py C）,这层热解碳对碳纳米管的生长几乎没有影响。利用CNT-CF制备的CNT-CF/LAS复合材料的力学性能不仅没有得到提升,反而有所下降。造成性能下降的主要原因是引入了镍,在高温下刻蚀碳纤维,在碳纤维上造成原始裂纹,使碳纤维迅速断裂失效;利用CF（P）制备了CF（P）/LAS复合材料,其弯曲性能提升了19%,达到了505 MPa,并且断裂过程之中并不会在最大载荷处立即断裂,表现出了一定韧性,复合材料的断裂韧性和断裂功得到提升,断裂韧性和断裂功分别增加了17%和34%,达到了8.8MPa?m1/2和3.5 k J?m-2。造成强化的主要原因是为引入热解碳后,裂纹可以在热解碳层和碳纤维的界面上传播,吸收更多的断裂功;利用CNT-CF（P）制备的CNTCF（P）/LAS复合材料弯曲强度达到了602 MPa,断裂韧性和断裂功达到了10.7MPa?m1/2和4.6 k J?m-2;CNT-CF（P）/LAS复合材料中存在的CNT/LAS层可以使裂纹被碳纳米管偏转,使得材料的力学性能提升;CNT/LAS层对材料性能提升的强度与CNT层的厚度有关,越厚的CNT层所形成的CNT/LAS层的厚度越大,强化效果越好,而碳纳米管的形貌对性能影响不大。

关键词： 碳硅比   SiC陶瓷   高温演化   氧化行为   陶瓷基复合材料   力学性能  

摘要： 先驱体转化法是制备SiC陶瓷材料的重要方法。以聚碳硅烷作为先驱体,裂解转化制备的SiC陶瓷材料,其元素组成往往偏离化学计量比,呈高碳硅比组成的特征。碳硅比对SiC陶瓷材料的微观组成、结构和性能具有重要影响,但相关的研究和认识较少。因此,本文探索利用富硅的聚甲基硅烷(PMS)掺混聚碳硅烷(PCS),通过两种先驱体共混物在加热过程中热交联-原位裂解重排反应,调节基体的C/Si元素比,制备得到不同C/Si比例的SiC陶瓷材料,系统研究C/Si比对陶瓷的微观晶体结构、高温演化、氧化性能和烧结特性的影响,探讨了不同C/Si比例SiC陶瓷基体与增强纤维的相容性及所制备复合材料的机械性能。主要内容如下:(1)研究了不同碳硅比SiC陶瓷的制备和组成。将不同比例的PMS和PCS混合热交联,可得到陶瓷产率高达80%以上的先驱体;先驱体在1200℃裂解制备SiC陶瓷的C/Si与原料中PMS所占的质量含量成线性关系,当PMS的质量含量为70%时,SiC陶瓷中的C/Si接近1。SiC陶瓷主要由b-SiC相和非晶SiCO相组成,随C/Si的增大,陶瓷中C含量增加,Si含量减少。C/Si>1的PCS-SiC中含有单质C,C/Si<1的PMS-SiC中含有单质Si,C/Si接近1的PMC-70-SiC中不含单质Si,主要为无定型相包围的SiC微晶。(2)对SiC陶瓷在1600℃和1800℃热处理后的组成结构进行分析,研究了不同碳硅比SiC陶瓷的高温演化。研究发现,随处理温度的提高,SiC陶瓷中的非晶SiCO相逐渐分解,1800℃处理后的SiC陶瓷中有极低的SiCO相含量,SiC晶粒和自由C相的有序化程度逐渐增大;C/Si>1的PCS-SiC中的富余C相将从SiC晶粒中析出,并在表面和晶界处富集,抑制SiC晶粒的生长,1800℃处理后的SiC晶粒大小仅为39.2 nm;C/Si接近1的PMC-70-SiC向近化学计量比的SiC转变,在1800℃处理后,非晶相基本消失,SiC晶粒急剧生长至100 nm以上,同时出现较为明显的孪生晶界和堆垛层错等晶格缺陷;C/Si<1的PMS-SiC陶瓷中的Si相经1600℃以上温度热处理后易挥发流失,从而使得陶瓷中的C/Si比接近1,晶粒生长明显。(3)对SiC陶瓷在800℃-1600℃的空气中进行等温氧化,研究了不同碳硅比SiC陶瓷的氧化行为。SiC陶瓷因SiC氧化而发生氧化增重,生成的氧化膜对SiC起到了较好的保护作用,但Si O膜会因相变导致体积收缩和开裂,形成氧扩散通道,导致1600℃下SiC陶瓷的氧化程度明显加剧;SiC陶瓷经1600℃热处理后,C/Si>1的PCS-SiC中析出的自由C相在800℃下氧化,出现了5%的氧化失重,并在材料内部形成大量氧扩散通道;热处理提高了SiC的结晶性,C/Si接近1的PMC-70-SiC的氧化程度明显降低,1600℃下的氧化增重率由19.0%降低至9.8%。(4)采用热压烧结工艺,研究了不同碳硅比SiC陶瓷的低温和高温烧结特性。研究发现,Si相的存在有利于SiC的低温烧结,PMS-SiC在1400℃可发生一定程度的烧结;PCS-SiC中的自由C相可作为烧结助剂,在2100℃可烧结制备相对更致密的SiC陶瓷,但其硬度和弹性模量相对较低,弹性模量为295 GPa,PMC-70-SiC和PMS-SiC具有与纯SiC单体陶瓷相当的弹性模量,在400 GPa以上,PMS-SiC与纯SiC单体陶瓷还具有相似的开孔率、密度、物相结构和硬度。(5)通过C/SiC束丝复合材料的制备,研究了不同先驱体与C纤维的相容性。PCS-SiC对C纤维的损伤最小;PMC-70-SiC及PMS-SiC均存在Si对纤维的侵蚀,1600℃制备的束丝复合材料中,二者对纤维性能造成的损伤更严重;C纤维表面裂解C涂层的制备可有效缓解SiC基体中的Si对C纤维的侵蚀,使得C/PMC-70-SiC和C/PMS-SiC的最大拉伸载荷提高了140%,与C/PCS-SiC相当。(6)采用PIP工艺,在1600℃制备了mini和宏观C/SiC复合材料,研究了不同基体对材料性能的影响。高基体模量有利于材料性能的提升,C/PMC-70-SiC mini复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别为474.71 MPa和133.60 GPa;C/PMS-SiC中因浸渍裂解周期的增多而存在Si对C纤维的侵蚀,但侵蚀程度相对较弱,拉伸强度和拉伸模量分别为391.52 MPa和88.60 GPa;在C/PMC-70-SiC和C/PMS-SiC mini复合材料中,SiC基体呈颗粒堆积的形式,填充在复合材料内部。经15个浸渍裂解周期制备的宏观复合材料中,因先驱体的浸渍效率不高,C/SiC复合材料的孔隙率仍在15%以上;C/PMC-70-SiC的弯曲强度达202.3

关键词： 新型轻质陶瓷基复合材料   有限元建模   缺陷   性能   图像处理  

摘要： 陶瓷基复合材料因其优良的耐高温性能、热稳定性能以及低密度的特点在能源环保、航空航天和生物医学等领域被广泛应用。随着制备工艺的完善,材料原本的脆性已有所降低,但受制备原料纯度、制备环境稳定性和使用过程中的外力因素的影响,材料可能出现微观缺陷,在实际应用中造成重大损失,因此研究缺陷对性能的影响是十分必要的。本文以一种新型轻质陶瓷基复合材料为研究对象,对材料的建模及分析方法进行研究,得到微观缺陷对材料性能的影响规律。具体研究内容分为以下三个方面:1)针对该新型轻质陶瓷基复合材料的微观特性,本文利用扫描电镜和粒径分析软件对其进行扫描分析,得出该材料内部纤维的搭建结构与组成成分,通过计算材料的孔隙率与密度来确定材料类型。利用图像处理的方法对电镜图像中纤维取向进行统计,结果表明在面内方向纤维无明显取向,截面方向纤维取向成正态分布,其取向特征与各向异性层合板分布规律一致。2)针对复杂的内部结构,通过ANSYS Workbench软件建立有限元模型,根据仿真模型数据研究分析材料的基本热力性能。在模型的垂直方向施加外力并观察纤维变形程度,得出该材料具有有效缓解此方向外力冲击的能力,同时验证了材料整体的弹性模量与孔隙率和内部纤维直径之间的关系。材料纤维间的空隙降低了整体的导热系数,且材料有机物在高温条件下分解吸热减少材料内部传递的热量,起到整体隔热的效果。3)针对含缺陷的纤维模型受加载外力后的性能变化,利用CT扫描技术对纤维模型内部缺陷进行检测,结合缺陷检测结果并利用有限元仿真方法对含横向纤维断裂缺陷和纵向纤维断裂缺陷的有限元模型进行研究分析,发现在面内方向施加载荷时更易发生断裂。另外,当材料处于1000℃的高温下时有机物受热分解,由此导致材料整体强度下降。因此,本文的研究工作对于多孔层合板材料缺陷的性能影响研究具有重要意义。

关键词： 陶瓷基复合材料   碳纳米管(CNTs)   分子级共混法   喷雾干燥  

摘要： 碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)具有良好的电学、热学、力学性能及较高的化学稳定性,被认为是一种增强陶瓷基复合材料的理想增强体。受CNTs在陶瓷基体中的分散性,CNTs与基体材料的界面结合性及CNTs结构的完整性等问题影响,碳纳米管对陶瓷材料的增强作用并没有达到理论值。因此在尽量保持碳管结构完整性的同时,如何将CNTs均匀分散到陶瓷基体中,并提高其与基体的界面结合性是提高CNTs增强效果的关键。本研究采用分子级共混法制粉,热压烧结制备了力学性能优异的CNTs增强氧化铝基复合材料。通过将CNTs分散于铝盐溶液中,通过对PH值的调整,使溶液体系形成沉淀并包裹碳纳米管,随后经过抽滤、洗涤、干燥后得到CNTs/水合氧化铝复合粉末,之后经预烧、热压烧结后得到CNTs增强氧化铝基复合材料。研究表明,分子级共混法使前驱体AlCl·6HO在氨水的作用下形成水合氧化铝颗粒,部分生长在CNTs上,部分分散于溶液中,过滤、洗涤后形成滤饼,之后通过使用不同的干燥方式对其进行干燥。其中采用喷雾干燥得到的粉末具有很高的球形度,粒度在0.5μm之间,碳纳米管大多被包覆于球形颗粒内部,少部分裸露于颗粒表面,未发现团聚的CNTs或游离于颗粒之外的CNTs。经过预烧后,氧化铝晶型转变引起体积收缩,复合颗粒最终为带有一定孔隙的球形复合粉末。本研究采用的制粉方法对CNTs结构的破坏性小,且具有较好的分散性。本研究采用热压烧结法烧结复合粉末,制备复合块体,并对材料的致密度、硬度、抗弯强度、断裂韧性等力学性能进行测试,用拉曼光谱表征CNTs结构的完整性,采用扫描电子显微镜对复合块体的微观形貌结构进行分析。最终研究表明,1500℃热压烧结后,随着碳管质量分数的增加,复合材料的抗弯强度与断裂韧性逐渐提高,相对密度与硬度略微下降,当CNTs质量分数达到2wt%时抗弯强度与断裂韧性分别达到498.3MPa和5.69MPa·m (比纯氧化铝分别高55.3%与84.7%)。随后随着CNTs含量的增加,相对致密度开始急剧下降,其他力学性能随之下降。2wt%CNTs在1700℃热压烧结后,相对密度与硬度明显比1500℃下烧结的样品有所提高,但抗弯强度与断裂韧性相差不大,分别下降了3.0%与0.4%。通过对拉曼光谱的分析,证明了CNTs在本实验中的结构保持比较完整。通过对复合材料的扫描电镜图进行分析,研究了CNTs在复合材料中的分布状态及增韧机制。通过对CNTs拔出形态的分析,判断出碳纳米管与基体之间有一定的界面结合力。此外,通过SEM发现,碳管的拔出、桥连、裂纹偏转等增韧机制的共同作用于复合材料,提高复合材料的力学性能。

关键词： 舱段   对接接头   螺栓组   载荷分配   均匀化   刚度  

摘要： 自上世纪70年代陶瓷基复合材料问世以来,航天与核能工程推动陶瓷基复合材料迅猛发展。21世纪,高超声速武器成为新的研究焦点,并成为大国之间战略竞争的重中之重。陶瓷基复合材料作为热结构/功能一体化的新材料,凭借其高温下优越的综合性能,在高超声速飞行器中的应用越来越广泛。随着制备工艺的不断发展,陶瓷基复合材料的力学性能越来越好,其应用场合逐渐从非承力构件发展到主承力构件当中。因此在高应力水平区域,陶瓷基复合材料与其它高温合金的混合连接需要进行特别的精心设计以承受严酷的复杂的载荷。在舱段级段间对接面及其纵向加强结构件连接接头设计中,螺栓一般以螺栓组的形式进行设计,螺栓的载荷分布按照静不定结构的刚度分配准则,。然而形成舱段之间的螺栓连接刚度的影响因素众多,在复杂接头中很难直接进行解析求解得到,工程上一般借助有限元仿真考察载荷在接头的传递。由于螺栓布局受到舱段结合面形状限制,螺栓组在传递复杂而严酷的外载荷时,不同螺栓上的载荷分配往往过度不均,造成严重降低了结构的整体承载能力。在某型飞行器舱段的新材料应用、新构型研发设计时,多钉连接载荷均匀化,提高接头强度是一个设计难点。为了提高承载能力,结构设计需要解决陶瓷基复合材料舱段级段间与金属混合连接结构的钉载均匀化问题。本文首先研究了若干典型螺栓连接的二维仿真模型的计算原理,通过典型算例与三维实体模型计算结果的对比,验证了二维仿真模型的误差满足工程需求,并验证了Spot-weld单元对于实际工程中复杂连接结构的多排多列的钉载分配问题的适用性。然后借助Patran/Nastran商用有限元仿真软件,将Spot-weld单元拟合钉元的二维仿真模型应用到陶瓷基复合材料舱段级段与金属混合连接结构载荷分配的实际工程问题当中,建立了陶瓷基复合材料级段间对接结构的总体模型与局部模型,并提出“等刚度点法”用于指导对接接头上螺栓组排布的设计,调整连接结构局部刚度,使盒型接头中螺栓组在载荷分配上更加合理,提高了接头的强度。本论文方法对类似螺栓组接头设计具有很好的理论和工程参考价值。

关键词： 陶瓷基复合材料   前驱体浸渍裂解法   力学性能   高温稳定性  

摘要： 迅猛发展的航空航天、国防军事、核能等高科技工业，对耐高温耐腐蚀抗氧化的承载材料有着迫切的需求，以满足航天飞机、火箭、战斗机、巡航导弹等先进航天装备热结构件高温服役要求。连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMC)因在继承陶瓷基材料优点的同时有效解决了陶瓷材料的致命缺点—脆性，成为了上述高温热结构件研制的重要候选材料体系。随着陶瓷基复合材料应用的推进，目前材料的研制成本已成为了重要的考量因素。目前Cf/SiC复合材料是上述航天装备热结构件研制的首选材料，但也存在研制成本较高的问题。在采用有机前驱体浸渍-裂解(PIP)工艺制备陶瓷基复合材料的过程中，降低前驱体成本和缩短制备周期是降低研制成本的两个控制手段。与SiC复合材料制备过程所采用的聚碳硅烷相比，聚硅氧烷材料成本可降低约一个数量级且具有更高的陶瓷产率，而所获得的SiOC陶瓷在空气中1100℃氧化处理后化学组成与微观结构没有明显变化，表现出优异的高温稳定性与抗氧化性能，因此基于SiOC的陶瓷基复合材料有望应用于1100℃以下先进航天装备热结构材料的研制。面向上述问题，本文根据航天装备热结构件所面临的服役温度范围进行分级，开发针对1000℃左右的陶瓷基复合材料体系，针对性地开发高效制备工艺并研究其微观结构演化机制和对材料性能的影响规律。　　Cf/SiOC复合材料的高温稳定性与SiOC基体的热稳定性密不可分，而SiOC陶瓷的热稳定性又取决于其自由碳含量。基于此，本文选择了MK树脂（聚甲基倍半硅氧烷）作为低自由碳含量SiOC陶瓷的前驱体，研究了MK树脂转化SiOC陶瓷过程中的粘温特性、交联机理、裂解行为，同时也分析了SiOC陶瓷在高温下的成分、微观结构演化规律，对SiOC陶瓷的高温稳定性进行了分析;根据MK树脂的粘温特性和交联机制，本文提出了一种基于固态前驱体熔融浸渍的新型前驱体浸渍裂解法(PIP)，实现Cf/SiOC复合材料的低成本高效制备，并对制备过程中涉及到的致密化特征、微结构演化规律等科学问题进行了探讨;此外，本文以Cf/SiOC复合材料的力学性能为出发点，对复合材料进行不同温度的高温热处理，分析了高温下材料的微观结构及力学性能演变趋势，探讨了热解碳界面结构对Cf/SiOC复合材料的力学性能及高温稳定性的影响。　　研究表明，对于添加磺酸交联剂的MK树脂，当添加量为0.01wt.％时，在160℃条件下有较优的粘度及固化周期可较好的满足陶瓷基复合材料熔融浸渍需要。交联机理为MK树脂的Si-OH、Si-OEt以及交联剂磺酸的RSO3-H之间的缩合反应，形成了Si-O-Si三维网状结构。MK树脂在1000℃时已完全转化为SiOC陶瓷，陶瓷产率高达85wt.％,SiOC陶瓷的碳含量(12.98wt.％)和自由碳含量（2.92wt.％）均很低。在1400℃以下，SiOC陶瓷中虽存在[Si(O，C)4]四面体的结构重排、自由碳的有序化及微弱的碳热还原反应，但是元素组成较为稳定。1400℃以上，碳热还原反应逐渐明显，造成SiOC陶瓷较为明显的失重及物相变化。本文采用的改进PIP工艺仅通过8次PIP循环实现最大致密化，制得的三维针刺Cf/SiOC复合材料气孔率为6.2％，密度达1.81g/cm3，弯曲强度达312±25MPa。对Cf/SiOC复合材料进行高温热处理后，其在1200℃时强度保留率为92％，具有优异的稳定性;但是在更高温度下进行热处理后，由于碳纤维与基体发生碳热还原反应而受损，导致其稳定性显著恶化。当热处理温度为1400℃时，其强度保留率仅为热处理前的55％。本研究通过增加Cf/SiOC复合材料的热解碳界面层厚度(400～700nm)，以隔绝SiOC陶瓷基体与C纤维之间的碳热还原反应，成功提高了Cf/SiOC复合材料的高温稳定性，其在1500℃下的强度保留率仍有90％。