关键词： Additive manufacturing   Ceramics   Composites   Functionally graded material   Material extrusion   Support material  

摘要： Ceramic On-Demand Extrusion (CODE) is a recently developed freeform extrusion fabrication process for producing dense ceramic components from single and multiple constituents. In this process, aqueous paste of ceramic particles with a very low binder content (<1 vol%) is extruded through a moving nozzle to print each layer sequentially. Once one layer is printed, it is surrounded by oil to prevent undesirable water evaporation from the perimeters of the part. The oil level is regulated just below the topmost layer of the part being fabricated. Infrared radiation is then applied to uniformly and partially dry the top layer so that the yield stress of the paste increases to avoid part deformation. By repeating the above steps, the part is printed in a layer-wise fashion, followed by post-processing. Paste extrusion precision of different extrusion mechanisms was compared and analyzed, with an auger extruder determined to be the most suitable paste extruder for the CODE system. A novel fabrication system was developed based on a motion gantry, auger extruders, and peripheral devices. Sample specimens were then produced from 3 mol% yttria stabilized zirconia using this fabrication system, and their properties, including density, flexural strength, Young’s modulus, Weibull modulus, fracture toughness, and hardness were measured. The results indicated that superior mechanical properties were achieved by the CODE process among all the additive manufacturing processes. Further development was made on the CODE process to fabricate ceramic components that have external/internal features such as overhangs by using fugitive support material. Finally, ceramic composites with functionally graded materials (FGMs) were fabricated by the CODE process using a dynamic mixing device.

关键词： SiC纳米线   SiOC陶瓷先驱体   SiZrOC陶瓷先驱体   TaSi2抗氧化涂层  

摘要： 连续碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMC)是一种理想的热防护材料,相对于传统的脆性陶瓷隔热瓦材料,它具有高孔隙率、低密度、强韧化、高可靠性和良好的高温稳定性等优点,必将成为高超声速飞行器热防护系统中重要的候选材料。本论文针对新一代高超声速飞行器对新型防隔热一体化材料的实际需求,系统研究了Cf/Si(Zr)OC陶瓷基复合材料的微结构调控及性能,提出了原位生长Si Cnw增强Cf/Si OC陶瓷基复合材料的制备方法,并在复合材料表面制备了多元Ta Si2基梯度化涂层,通过氧化烧蚀试验方法对复合材料的抗氧化性能进行了评价。考察了Si OC陶瓷先驱体及Cf/Si OC陶瓷基复合材料的制备工艺及性能。研究发现,采用分子设计理论,以甲基三甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷作为结构单体,可以合成新型的Si OC陶瓷先驱体。当甲基三甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷的比例为4:1时,陶瓷产率最高可达81.6%。采用先驱体浸渍-裂解(PIP)工艺,制备了不同密度的Cf/Si OC陶瓷基复合材料,研究了其力学性能和热物理性能。当浸渍裂解次数由一次增加至三次时,复合材料的压缩强度由0.99MPa增加到3.21MPa,导热系数由50°C时的0.1566W·(m·K)-1上升至1200°C时的0.5643W·(m·K)-1,热膨胀系数由200°C时的2.458×10-6/°C上升至1200°C时的2.843×10-6/°C。在空气环境下,复合材料的失重率从33.3%降低至20.2%。提出了原位生长Si Cnw增强Cf/Si OC陶瓷基复合材料的制备方法。以甲基三氯硅烷为先驱体,采用化学气相渗透工艺,在碳纤维三维编织体表面原位生长了Si Cnw,揭示了Si Cnw的生长机制,制备了Cf/Si Cnw/Si OC陶瓷基复合材料,相比Cf/Si OC陶瓷基复合材料,其力学性能和热物理性能均得到提高。当浸渍裂解次数由一次增加至三次时,Cf/Si Cnw/Si OC陶瓷基复合材料的压缩强度从2.13MPa提升至6.16MPa。相同热环境下,复合材料的热导率降低,比热容和热膨胀系数均增加。在空气环境下,复合材料的失重率从30.1%降低至18.7%。提出了在Si OC先驱体中引入Zr元素提高复合材料热稳定性的新工艺。以聚甲基氢硅氧烷和正丙醇锆为原料,合成了Si Zr OC陶瓷先驱体,揭示了其聚合机理。结果表明,将Zr元素引入Si OC陶瓷体系中,提高了先驱体陶瓷的高温稳定性,同时陶瓷产率随着Zr/Si比的增加而增加。探究了温度对Si Zr OC陶瓷裂解行为的影响,随着裂解温度的升高,Si Zr OC陶瓷的高温稳定性增强。采用浸渍-裂解工艺制备了Cf/Si Zr OC陶瓷基复合材料。研究了不同密度的Cf/Si Zr OC陶瓷基复合材料的力学性能和热物理性能,当浸渍裂解次数由一次增加至四次时,复合材料的压缩强度由24.70MPa增加到53.54MPa,热导率随浸渍-裂解次数和温度的增加而增大,失重率从43.30%降低至11.32%。在Cf/Si Zr OC复合材料表面制备了多元Ta Si2基梯度化抗氧化涂层,提高了复合材料的抗氧化性能。涂层组分以硼硅酸玻璃为粘结剂,加入具有高发射率的Ta Si2和Mo Si2,同时加入Si C晶须增韧,经过1400°C高温烧结制备而成。静态氧化温度为1500°C,氧化时间为20min～120min。经过120min考核后,复合材料的失重率为7.43%,表明涂层具有较好的抗氧化性能。氧-乙炔火焰烧蚀实验结果表明,当表面烧蚀温度分别为1400°C和1500°C,烧蚀时间1000s时,试样的质量烧蚀率分别为5.31×10-5g/(s·cm2)和5.60×10-5g/(s·cm2),线烧蚀率分别为1.3×10-4mm/s和4.1×10-4mm/s,涂层显示出优异的抗烧蚀性能。当表面烧蚀温度为1600°C时,涂层能承受住200s的烧蚀,随着热流密度的增加,涂层表面的硼硅酸玻璃挥发严重,会出现大量的“烧蚀坑”,导致涂层表面的致密度下降。经1600°C/800s烧蚀后,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.96×10-4g/(s·cm2)和4.7×10-3mm/s。

关键词： SiC/SiC复合材料   高温应力-氧化环境   氧化动力学模型   剩余拉伸性能   水蒸气环境  

摘要： 碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC)因其具有耐高温、抗氧化、低密度、高强度等特点而成为新一代航空发动机热端部件材料的重要候选材料。在该材料服役过程中需要承受高温氧化环境、复杂应力等多种环境因素的耦合作用。其中,高温氧化环境直接促使材料发生氧化,进而导致其力学性能下降,而应力的存在则加剧了氧化进程。因此本文对SiC/SiC复合材料在高温应力-氧化环境下的拉伸性能开展研究,并预测材料氧化后的剩余拉伸性能,为SiC/SiC复合材料的设计和使用提供参考依据。本文首先基于经典传质学理论和SiC/SiC复合材料组分的氧化机理,结合基体裂纹开裂模型,发展了高温应力-氧化环境下单向SiC/SiC复合材料的氧化动力学模型。在模型中综合考虑了复合材料在氧化过程中出现的C界面消耗、SiC基体和纤维氧化导致的体积膨胀以及固体氧化产物封填气体扩散通道等氧化行为,模拟了高温应力-氧化环境下材料内部几何结构的演变行为。该模型选用质量变化率作为衡量氧化程度的参数,通过和试验结果的对比,验证模型的有效性。在氧化动力学模型的基础上,本文考虑了组分材料的氧化行为对其自身力学性能的影响,发展了SiC/SiC复合材料组分性能退化分析方法,建立了高温应力-氧化环境下SiC/SiC复合材料剩余拉伸性能预测模型,预测了材料在氧化一定时间后的剩余强度和剩余刚度。预测结果和试验数据的对比结果表明,该预测模型能够有效反映实际材料的拉伸性能退化规律,具有一定的应用价值。针对实际服役过程中,燃气中的水蒸气对复合材料的氧化作用,本文基于组分在水蒸气环境中的氧化机理,对上述氧化动力学模型中使用的氧化参数进行修改,从而建立了高温水蒸气环境中SiC/SiC复合材料的氧化动力学模型和剩余拉伸性能预测模型,并模拟了材料在水蒸气环境中的氧化行为和拉伸性能退化规律,为后续的研究奠定了基础。

关键词： 氧化铝纤维   陶瓷基复合材料   溶胶-凝胶工艺   力学性能   微观结构  

摘要： 近年来,随着航空发动机日新月异的发展,对热端部件材料的要求越来越严苛,传统的合金材料已无法满足其需求。作为连续纤维增韧陶瓷基复合材料的重要分支,连续氧化物纤维增韧氧化物基复合材料具有优异的抗氧化性能,能够在高温含氧环境下长时间工作,同时力学性能和部件结构能保持相对稳定。由于连续氧化物纤维增韧氧化物基复合材料具有高强度、高模量、抗氧化、抗热震、耐腐蚀等优异性能,已作为航空航天领域热端高温部件的新兴候选材料。本文以研制高性能的Oxide/Oxide复合材料为目标,开展了AlO/AlO复合材料的制备与性能研究。AlO纤维的型号是Nextel 610（3M,USA）,是高纯度的AlO纤维,内含99%的α-AlO。纤维成分在高温环境下保持相对稳定,没有相变反应的发生。但是,AlO纤维的晶粒尺寸会随着热处理温度的提高而逐渐增大,纤维的晶粒尺寸过大会导致纤维的力学性能严重下降。1200℃是AlO纤维结构及性能发生转变的关键温度点,在1200℃以下热处理后纤维内部晶粒尺寸变化较小,纤维的强度保留率高;在1200℃以上热处理后纤维晶粒增大明显,纤维的强度保留率低,在1400℃热处理2h后纤维强度保留率不足50%。此外,通过Weibull分布统计结果可知,随着热处理温度的提高,形状参数m逐渐减小,表明纤维单丝拉伸强度离散性越来越大。AlO溶胶具有较高的固含量（20%）、均匀适中的粒径（10～15nm）、较低的黏度（8mpa·s）、较高的陶瓷产率（～20%）等优良品质。AlO溶胶在无机化过程中会发生γ-Al O（OH）→γ-AlO→α-AlO相变过程。AlO陶瓷的烧结程度随着温度升高而不断增大。在1400℃烧结时,AlO陶瓷的密度达到了最大,为2.23g/cm,孔隙率最小,为12.58%。此外,随着烧结温度的提高,AlO陶瓷的弹性模量和硬度也不断增大。在1400℃下烧结过后,AlO陶瓷的弹性模量和硬度都达到了最大值,分别为63.6GPa、1.87GPa。研究了不同制备温度与AlO/AlO复合材料性能之间的关系。AlO/AlO复合材料的致密化程度随着制备温度的提高而不断增大,在1400℃下制备出的复合材料的密度最高,达到了2.70g/cm,孔隙率最小,为12.33%。随着制备温度的提高,复合材料的弯曲强度呈现先升高后降低的变化趋势。其中,在1100℃制备的AlO/AlO复合材料的力学性能达到最佳,弯曲强度达到了147.63MPa,弹性模量为50.48GPa。结果表明,在溶胶-凝胶工艺中,1100℃是制备AlO/AlO复合材料的最佳温度。对在1100℃制备的AlO/AlO复合材料的性能进行表征。在室温下,复合材料的比热容、热扩散率和热导率分别为0.78J/（g·K）、0.77 m/s和1.44W/（m·K）,复合材料的热膨胀系数为5.46×10 K。在室温下,AlO/AlO复合材料的介电常数平均值为4.33,损耗角正切平均值为0.021。经过不同温度热处理后复合材料的强度都有不同程度的降低,在1500℃处理一个小时后,复合材料的弯曲强度已不足50%。在高温环境下,复合材料的力学性能都有很大程度的降低,在1300℃下复合材料的拉伸强度保留率已不足50%,仅有39.12MPa;而复合材料的弯曲强度保留率仅有30%,仅有42.52MPa。AlO/AlO复合材料具有优异的抗热震性能,在1300℃下,经过50次热震试验后,复合材料的弯曲强度为124.34MPa,弯曲强度保留率较高,接近85%。AlO/AlO复合材料的耐烧蚀性能良好,在2200℃下测试120s后,线烧蚀率仅有0.00321mm/s,质量烧蚀率仅有0.00156g/s。烧蚀后样品都没有出现明显的裂纹、烧蚀坑洞或者洞穿的情况,并保持了原有的平板形状,复合材料具有一定的结构完整性和可靠性。通过制备Py C界面相涂层来弱化纤维与基体的界面结合强度,结果表明具有Py C界面相的复合材料在1500℃热处理一个小时后的强度更高,达到了80.62MPa,强度保留率接近65%。并且,断口处纤维拔出明显,呈现韧性断裂。通过制备Zr O与YO环障涂层提高复合材料的耐烧蚀性能,结果表明具有涂层的复合材料在烧蚀过后受到的影响较小,环障涂层作为牺牲阻挡层,较好的保护了复合材料结构的完整性。两种涂层在烧蚀过后,都未发生明显的脱粘、分层效应,涂层仍然与复合材料的表面紧密结合。

关键词： 陶瓷悬浮体   分散剂失效   原位凝固   陶瓷基复合材料   机械性能  

摘要： 陶瓷成型工艺是获得高性能、高可靠性陶瓷及其复合材料的关键工序之一。陶瓷分散剂失效原位凝固注模成型工艺是通过分散剂的可控失效来实现陶瓷悬浮体原位固化的一种新型成型方式。针对氮化铝粉体易水解的特性及碳纳米管在氧化铝悬浮体分难以分散等问题,本论文基于分散剂的分散稳定机制,选取相应的分散剂,制备了高固相含量、低粘度的非水基氮化铝陶瓷悬浮体和碳纳米管-氧化铝混合陶瓷悬浮体;利用陶瓷分散剂失效工艺原理,实现了非水基氮化铝悬浮体和碳纳米管-氧化铝混合悬浮体的原位凝固;并结合烧结工艺获得了性能良好的氮化铝陶瓷和碳纳米管-氧化铝复合陶瓷材料。主要研究内容及所得结论如下:(1)依据分散剂的分散稳定机制,采用油酸作为分散剂,正辛烷作为溶剂,实现了氮化铝粉体在有机溶剂中的稳定分散;研究了分散剂添加量以及固相含量对悬浮体流变性能的影响,通过控制油酸的用量和悬浮体固相含量,制备了分散性良好的半空位稳定非水基氮化铝悬浮体。(2)采用低温诱导分散剂失效原位凝固注模成型工艺,低温下油酸从溶剂中析出,实现了半空间位阻稳定氮化铝悬浮体的原位凝固。研究了温度和固相含量对氮化铝悬浮体凝胶行为以及氮化铝陶瓷坯体与烧结体性能的影响。(3)采用聚异丁烯和马来酸酐共聚物Isobam作为分散剂,制备分散性良好的碳纳米管悬浮液和氧化铝陶瓷悬浮体,通过对Isobam的用量控制以及pH的调节制备了静电空间位阻稳定的碳纳米管-氧化铝混合悬浮体,研究了分散剂添加量、pH值对碳纳米管悬浮液以及氧化铝悬浮体分散性能的影响。(4)利用Isobam自凝胶的特性,高温下Isobam在悬浮体中发生交联或搭桥,实现了碳纳米管-氧化铝混合悬浮体的原位凝固;研究了温度和碳纳米管添加量对混合悬浮体流变性能、复合陶瓷坯体以及烧结体性能的影响。通过聚电解质分散剂Isobam交联失效可以制备碳纳米管-氧化铝复合陶瓷,使碳纳米管在氧化铝基体中均匀分布,有效的提升了氧化铝陶瓷材料的力学性能。

关键词： 二维编织陶瓷基复合材料   力学性能   多尺度分析   渐进损伤   有限元法  

摘要： 基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。

关键词： 发动机   GE   MRO   航空公司   风扇叶片   陶瓷基复合材料  

摘要： 整个亚太地区,对于B777X和GE9X这一全新的组合都有着强劲的市场需求,我们预计在中国也会有类似的强烈需求。IFLY:加入GE已近40年,请您用一句话概括GE在航空领域的持续创新。夏晨善:GE一直被公认为一个充满创新的企业,这么多年来,我们一直坚持将创新技术注入我们的产品。为客户创新技术和产品是GE的工作方式。

关键词： 碳纤维陶瓷基复合材料   机械密封   温度场   数值模拟  

摘要： 机械密封摩擦副材料的选择对密封的性能有很大的影响。碳纤维陶瓷基复合材料作为新兴复合材料,具有耐腐蚀性能优异、机械强度高、耐热性和热传导性能良好等特点,是机械密封副配对材料的很好选择。选用碳纤维陶瓷基复合材料作为机械密封摩擦副材料,用数值模拟方法得到其机械密封摩擦副间温度场的模拟值,并通过实验验证数值模拟的准确性。碳纤维陶瓷基复合材料应用于机械密封摩擦副时,密封在降低温升、减少泄漏及减少摩擦磨损方面改良效果明显。

关键词： 陶瓷基复合材料   多层界面相   应力分析   有限元法   细观力学  

摘要： 针对陶瓷基复合材料(CMCs)多层界面相的应力传递进行了有限元模拟。采用圆柱单胞模型描述CMCs的细观结构,按相应界面相亚层的实际厚度建立明确的界面相,并假设界面相亚层之间及界面相与纤维、基体之间初始完好结合,然后赋予各界面相亚层不同的材料参数,并采用轴对称有限元法进行求解,最终建立了多层界面应力传递的模拟方法。分别对比了不同厚度热解碳(PyC)界面相、PyC和SiC两种不同成分界面相及(PyC/SiC)和(SiC/PyC)两种结构界面相的应力传递模拟结果。从剪应力沿纤维方向分布及径向分布特点可以看出,通过合理配置CMCs内部多层界面相的结构、成分和厚度,可以实现界面相应力传递及失效模式的控制和优化。

关键词： Silicon carbide  

摘要： Reactive melt infiltration (RMI) is an important method for fabrication of Cf/ZrB2-ZrC-SiC ultra-high temperature ceramic matrix composites. However, due to the influence of RMI kinetics, composites fabricated by conventional RMI method may have the disadvantages of bulk metal residuals and fiber/interphase degradation, leading to poor properties of the composites. In this work, a novel approach was presented to fabricate high performance Cf/ZrB2-ZrC-SiC composites by sol-gel processing combining with RMI. Cf/B4C-C porous preform was prepared by introducing B4C-C porous body into the fiber preform via sol-gel method. Subsequently, Si-Zr melt was infiltrated into the Cf/B4C-C porous preform and reacted to prepare Cf/ZrB2-ZrC-SiC composites. The effects of the Cf/B4C-C porous structure on the RMI process and composite properties were systematically studied. Furthermore, the internal relationships of the pore structures on the matrix distribution, the interphase erosion and composite properties were revealed. It is indicated that the distribution of ZrB2-ZrC-SiC matrix can be optimized and the degradation of (PyC-SiC)2 interphase can be mitigated by flexibly tailoring the pore structures of Cf/B4C-C preforms, leading to greatly improved composite properties. When porosity and pore size of the Cf/B4C-C preform is 25.9% and 58.0 μm respectively, optimized microstructure and mechanical properties can be achieved in the fabricated Cf/ZrB2-ZrC-SiC composite. Ceramic matrix is distributed homogeneously among the intra-bundle and inter-bundle. The fiber reinforcements are well protected. Outstanding mechanical properties with a bending strength of 231 MPa is obtained. © 2018, Editorial Department of Journal of the Chinese Ceramic Society. All right reserved.