关键词： 国防科技工业   热结构材料   陶瓷基复合材料   航空航天   自主可控   关键材料   研究和应用   装备  

摘要： 陶瓷基复合材料作为先进热结构材料,具有高强度、耐高温、轻质等特点,是影响航空航天重要装备核心性能的关键材料之一。面向国防科技工业需求,推动该材料研究和应用对保障重要装备跨代发展和关键材料自主可控至关重要。

关键词： 陶瓷基复合材料   纤维损伤   烧结助剂   力学性能   界面反应  

摘要： 在制备C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)多相陶瓷基复合材料时,如何有效促进其烧结致密化过程,同时减少对碳纤维的损伤一直是该复合材料工程应用中面临的一大难题。通过在原料中添加B_(4)C-C_(g)、Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)、酚醛树脂等烧结助剂,采用热压工艺制备了C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)复合材料。采用XRD、SEM、EDS、力学性能测试等方法详细研究了烧结助剂类型及含量对复合材料微观组织、力学性能、碳纤维结构等的影响规律。结果表明,添加B_(4)C-C_(g)(2 wt.%)能够在一定程度上缓解碳纤维受到的损伤,复合材料的断裂韧度达7.39 MPa·m^(1/2),且呈现非脆性断裂模式。当B_(4)C-C_(g)的含量为4 wt.%时,过量的烧结助剂无助于复合材料力学性能的继续提高,也无法更加有效地避免碳纤维受到的侵蚀损伤。添加酚醛树脂加大了碳纤维与陶瓷基体之间分散的难度,纤维出现严重的团聚、架桥等现象,致使复合材料力学性能下降。添加Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)能显著提高复合材料的弯曲强度(σbb=147.45 MPa),但生成的YAG相对碳纤维侵蚀严重,纤维的拔出长度较短且表面粗糙,复合材料的断裂韧度为6.94 MPa·m^(1/2)。添加B_(4)C-C_(g)可以适当消除陶瓷粉体表面的氧化膜和杂质,促进原子扩散和复合材料致密化,同时能够在一定程度上减轻碳纤维受到的反应侵蚀损伤现象。

关键词： 陶瓷基复合材料   内嵌孔   加工方法   机械加工   超声振动辅助加工   激光加工  

摘要： 陶瓷基复合材料是一种典型的难加工材料,除了各向异性的特点外,其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼。航空发动机热端部件内嵌孔(气膜孔等)是陶瓷基复合材料部件的基本结构,对陶瓷基复合材料构件制备成型和服役性能的发挥具有重要意义。本文给出了陶瓷基复合材料热端部件内嵌孔的分类及用于加工陶瓷基复合材料内嵌孔的方法,包括常规机械加工方法、超声振动辅助加工方法、激光加工方法等,阐述了上述加工方法的加工原理、工艺特征、工艺参数的选取及加工缺陷特征、形成机制等,给出了不同直径、深径比陶瓷基复合材料内嵌孔加工工艺的建议。

关键词： 陶瓷基复合材料   熔渗法   涡轮动叶   榫头   分层缺陷  

摘要： 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)涡轮动叶榫头是动叶装配与承受离心载荷的关键。为了研究熔渗工艺制备CMC榫头在叶片旋转径向拉伸载荷下的力学行为,验证榫头内部质量对其静拉伸强度与破坏模式的影响,设计并制备燕尾形CMC高压涡轮动叶榫头元件试件,对其进行单轴静态拉伸实验,采用X射线CT无损检测对实验前试件内部质量进行扫描,采用DIC与声发射方法对实验过程进行监测。结果表明:燕尾形CMC榫头在单轴静态拉伸下保持完好接触,其静态拉伸强度与破坏模式对其内部质量(尤其是分层缺陷)非常敏感。试件不含分层缺陷时,损伤起始于榫头颈部,并迅速扩展,损伤起始载荷与最大破坏载荷接近,断口呈横向锯齿状;试件内部含分层缺陷时,损伤起始于缺陷,分层逐渐扩展并导致试件断裂,损伤起始载荷下降99.05%,最大破坏载荷下降14.29%,断口位置与分层缺陷一致。

关键词： 陶瓷基复合材料   单胞模型   随机损伤   概率分布   非参数方法  

摘要： 陶瓷基复合材料（CMCs）在使用过程中会产生纤维拔出、基体裂纹等内部损伤，进而对编织CMCs的力学性能造成影响。面向2.5维SiC_f/SiC编织CMCs，分别建立纤维束的微观有限元模型和编织CMCs的细观有限元模型；考虑内部损伤数量及位置的随机性，建立细观模型的力学性能参数的概率分布，研究损伤率对材料强度及杨氏模量的影响规律；通过参数方法和非参数方法同时拟合考虑内部损伤随机性的CMCs力学性能参数的概率分布。结果表明：随着损伤率的增加，编织CMCs强度的下降速率快于刚度；非参数方法获得的经向强度和杨氏模量概率密度函数曲线与样本直方图吻合较好。

关键词： 可磨耗环境障涂层   等离子喷涂   碳化硅陶瓷基复合材料   BSAS   高温性能  

摘要： 随着碳化硅陶瓷基复材制备的涡轮外环的逐步应用,与其匹配的可磨耗涂层技术需求迫切。本工作采用大气等离子喷涂技术,制备4层结构的BSAS(Ba_(0.75)Sr_(0.25)Al_2Si_2O_8)-聚酯基可磨耗环境障涂层(A/EBCs),探究工艺参数对可磨耗面层孔隙率的影响规律以及涂层在1300℃下的相结构和组织演变。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)对涂层相结构、微观组织及成分进行分析表征。结果表明:BSAS-聚酯基可磨耗面层的孔隙率为26.4%~36.8%,BSAS-聚酯粒子温度敏感的参量是主气(氩气)流量、辅气(氢气)流量和喷涂距离,速度敏感的参量是主气(氩气)流量;其中主气(氩气)流量同时对BSAS-聚酯的粒子温度和速度具有反向影响作用。该可磨耗面层在1300℃高温氧化300 h保持单斜相结构,组织和成分稳定,局部析出球状非晶氧化硅颗粒。采用高温高速刮削实验对涂层可磨耗性能进行评价,涂层表面发现纳米高温合金微粒黏附,叶片高度磨损比(IDR)为20%,达到可磨耗封严涂层使用要求。

关键词： 陶瓷基复合材料   激光   预制孔   超声辅助钻削   微小孔  

摘要： SiCf/SiC复合材料是典型的硬脆性难加工材料。为解决SiCf/SiC复合材料微小孔(<1 mm)加工难题,提高加工精度和改善加工质量,先采用脉冲激光预制SiCf/SiC微小孔,再在不同预制孔尺寸和加工参数下开展直径0.5 mm的SiCf/SiC微小孔超声振动辅助钻削加工试验,最终确定了合适的激光预制孔尺寸及超声振动辅助钻削加工参数域。结果表明:脉冲激光预制孔时存在的较大热影响区和微裂纹等缺陷,会明显影响后续超声辅助钻削微小孔的入、出口质量,推荐的预制孔直径为0.3 mm;超声振动辅助钻削加工时,选择主轴转速为11000~15000 r/min、进给速度为2~10mm/min,可获得加工质量较好的SiCf/SiC微小孔。

关键词： 陶瓷基复合材料   反应熔渗法   多孔碳陶瓷化   综述  

摘要： 连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高强韧、耐氧化的特性,现已成为航空航天领域重要的高温结构候选材料。反应熔渗法可实现陶瓷基复合材料的大规模、短周期和低成本制备,是目前最具有商业化前景的技术之一。然而,传统反应熔渗法制得陶瓷基复合材料存在着基体碳残留、纤维刻蚀等问题,导致材料力学与氧化-烧蚀性能不佳。为突破传统碳基体陶瓷化程度低的局限性,相关研究人员采用碳基体孔结构构筑方法,通过多孔碳基体取代传统熔渗预制体中致密碳基体,以促进碳基体的陶瓷化转变及反应熔体的消耗,进而实现陶瓷基复合材料的性能优化。本综述介绍了采用多孔碳陶瓷化策略制备SiC陶瓷、SiC/SiC复合材料、C/SiC复合材料及超高温陶瓷基复合材料的相关研究进展,并且通过与传统反应熔渗法对比,验证了多孔碳陶瓷化策略的优势,同时总结了相关多孔碳基体制备方法的发展演变过程,最后针对先进陶瓷基复合材料的基础理论与工艺技术需求,对多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法的未来发展方向进行了展望。

关键词： 碳纤维增强陶瓷基复合材料   烧蚀   表面涂层   基体改性  

摘要： 碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)在高温、有氧环境下的易氧化和易烧蚀问题,严重制约该材料在航空航天领域的广泛应用.表面涂层与基体改性技术是提高该材料抗烧蚀性能的有效手段.综述了目前难熔金属碳化物和硼化物,如SiC,ZrC,TaC,HfC,ZrB_(2),HfB_(2)等,CFRCMCs表面涂层与基体改性技术的研究进展,并提出了CFRCMCs表面涂层与基体改性研究中存在的问题及今后潜在的发展方向.

关键词： SiC_(f)/SiC复合材料   原位监测   数字图像相关   声发射   显微计算机断层扫描   综述  

摘要： 连续SiC纤维增强SiC(SiC_(f)/SiC)复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐照等优点,在先进航空发动机热端部件和核反应堆包壳等领域具有广阔的应用前景。SiC_(f)/SiC复合材料具有纤维、界面、基体等复杂的多尺度结构,其服役环境苛刻、损伤失效过程复杂,深刻理解与准确分析其在近服役环境下损伤失效模式对于材料和构件的可靠服役具有重要意义。传统的“事后分析”方法无法获取材料在复杂服役环境下的损伤失效过程数据,因此迫切需要发展面向高温服役环境的复合材料原位表征测试技术。本文介绍了基于扫描电子显微镜、数字图像相关、显微计算机断层扫描、声发射、电阻等原位监测方法的基本原理、优势与局限性,重点讨论了以上各种原位监测方法及多种原位监测方法联用在SiC_(f)/SiC复合材料高温环境力学表征中的最新研究进展。最后,总结了SiC_(f)/SiC复合材料高温环境原位监测技术存在的挑战,并对多种原位技术联用、太赫兹辐射等新型检测技术、复杂构件的损伤原位监测方法等未来发展方向进行了初步展望。