关键词： 陶瓷基复合材料   强度理论   界面脱黏   韧脆性转变   混合率  

摘要： 韧-脆性转变对于连续纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)的设计与性能评价具有重要意义.采用单纤维圆柱体模型,基于弹性力学理论、剪滞理论、纤维统计强度理论以及混合率,考虑细观损伤破坏机理、纤维近表面应力集中因子和界面脱黏能量释放率,建立了CMCs的跨尺度韧-脆性转变过程拉伸强度的表征预测模型,并将理论模型用于2D-C/SiC复合材料进行了初步对比论证.研究结果表明,混合率强度模型可合理表征CMCs韧-脆性转变过程的强度特性,并准确预测CMCs的韧-脆性转变界面力学条件,其对2D-C/SiC复合材料的强度预测值与实验数据吻合较好,揭示了纤维近表面应力集中效应对CMCs韧-脆性转变的核心作用机制.此外,考虑断裂纤维簇对应力集中的影响时,模型的强度预测值大幅度降低,表明非均匀界面性能和非均匀承载导致的局部纤维簇断裂核,对CMCs的承载性能具有显著削弱效应.

关键词： 碳纳米管   抗氧化   烧结温度   氧化铝   陶瓷基   热失重率  

摘要： 为研究复合材料的分散性能、高温稳定性及相变行为问题,研究碳纳米管增强陶瓷基复合材料的高温抗氧化性能。采用酸性液体处理碳纳米管,使用处理后的碳纳米管结合氧化铝陶瓷基材料制备出粉末材料,通过烧结将该粉末制备成碳纳米管增强陶瓷基复合材料块体。分析不同碳纳米管用量下该复合材料的氧化质量增长值及热失重率,通过微观分析确定烧结温度与烧蚀距离变化下,该复合材料的高温抗氧化性能。试验结果显示,碳纳米管用量为35%时,该复合材料的氧化质量增长值,以及热失重率均较低,高温抗氧化性能较好;烧结温度为1 500℃时,该复合材料内部较为紧密,不易出现氧化;烧蚀距离较近时,会导致该材料高温抗氧化性能被破坏,因此需要注意该材料的使用环境。

关键词： 陶瓷基复合材料   相变微胶囊   中高温储热   双层包覆   Al-Si合金  

摘要： 金属相变材料（PCM）因其储能密度大、相变温度范围宽、循环稳定性好以及导热系数高等优点在现代科技和工业的中高温（500-700℃）热管理领域具有广泛的应用前景。然而,在实际应用中仍面临两大难题:（1）在储能相变过程中熔融态金属的高化学活性易引发氧化与腐蚀,导致设备受损以及相变材料的潜热降低;（2）在封装使用时,金属PCM固液相变会产生显著的体积膨胀（典型金属相变体积变化率为3-8%）易导致封装结构失效。针对以上现状,本研究以Al-12wt%Si合金为储热芯材,采用“双层包覆-牺牲内层”的微胶囊封装策略,在对金属芯材进行封装保护的情况下,制备具有缓冲相变体积膨胀的空腔,制备出带空腔（Void）的CaCO3/Void/Al-12wt%Si相变微胶囊。再以氧化铝（Al2O3）陶瓷为支撑骨架,与相变微胶囊相结合,制备出一种兼具力学性能和热力学性能的中高温陶瓷基复合储能材料。本文的主要工作如下: （1）以Al-12wt%Si合金粉末为储热芯材,采用界面聚合法制备了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包覆的Al-12wt%Si/PMMA相变微胶囊。研究不同的工艺参数对相变微胶囊的影响,得出最佳的制备工艺。当Al-12wt%Si合金和甲基丙烯酸甲酯（MMA）的比例为1:1时,以过硫酸铵为引发剂,添加量为MMA质量的1.5%,在50℃下以350 rpm搅拌反应3小时,制备出覆盖率高,表面光滑的微胶囊。 （2）基于性能最优的Al-12wt%Si/PMMA微胶囊,在其表面通过自组装工艺覆盖了CaCO3陶瓷壳层,随后采用“双层包覆-牺牲内层”策略,对CaCO3/PMMA/Al-12wt%Si相变微胶囊进行热处理,使PMMA层完全分解,制备出具有应力缓冲空腔的CaCO3/Void/Al-12wt%Si相变微胶囊。研究了微胶囊的最佳制备工艺和热力学性能。结果表明,采用浓度为12 mmol/L的十二苯磺酸钠（SDBS）作为表面活性剂制备CaCO3陶瓷壳层,热处理温度为400℃,升温速率1℃/min,保温时间1h,得到的CaCO3/Void/Al-12wt%Si相变微胶囊具有良好的热力学性能,其熔化潜热达到393.8 J/g,过冷度降低为15.2℃,同时在150次热循环后保持热焓值几乎不下降,和经历950℃的热冲击后依旧保持完整。 （3）通过混料-冷压-烧结工艺,将带空腔的CaCO3/Void/Al-12wt%Si微胶囊与Al2O3陶瓷材料相结合,制备出块状陶瓷基复合相变储能材料。探究了带空腔相变微胶囊的含量对复合相变储能材料的影响。实验结果表明,带空腔相变微胶囊含量为60 wt%时具有最佳的性能,此时复合相变储能材料的结晶潜热为127.54 J/g,热导率为3.63 W/（m·K）,抗压强度为39.6 MPa,远高于国家耐火砖的使用标准（20 MPa）。此外,该材料在经历300次热循环后,结晶潜热为106.75 J/g,熔化潜热为98.38 J/g。

关键词： 氧化铝纤维   陶瓷基复合材料   防火墙  

摘要： 飞机发动机防火墙能阻止火焰和高温向飞机其他部位蔓延，防止火势扩大，为机组人员应对紧急情况争取时间，降低火灾对飞机结构和人员的危害，同时能有效阻挡发动机热量传递，避免附近结构因长期受热而性能下降、材料老化，保证周边设备和结构的稳定性与安全性。本文针对现有航空发动机防火墙材料存在的重量重、施工困难以及生产维护成本高和周期长等问题，开展了Al2O3f/Al2O3-SiC陶瓷基复合材料的研制及性能研究。研究结果表明，Al2O3f/Al2O3-SiC复合材料具有良好的力学性能，拉伸强度为103MPa,拉伸模量为45.2GPa,复合材料压缩强度为256MPa,压缩模量为106GPa,复合材料弯曲强度为189MPa,弯曲模量为106GPa，复合材料层间剪切强度为12.1MPa。其损伤模式呈现出基体开裂、界面层脱毡、纤维拔出及纤维束断裂等方式。同时复合材料具有良好的抗火焰穿透能力。与现有钛合金防火墙材料相比，减重达40%以上。

关键词： 陶瓷基复合材料   正交各向异性   本构理论   损伤演化   层合板理论  

摘要： 复杂应力本构关系模型是结构设计与性能评估的理论基础.针对易损-非线性陶瓷基复合材料(CMC)层合板在组合加载下的变形响应,在正交各向异性单层材料主方向损伤演化特性和应力-应变行为表征的基础上,给出了不同角度单层非材料主方向的损伤柔度矩阵和损伤刚度矩阵的数学表达;进一步考虑损伤层合板的非线性变形响应特性,将其中面应变和曲率划分为弹性部分和非弹性部分,对经典层合板理论进行拓展与改进,分别描述了层合板的弹性变形和非弹性变形,并最终给出了非线性CMC层合板的广义内力-变形物理方程,从而丰富和发展了非线性复合材料的表征理论,为复杂外载下CMC层合板变形行为的分析预测提供了新的模型和方法.作为特例,给出了正交对称CMC层合板的应变-内力关系的具体表达式,并采用2D-C/SiC复合材料层合板,模拟计算了轴向和偏轴拉伸载荷下材料的应力-应变行为,验证了本构模型的合理性和适用性.

关键词： 准静态力学性能   冲击压缩强度   陶瓷基复合材料   有限元分析   损伤机理  

摘要： 纺织型SiO2f/SiO2陶瓷基复合材料具有良好的透波性和力学性能,是制作超音速飞行器天线罩的理想材料。引入细编穿刺构型的预制体改善了其力学性能,同时由于天线罩构件在服役条件下会受到各种载荷作用,因此研究细编穿刺SiO2f/SiO2复合材料在准静态载荷和动态冲击下的破坏损伤机理对研究材料力学性能具有重要意义。本文采用有限元分析与实验研究方法相结合,揭示纺织型细编穿刺SiO2f/SiO2复合材料的损伤演化机理。本文的主要研究内容与创新如下: （1）开展细编穿刺SiO2f/SiO2复合材料的代表性体积单元体（单胞）几何建模研究。基于材料预制体制造工艺与溶胶-凝胶法制备过程,结合观测确定材料构型及其几何参数,建立单胞几何模型。计算模型的纤维体积分数为48.11%,与实际数据47%相比其误差为1.11%,单胞模型满足精度要求。 （2）基于材料单胞几何模型,结合物理参数,构建细编穿刺SiO2f/SiO2复合材料样件的几何物理模型,开展材料准静态受载仿真。采用改进的三维Hashin失效准则描述纤维和基体的渐进损伤失效模型,通过内聚力单元模拟界面损伤失效。基于Abaqus有限元仿真软件,开展材料准静态压缩的有限元分析。 （3）通过材料准静态压缩实验及有限元分析研究材料在不同压缩方向下的力学性能、损伤机理与失效模式。结果表明:结合损伤因子与应力-应变曲线发现Y向与Z向的准静态压缩变化进程相似,分为残余应力释放阶段、损伤加速阶段、损伤减速阶段及最终破坏阶段,Z向因编织构型其压缩强度较高;在准静态压缩过程中,基体裂纹扩展汇聚变大,因编织结构产生应力集中。Y向压缩样件XY表面可见宏观裂纹,YZ表面可见V形剪切带、厚度方向鼓出变形等宏观损伤模式。 （4）通过电磁式对称加载分离式霍普金森压杆实验研究材料不同应变率下的动态力学性能、损伤机理与失效模式。结果表明:材料受绝热剪切带影响发生界面脱粘与微裂纹扩展,具有应变率弱化效应;损伤失效程度随应变率增大而剧烈,界面破损吸能,损伤包括基体微裂纹扩展、界面脱粘、纤维断裂等。

关键词： 吸波   SiCN陶瓷   聚合物转化陶瓷(Polymer derived ceramic, PDC)   陶瓷基复合材料  

摘要： 新一代武器装备对高温隐身性能需求迫切，亟需发展高温吸波材料。SiCN陶瓷因其低密度、耐高温、介电性能可调等优势，作为高温吸波材料备受关注。本文对于SiCN陶瓷的研究进展进行了综述，首先介绍了SiCN陶瓷的制备方法，其中化学气相沉积制备SiCN陶瓷所需温度较低，且制备出的SiCN陶瓷均匀致密；而聚合物转化陶瓷法具有良好的成型性和可加工性，近些年对于吸波SiCN陶瓷的研究制备主要是基于在此方法，故本文将重点围绕先驱体转化SiCN及其改性方法进行介绍。聚硅氮烷是聚合物先驱体转化SiCN的前驱体，可用来制备不同形态的SiCN陶瓷，其中SiCN气凝胶中的孔隙有利于电磁波的多次反射和散射，具有良好的吸波性能，而SiCN块体陶瓷以极化损耗为主，主要依赖自由碳和SiC纳米晶处形成的偶极子损耗电磁波，损耗机制单一，可从微观和宏观进行设计来优化吸波性能。根据损耗机制的不同，微观尺度改性可分为两类：一类是以磁性相改性为主，通过在聚硅氮烷前驱体中引入Fe、Co、Ni等实现磁电耦合以调节阻抗匹配并改善吸波性能；另一种以引入导电相或介电损耗相为主，通过引入碳纳米管、石墨烯和SiC纤维等来优化SiC陶瓷的吸波性能。宏观尺度上主要是通过对SiCN陶瓷进行周期性结构设计，构筑如由蜂窝状、空心球体状等亚波长结构单元组成的超材料，通过优化结构单元尺寸和形状以达到优化SiCN陶瓷吸波性能的目的。最后本文对于SiCN陶瓷及其复合材料未来发展趋势进行了展望。

摘要： 完成单位:中国科学院上海硅酸盐研究所获奖类型:224年度建筑材料科学技术奖基础研究奖一等奖该项目属于无机非金属材料领域，涉及纤维增强超高温陶瓷基复合材料（简称“超高温陶瓷基复合材料”）构建和应用中的关键基础科学问题。超高温陶瓷基复合材料自2005年问世以来一直处于材料学科前沿，也是国际公认的战略性尖端材料，深远影响着新型高速飞行技术的进步。

关键词： 磨削   陶瓷基复合材料   Cf/SiC   超声振动   去除机理   磨削力模型  

摘要： 碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料优异的耐高温、抗氧化、耐损伤、轻质等性能既能够弥补传统高温合金耐热性不足、密度高等短板又能够克服单一陶瓷脆性大、可靠性差等缺陷,逐步成为航空航天事业中常用的机身结构材料。C_f/SiC涡轮静子件、叶盘等精密构件在近净成型制造后必须要经过磨削等精密成型加工以满足高精度的装配需求。然而,C_f/SiC较高的硬度会产生较大的机械切削载荷,高度的非均质结构和较高的硬度与断裂韧性比使磨削表面质量难以控制。超声振动因其特有的高频断续载荷特征为调控非均质材料的动态去除行为提供了新思路。然而,C_f/SiC作为一种多尺度耦合的复合材料,纤维取向、界面结合强度等因素均会影响超声振动与材料之间的能量交互规律,其力学行为难以通过传统连续介质假设进行准确表征。构建C_f/SiC复合材料本构模型、探明超声振动作用下C_f/SiC复合材料的去除机理与磨削力作用规律是精密加工工艺参数确定的前提。因此,建立与实际工艺加工相匹配的超声振动磨削C_f/SiC复合材料力学作用机理亟待解决。 为了探明C_f/SiC复合材料的多尺度结构在超声振动磨削下的作用规律。本文开展了超声振动磨削C_f/SiC复合材料力学模型构建与实验探究工作。按照“超声振动磨粒运动学分析、磨粒-复材跨尺度微观接触去除机制研究、磨削力模型构建、多参数耦合实验评价”递进的逻辑关系研究,增强对高性能难加工碳化硅增强陶瓷基复合材料的高效洁净精密磨削工艺及理论的理解,主要研究内容如下: （1）基于缺乏对超声振动磨削下材料去除行为的系统对比与力学作用机制揭示的研究。综述了C_f/SiC复合材料目前已有的材料去除机理和磨削力模型研究成果,对比了传统磨削与超声振动磨削的研究现状,揭示了超声振动磨削C_f/SiC复合材料是一种有效的降低力损伤加工方法。 （2）基于不同纤维取向下C_f/SiC复合材料在超声振动磨削过程中材料去除机理尚不明确。建立了与纤维取向相关的C_f/SiC复合材料等效本构模型,揭示了超声振动对磨粒运动轨迹的影响机制,得到了磨粒运动路径的几何规律。研究了超声振动对最大未变形切削厚度、材料去除阶段的渐变接触弧长的影响机制。分析了不同接触阶段的去除机理,研究了超声振动磨削C_f/SiC复合材料在延性域去除阶段、延-脆过渡去除阶段和脆性域去除的临界切削深度和渐变接触弧长以及平均切削深度,揭示了超声振动磨削C_f/SiC复合材料的材料去除机理。 （3）基于当前对C_f/SiC复合材料在不同去除阶段磨削力演化规律尚不清晰、裂纹扩展路径调控机制尚不明确的问题。通过联系不同去除阶段的平均切削深度与磨削力之间的关系,建立了不同层单颗磨粒的法向磨削力和切向磨削力的磨削力模型,解析了纤维取向与磨粒进给方向之间位置关系对裂纹扩展路径的调控机制,明确了纤维取向对裂纹扩展机理的作用规律。通过关联材料宏观材料去除体积与微观单颗磨粒材料去除体积,推得有效磨粒数的动态分布函数。基于三阶段磨削力的叠加效应与工况校正系数,构建了磨削力预测模型。 （4）在超声振动作用下C_f/SiC复合材料去除机理和磨削力分布规律基础上,进行了超声振动磨削C_f/SiC复合材料性能评价实验,磨削力的实验值与模型理论值最小误差仅为1.02%,误差率均控制在10%以下。阐明了超声振动通过优化磨粒运动轨迹对磨削力、表面质量的影响机理。通过单因素实验,验证了超声参数对UVAG过程中磨削力及表面粗糙度的影响规律。评估了超声振动对刀具磨损行为的影响规律。 （5）设计了超声振动磨削C_f/SiC复合材料的正交试验。考虑超声参数与磨削参数等多因素对磨削力、磨削比能和表面粗糙度等维度的作用规律,从中优选工艺参数达到UVAG最佳应用效果。通过信噪比、方差分析,优选最佳工艺参数搭配为超声振幅8μm、超声频率20000Hz、主轴转速24000rpm、进给速度110mm/min、磨削深度75μm。

关键词： 陶瓷基复合材料   多尺度模型   高温热循环   力学性能   微观结构  

摘要： 鉴于立体织物增强陶瓷基复合材料独特的复杂微观结构特性，其应用于热防护材料时，对于高温热循环下的服役寿命预测面临着多重严峻挑战。本文通过多尺度模型并结合仿真分析与试验测试，进行了复合材料在1200℃热循环下微观损伤与力学性能的研究。所构建的多尺度模型描述了经纱和纬纱的编织方式、纤维的几何构型、基体中的孔隙分布情况。所使用的材料本构涵盖了基体的屈服阶段，并考虑了温度相关的循环硬化效应。仿真及试验结果表明，热循环导致的基体开裂和界面脱粘是微观损伤的主要原因，使得复合材料拉伸性能大幅下降。相比之下，弯曲和压缩性能受热循环影响较小。