关键词： 多孔陶瓷   SiC   短切纤维   力学性能  

摘要： 多孔陶瓷作为陶瓷材料的一种,具有良好的电、磁、热、光及生物等性能,作为功能陶瓷被广泛应用于环保、能源、航空航天、冶金、石油化工、生物医学等领域。多孔陶瓷的制备方法种类繁多,其中许多方法对工艺技术及原料要求较高,不利于多孔陶瓷的工业化生产,同时多孔陶瓷相对较差的力学性能也制约其进一步的发展和应用。因此,开发出工艺简单、成本低廉的多孔陶瓷制备工艺并提高多孔陶瓷的力学性能十分必要。本文采用酚醛树脂和碳纤维作为原料,在先驱体转化法的基础上,制备了SiC多孔陶瓷基复合材料材料,通过特殊的工艺途径,引入不同体积百分比的短切碳纤维作为增强体,研究了纤维体积百分比对SiC多孔陶瓷孔隙率、力学性能及微观形貌的影响；采用三点弯曲(TPB)法、单边缺口梁(SENB)法对短切纤维增韧的SiC多孔陶瓷基复合材料的力学性能进行了测试分析；采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)对其微观形貌进行表征与分析。研究结果发现：SiC多孔陶瓷基复合材料的孔隙率随纤维含量增加而增大,体密度随纤维含量的增加而减小,其孔隙率最高可达64.54%。在力学性能测试中,发现在加载过程中,短切纤维可以通过纤维脱粘、纤维断裂、纤维拔出等增韧机理,起到增强SiC多孔陶瓷力学性能的效果。材料的弯曲强度与断裂韧性随纤维含量的增加呈先增大后减小的趋势,这是纤维含量与孔隙率变化共同作用所致,当纤维含量为18wt.%时,SiC多孔陶瓷基复合材料的弯曲强度及断裂韧性同时达到最大值,分别为5.83MPa与0.35MPa.m1/2。短切纤维增韧的SiC多孔陶瓷基复合材料表现出良好的韧性,其断裂功可达333J/m2。增加Si含量可提高纤维与陶瓷基体间结合强度,使材料强度得到提升,但残余Si的存在会对材料的韧性造成极大影响。

关键词： 陶瓷基复合材料   损伤力学   本构模型   二次开发   损伤耦合  

摘要： 碳纤维增强陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite,简称CMC)克服了单相陶瓷的脆性,且保持了陶瓷的良好的耐高温特性,在航空航天领域具有广阔的应用前景。CMCs具有明显的各向异性,并且CMCs结构一般工作在高温环境下并承担复杂载荷,而复杂应力状态和高温环境会对CMCs的力学行为产生显著的影响。目前少有关考虑温度和复杂应力状态作用的CMCs各向异性本构模型公开报道,因此建立适用于复杂应力状态下的考虑温度影响的各向异性本构模型是本领域的重要课题。本文首先开展了针刺CMCs常温及高温下的0°拉伸、90°拉伸、面内剪切、压缩以及偏轴拉伸试验,获得了应力应变曲线。研究了各种载荷下的失效模式。在此基础上,采用连续介质损伤力学方法建立了包含拉伸剪切损伤变量的各向异性损伤本构模型。通过子程序将本构模型编入商用有限元软件,并采用该本构模型计算了针刺CMCs在常温和高温下的拉伸、剪切应力应变曲线,计算结果与试验曲线吻合较好。根据45°偏轴拉伸试验及计算结果,建立了考虑拉伸剪切损伤耦合关系的各向异性本构模型。该模型计算的30°偏轴拉伸曲线与实验值吻合较好,证明了该模型的合理性。最后通过带孔平板和涡轮叶片算例验证了该本构模型应用于复杂构件的可行性。

关键词： 陶瓷基   纤维增强   航空航天   应用  

摘要： 本文从基体和纤维的选择、编织方式及制备工艺这些方面综述了当代纤维增强陶瓷基复合材料的结构特性及研究成果和在航天领域的运用,并对其研发道路所存在问题和今后主要研究方向做出总结及评论。

关键词： 碳纤维   纤维增强   陶瓷基体   碳化纤维   人造无机纤维   纳米颗粒   SiC   先驱体转化法   陶瓷基复合材料   陶瓷复合材料   石墨烯产业   监督抽查   FePt   纤维和   精细化工  

摘要： 41种危化品将升级为法检根据国家质检总局和海关总署联合公告,萘、乙醛、甲苯、丙酮等41种危险化学品和4种复合橡胶产品将于2016年2月1日调入进出口法检目录,以此加强危化品管理、确保安全。列入法检目录意味着上述产品进出口流程发生较大变化,企业需向检验检疫部门提交分类鉴别报告、危险公示标签和安全数据单,并经检验合格后放行。检验检疫部门提醒相关危险化学品生产企业及进出口代理商,主动到检验检疫局申报并及时了解相关政策,避免出现产品积压、滞港等情况,造成不必要的经济损失。

关键词： 单向C/SiC复合材料   失效过程   应力-氧化环境   理论建模   有限元分析   力学性能  

摘要： 本文以单向C/SiC复合材料为例,在单向陶瓷基复合材料(UD-CMC)拉伸失效研究的基础上,建立了UD-CMC细观有限元模型,并首次将渐进适应界面层应用到陶瓷基复合材料拉伸失效的模拟当中。应用该模型模拟了单向C/SiC复合材料在轴向拉伸应力作用下的失效过程,并分析了不同纤维体积含量、不同模量对预测的应力-应变曲线的影响。将模拟结果与文献中实验结果及数值法得到的结果进行比较,表明采用渐进适应界面模型对UD-CMC应力作用下的失效与实验更吻合。在无应力氧化环境下UD-CMC力学性能分析的基础上,发展了弱界面粘结的UD-CMC在应力氧化环境下剩余力学性能分析模型,氧化温度为400-900℃。对相关公式进行了推导,并以单向C/SiC复合材料为例进行分析和讨论。由于基体具有脆性,当应力高于基体初始开裂应力时,基体裂纹对陶瓷基复合材料在氧化环境下的力学性能的影响十分重要,如果不考虑应力对材料在氧化环境下力学性能的影响,预测结果与实验值之间的误差随应力的增大将逐渐增大。本论文将不考虑基体开裂和考虑基体开裂的氧化模型得到的剩余强度和剩余刚度与实验数据进行对比,结果表明模型预测结果与实验结果更加吻合。根据文献实验电镜扫描结果,提出了用于分析强界面粘结UD-CMC在氧化环境下力学性能变化的模型。考虑纤维在裂纹附近氧化后产生的“缺口”建立模型,推导了纤维氧化缺口深度的理论公式,并利用该公式,在考虑纤维氧化产生的缺口的情况下,对UD-CMC剩余强度和剩余刚度进行公式推导,以单向C/SiC为例进行分析和讨论,并将理论预测结果同相关实验值进行比较,比较结果发现考虑纤维氧化缺口模型具有更高的精度。并采用有限元法对单向C/SiC复合材料在高温环境下的力学性能进行模拟,分析了不同氧化时间和氧化温度对材料性能的影响,并与实验值进行比较。

关键词： 近零膨胀   ZrO2/ZrW2O8陶瓷基复合材料   热膨胀系数   制备工艺   性能表征   尺寸效应  

摘要： 随着航空航天技术的发展,对陶瓷材料的结构稳定性和安全可靠性的要求越来越高。结构陶瓷材料由于具有较高的热膨胀系数,在经历大的温度梯度时会产生热应力,对材料的结构造成损伤,降低了材料的抗热震性和抗氧化烧蚀性。因此,在结构陶瓷材料基体中添加具有各向同性负热膨胀ZrWO材料以降低结构陶瓷的热膨胀系数,减小热应力,成为改善结构陶瓷抗热震性能的有效途径。论文以力学性能优异的ZrO作为基体材料,与第二相各向同性负热膨胀ZrWO复合,制备近零膨胀ZrO2/ZrW2O8陶瓷基复合材料,通过性能的表征与分析优选合适的制备工艺,并对影响材料性能的尺寸效应进行了相应的分析。为了掌握各向同性负热膨胀ZrWO材料的性质,本文首先对第二相ZrW2O8材料的相变分解和固相合成进行研究。热力学计算表明ZrW2O8在常温下具有自发分解的趋势;通过选取不同的温度点加热单相ZrWO试样,对冷却后的试样成分进行检测以判断ZrW2O8是否分解,结合差示扫描量热-热重分析(DSC-TGA)分析可知,ZrWO在780℃108℃温度范围内发生失稳分解,产物为ZrO和WO3,低于该温度区间ZrWO可以稳定的存在,高于该温度区间ZrWO的固相合成反应会快速进行,1180℃以上ZrWO将会出现液相直至熔化。以ZrO、WO3为原料固相合成ZrW2O8的实验表明,冷却方式和烧结温度对ZrW2O8的合成率具有重要影响,适宜的烧结温度区间为1170℃-1200℃,水冷为最佳冷却方式。在ZrWO相变分解和固相合成的研究基础上,采用混合定律模型、Turner模型和Kerner模型三种热膨胀系数预测模型对不同配比ZrO2/ZrWO复合材料的热膨胀系数进行预测;分别采用热压烧结法和常压烧结法探索机械混合方式和原位反应合成方式制备ZrO/ZrWO复合材料,通过对比分析了不同制备方法的特点,并提出了热压烧结技术的改进方法和密闭坩埚WO3粉体包埋试样法。常压烧结机械混合方式制备ZrO/ZrWO复合材料发现当ZrO与ZrWO质量比范围为1.5:1.3:1时可以得到热膨胀系数为1.69×10-6/K0.53×10-6/K的近零膨胀复合材料,ZrWO相的实际体积分数为37%2%,压缩强度最大达到150MPa;常压烧结原位反应合成方式制备ZrO2/ZrWO复合材料发现当ZrO与WO3质量比为0.93:1.81:1时可以制得热膨胀系数为1.08×10-6/K1.67×10-6/K的近零膨胀复合材料,ZrWO相的实际体积分数为40%4%,此时试样的烧结致密度与压缩强度都出现了明显的下降,通过微观组织形貌分析了原因,获得了近零膨胀ZrO/ZrWO复合材料最佳制备工艺。采用有限元建模分析的方法探讨了ZrO/ZrWO陶瓷基复合材料的尺寸效应,建立了试样尺寸与热膨胀系数和热应力的关系,为ZrO/ZrW2O8大尺寸化与高强度化的发展奠定基础。

关键词： ZrB2   石墨烯   层状陶瓷   微结构调控   自组装   多尺度增韧  

摘要： 非烧蚀型超高温陶瓷材料是应用于极端热环境中的一种防热材料。ZrB2陶瓷基复合材料因其优异的热物理性能而被视为一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料。但一直以来ZrB2陶瓷基复合材料的本征脆性和较差的抗热冲击性能限制了其广泛的工程应用。碳材料由于其优异的特性,如高电导、高热导、化学惰性、低热膨胀系数、轻质等,被越来越来多的科学家所重视,尤其是具有更优异性能的富勒烯、碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料的相继发现,全世界科学界刮起了“纳米碳”研究的热潮。在超高温陶瓷领域,多种形式的碳材料已被用来改善ZrB2陶瓷基复合材料的烧结特性、力学及抗热冲击性能,但研究还远不够深入。本文针对ZrB2陶瓷基复合材料本征脆性,探究了将碳纳米材料均匀引入ZrB2陶瓷基体中的不同方法,系统分析了碳纳米材料对ZrB2陶瓷基复合材料力学性能影响及相应的增韧机理;而后采用自组装方法制备了氧化石墨烯/ZrB2薄膜,研究了薄膜微结构对拉伸性能及导电性能的影响;启发于生物结构,将跨尺度多层次结构引入石墨烯/ZrB2陶瓷基复合材料中,评价了材料的力学性能,并分析了相应的多尺度增韧机理。石墨烯纳米片在陶瓷基体中分布的均匀程度和质量直接决定其增韧效果的好坏。为了使石墨烯纳米片在ZrB2陶瓷基复合材料中均匀分散,利用氧化石墨烯表面大量亲水性含氧基团,结合原位热还原法实现了石墨烯纳米片在ZrB2陶瓷基复合材料中均匀分散。系统分析了石墨烯纳米片含量对石墨烯/ZrB2-Si Cp和石墨烯/ZrB2-Si Cw陶瓷基复合材料微结构、弯曲强度、断裂韧性的影响。由于材料中陶瓷晶界有限,氧化石墨烯添加量过高时,石墨烯纳米片在烧结过程中会相互结合而导致纳米片增厚,影响复合材料的力学性能。此外,基于裂纹扩展路径分析了石墨烯/ZrB2陶瓷基复合材料断裂机理,研究了石墨烯纳米片韧化ZrB2陶瓷基复合材料的机理。采用化学气相沉积法将甲烷高温裂解,制备出纳米碳包覆ZrB2颗粒的核壳结构,探究了沉积温度、沉积时间和气体流速对碳纳米片/ZrB2复合颗粒形貌的影响。结合碳纳米片/ZrB2复合颗粒形貌,采用外延生长的FV模型和SK模型分析其生长过程。碳纳米片/ZrB2复合颗粒与Si C经SPS致密化,获得了碳纳米片/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料,从根本上解决碳纳米材料在陶瓷中难分散的问题。在SPS过程中,碳纳米片会与Si C表面氧化物反应,净化晶界而促进致密化。探讨了碳纳米片含量对复合材料断裂韧性和硬度的影响,基于裂纹扩展路径分析了碳纳米片/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料断裂机理。利用氧化石墨烯通过真空辅助抽滤制备出氧化石墨烯/ZrB2、氧化石墨烯/ZrB2-Si Cp和氧化石墨烯/ZrB2-Si Cw陶瓷基薄膜。分析了薄膜组分、PVA含量对薄膜微结构的影响。拉伸测试显示:当氧化石墨烯含量为30 vol.%时,薄膜的抗拉强度最大,相应的拉伸模量也最大,氧化石墨烯含量减少或者增加均不利于薄膜层次结构的构建,导致抗拉性能的降低。在导电性能方面,氧化石墨烯/ZrB2-Si C薄膜被热还原后,薄膜导电性能随着氧化石墨烯含量的增加和还原温度（300-1300℃）的升高而不断提升。贝壳利用矿物质和蛋白质构建层次结构实现了高强度和高韧性的目的。受此启发,采用“自下而上”的组装方法在石墨烯/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料中构建了跨尺度的层次结构,达到增韧的目的。首先通过真空辅助抽滤法获得具有微-纳米尺度层次结构的氧化石墨烯/ZrB2-Si C陶瓷基薄膜,而后通过放电等离子烧结将交替排列且组分不同的GO/陶瓷基薄膜进行致密化,制备出具有微米-宏观层次结构的复合材料。在SPS降温过程中,氧化石墨烯/ZrB2陶瓷基薄膜由于热膨胀系数的不同将交替排列的压应力层和拉应力层引入复合材料中。系统分析了层状石墨烯/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料的微结构对其弯曲强度和断裂韧性的影响规律,此外,基于裂纹扩展路径,分析了层状石墨烯/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料的多尺度增韧机理。

关键词： 三维编织复合材料   单胞模型   压电复合材料   压电效应   有限元法  

摘要： 近年来,压电复合材料依靠优异的力-电耦合性能,被广泛用于航空航天、军事、医疗、机器人、微机电系统等众多精密控制领域,成为一种不可或缺的高级智能复合材料。随着压电复合材料在的广泛应用,其潜在的力学性能弊端即压电相和非压电相界面之间出现的层间性能弱、易分层、易裂纹、裂纹拓展较快等缺陷日益凸显出来。连通方式是影响压电复合材料性能的关键因素之一。传统的压电复合材料设计模式中,压电相与非压电相之间的界面结合方式本质上属于传统的层合板结构设计模式,其层合板设计理念决定着其存在层合板材料的力学弊端。三维编织结构能够完全克服层合板材料的分层现象,且具有优异的整体力学性能。因此,本文将三维编织结构引入到压电复合材料的结构设计中,利用三维整体编织结构改善压电复合材料的力学性能。全文主要研究内容概括如下:(1)详细介绍三维编织复合材料细观结构几何模型和压电复合材料的研究现状,指出当前三维编织复合材料细观几何模型存在的问题以及当前压电复合材料存在的力学弊端,确定本课题的主要研究内容、研究的目的和意义。(2)从三维四步法(1x1)矩形编织工艺入手,详细分析携纱器移动规律,预制件内部纱线空间结构和编织纱线力学模型,建立编织预制件三次曲线几何模型,并给出拟合后反应实际预制件细观结构的几何模型。基于建立的几何模型和刚度平均化理论,建立编织复合材料等效弹性模量预报模型,对编织复合材料弹性性能进行理论预报,预报结果与文献实验吻合较好,验证本文所建模型有效性。(3)将三维编织结构引入到压电复合材料结构设计中来改善压电复合材料的力学性能,设计出全新的三维编织压电复合材料。针对压电材料特殊的力-电耦合性能,分别对其进行位移场模式和电场模式的有限元分析,基于力电耦合方程,建立编织压电复合材料的耦合场有限控制方程,并对编织压电复合材料等效力学性能进行了分析,对其等效力学参数随编织工艺参数(纤维体积含量和编织角)的变化进行了研究分析;针对压电材料特有的双向力-电耦合性能,分别对其进行了压电传感和驱动性能分析。(4)研究热稳态场对压电复合材料性能影响,根据热压电陶瓷材料力-电-热三场的本构模型,高阶剪切变形理论,二阶电势分布模型,高阶温度场理论和Hamilton变分原理,对压电陶瓷力-热-电有限元控制方程进行了推导;并对热稳态场对压电传感性能和驱动性能的影响进行了数值模拟。

关键词： SiC   热压烧结   增韧   摩擦磨损  

摘要： 刹车片作为飞机最关键的安全零部件之一,随着使用环境越来越恶劣极端,对材料性能要求也越来越严格。碳化硅（SiC）陶瓷材料是目前飞机刹车片研究的热点。在保持SiC摩擦性的同时,为提高SiC陶瓷的韧性,本课题采用热压烧结,以SiC陶瓷为基体,短切碳纤维为增强材料,纳米碳粉和纳米SiC作填充剂,在不加烧结助剂的前提下,制备Csf/SiC陶瓷基复合材料,研究纤维在基体中分散性、纤维体积分数、烧结温度对复合材料本征特性及服役性能改性的影响。从理论上,探索Csf/SiC复合材料增韧机理、摩擦磨损机理、抗氧化及热震机理。采用空气氧化短切碳纤维时,在480-490℃的热处理温度下处理45 min时,纤维表面形貌的改变有利于与基体的契合,增加与基体间的物理摩擦。液相处理纤维表面时,经硝酸浸泡90 min后的纤维表面沟槽密度较大,刻蚀效果明显。采用HEC分散剂,球磨时间为48 h,粉料中碳纤维分散较为均匀并且纤维损伤程度较低。选择不同参数制备Csf/SiC陶瓷基复合材料。复合材料致密度随纤维含量增加不断降低,当纤维含量小于30 vol.%时,相对密度在98%以上。复合材料硬度随纤维体积分数的增加逐渐降低,当纤维体积分数为55 vol.%时,硬度最低为17.1 GPa。复合材料主要由6H-SiC和C构成,其中6H-SiC晶型并未因纤维存在而改变。纤维在SiC基体中分布较为均匀,并未出现纤维聚集。但是纤维含量过高试样中,纤维出现脱落现象。短切碳纤维的不断加入,使复合材料弯曲强度不断上升,在10 vol.%时达到最高值423 MPa,随后又不断下降。基体中越多的短切碳纤维,复合材料的断裂韧性也随之逐渐增加,在55 vol.%时达到最大值4.9 MPa·m1/2。其增韧机制主要由纤维脱粘、纤维拔出、纤维断裂以及裂纹扩展组成。材料的相对密度和硬度随着烧结温度升高先增大后减小,在2000℃对材料进行烧结时,材料相对密度达到最大值98%,在2050℃时,材料硬度为20.7 GPa。不同烧结温度下,Csf/SiC复合材料仍以6H-SiC为主晶相,纤维在高温下容易石墨化,并且温度越高,石墨化程度愈明显。由于没有烧结机的作用,材料中没有观察到玻璃相。弯曲强度和断裂韧性随烧结温度的增加先上升后下降,其中弯曲强度在2050℃达到最大值,为396 MPa。断裂韧性在2000℃达到最大值4.6 MPa·m1/2。对Csf/SiC陶瓷基复合材料耐磨性能及热性能进行表征。复合材料摩擦系数随纤维含量增加而不断降低,当纤维含量为55 vol.%时,摩擦系数达到最小值0.23。磨损率随纤维含量的增加先下降后上升,当纤维含量为30 vol.%时,磨损率达到最小值2.65×10-6 mm3/N·m。烧结温度与材料摩擦系数关系不大。纤维含量较少时,材料主要发生脆性剥落,表现为磨粒磨损,过多的纤维将导致材料磨损率增加。复合材料表面在高温下产生3-4μm的Si O2薄膜,薄膜的存在使复合材料具有良好的抗氧化性。Csf/SiC复合材料的热震次数随纤维含量增加而不断增加,当纤维含量为55 vol.%时,为52次。经过5次热循环时,材料弯曲强度快速下降,降低约20.5%,次数增加下降逐渐变缓;材料断裂韧性随热震次数增加下降不太明显,当经过20次热震循环后,仅仅下降16%,复合材料增韧仍以纤维脱粘、纤维拔出、纤维断裂及裂纹扩展为主,材料具有良好抗热震性能。

关键词： 陶瓷基复合材料   熔渗法   碳化硅纤维   碳化硅  

摘要： 熔渗法作为一种碳纤维或碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料的制备方法,具有周期短、工艺简单及生产成本低等特点。目前,该技术在欧美等国得到迅速发展,并且广泛应用于航空发动机、空天飞机鼻锥、火箭尾喷管及汽车刹车盘等领域。针对该技术的特点,对国内外研究进展、工艺过程、反应机理、材料性能、应用前景及存在的问题进行综述,以期为国内该领域的发展提供一定的参考。