关键词： 电火花加工   陶瓷基复合材料   纤维强化   工艺优化  

摘要： 陶瓷基复合材料密度低,在高温下仍保持高强度,被认为是下一代先进的航空航天材料,但对其加工却十分困难。采用电火花方法加工一种连续陶瓷纤维强化陶瓷基复合材料,并比较排屑条件对加工性能的影响。为深入研究加工工艺,使用正交试验研究了极间电压、峰值电流、脉宽和占空比等工艺参数对材料去除率的影响,同时进行了方差分析。通过分析预测了最优加工条件,并通过试验进行验证。结果表明:采用电介质深冲的电火花加工可促进排屑,材料去除率提高了约80%;采用高极间电压和小占空比可显著提高加工效率。试验还发现这类复合材料电火花的主要去除方式是基体材料热扩散导致的裂纹和绝缘纤维的断裂。

关键词： SiBN纤维   先驱体   陶瓷基复合材料   浸渍   裂解  

摘要： 连续纤维增强氮化物陶瓷基复合材料是耐高温透波材料的主要发展方向,纤维是目前制约耐高温透波复合材料发展的关键,而SiBN陶瓷纤维是一种兼具耐高温、透波、承载的新型陶瓷纤维。以聚硅氮烷为陶瓷先驱体,以SiBN连续陶瓷纤维为增强体,采用先驱体浸渍-裂解法制备了SiBN陶瓷纤维增强SiBN陶瓷基复合材料,研究了复合材料的热膨胀特性、力学性能、断裂模式以及微观结构。结果表明:SiBN陶瓷纤维增强SiBN陶瓷基复合材料呈现明显的脆性断裂特征,复合材料的弯曲强度和拉伸强度分别为88.52 MPa和6.6 MPa,纤维的力学性能仍有待于提高。

关键词： 结构陶瓷   先进陶瓷材料   陶瓷基复合材料   功能陶瓷   人工材料   环境表现   高性能陶瓷   令人   烧蚀材料   非氧化物陶瓷  

摘要： 陶瓷作为人类文明史上最早发明和使用的人工材料之一,发祥于中国,是中华民族智慧的象征.历经千年发展和演化,其内涵已远远超越了传统陶瓷的范畴,形成了包括传统陶瓷以及先进结构陶瓷、功能陶瓷和新型陶瓷基复合材料等非传统陶瓷在内的一个庞大的家族体系.其中结构陶瓷作为先进陶瓷材料的重要组成部分,因其所具有的高强、高硬、耐高温和抗腐蚀等优异特性,在高温、腐蚀等严酷环境表现出巨大的应用潜力,令人期待.

关键词： ZrB2-SiC陶瓷基复合材料   氧化钇   抗烧蚀性能  

摘要： 采用热压烧结工艺制备了氧化钇掺杂Zr B2-Si C陶瓷基复合材料,利用高频等离子体电弧风洞对氧化钇掺杂Zr B2-Si C进行了2300℃和2400℃的抗氧化烧蚀性能测试,分析了氧化钇对陶瓷材料抗烧蚀性能的影响,探讨了稀土氧化物掺杂Si C-Zr B2陶瓷材料的抗烧蚀机理。结果表明,在升温及降温过程中均未开裂,材料具有较好的抗热冲击性能,质量烧蚀率分别为0.0344 g/s和0.0365 g/s,氧化层厚度分别为1 mm和2 mm,表面烧蚀中心和边缘的氧化产物分别为低温稳定相Zr O2和Si O2,氧化层结构仍旧是连续的,体现了材料较好的抗氧化烧蚀性能。

关键词： 复合材料   声速测算   红外热波   底波  

摘要： 陶瓷基复合材料是一种重要的超高温材料,具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能,其中,性能最好的一种是连续纤维增韧陶瓷基复合材料。采用声速测算的方法对材料的质量进行评估,实现对材料不均匀性的质量评价。

关键词： 碳纤维增强碳化硅   陶瓷基复合材料   冲击动力学特性   增韧机制  

摘要： 碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料作为一种近些年来较新的新型纤维增强陶瓷基复合材料(FRCMC)，其不仅硬度与强度高，而且还具有耐高温、耐磨损和抗氧化等一些其他高强材料不具备的性能。无论是在航空航天领域，还是在刹车系统和高温结构件领域，C/SiC复合材料的应用随处可见，已经成为当今材料科学研究的焦点之一。\n 本论文针对C/SiC陶瓷基复合材料的应用背景，使用高温浸渍裂解法(PIP)将原料球磨，经过模压和高温烧结制得制得掺有短切碳纤维的C/SiC陶瓷基复合材料。\n 对三种不同短切碳纤维体积含量(12％、21％、24.8％)的C/SiC复合材料利用霍普金森压杆(SHPB)装置进行了常温和三种高温(100℃、200℃、300℃)条件下的动态压缩力学试验，根据不同应变率下的试验结果分析了其动态破坏强度和应变率效应的关系以及破坏强度和温度大小的变化关系，阐明了其破坏机理。实验结果表明:三种短切碳纤维体积含量的C/SiC陶瓷基复合材料在不同温度下的动态应力-应变曲线光滑无震荡，且具有一定的自相似性。在同一高温和相似平均应变率下，当短切碳纤维体积含量的不断提高，则C/SiC复合材料的破坏程度不断降低，整体性越来越好，说明短切碳纤维体积含量的提高对C/SiC复合材料的强度有着积极的作用。\n 对三种短切碳纤维体积含量(12％、21％、24.8％)的C/SiC陶瓷基复合材料进行动态劈裂实验，实验结果表明:C/SiC复合材料试件在对径冲击劈裂破碎过程中，冲击气压的不断增大伴随着试件应变率增加，揭示出两者较强的相关性;且应变率时程曲线有一段近似的恒应变率加载段。\n 利用扫描电子显微镜(SEM)对C/SiC复合材料试件的破坏界面进行了扫描，分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征与增韧机理。由复合材料的断口形貌可知，在各个复合材料的断口处均有明显的纤维拔出，且随着短切碳纤维体积含量的增加，断口处被拔出的纤维数量显然增多，且拔出后的长度也相对较长，由此可以推断出纤维拔出是C/SiC陶瓷基复合材料的主要吸能和增韧机制。

关键词： 低膨胀陶瓷   热膨胀系数   制备工艺参数   致密度   抗弯曲强度  

摘要： 在航空航天领域,材料的热膨胀系数是高性能材料的一个很重要的性能。在一些高温材料的制备过程中,由于各组分热膨胀系数的不匹配,材料内部容易产生裂纹、应力集中、机械性能遭到破坏等问题。负膨胀或低膨胀复合材料的研究发展,在材料领域有着潜在的应用价值。由于Zr W2O8在宽温度范围内有着各向同性的负膨胀性能,而Zr O2与Zr W2O8的热膨胀系数的绝对值相近且不发生化学反应。本文在Zr O2中添加一定量的Zr W2O8或WO3,通过调整制备工艺,制备出致密度较好的低膨胀Zr O2/Zr W2O8陶瓷基复合材料。本文研究了两种配方分别在不同温度下热压烧结中得到的复合材料的性能:采用直接混料(Zr O2+Zr W2O8)和原位反应(Zr O2+WO3)两种配方均在1200°C和1215°C两种温度下热压烧结,都能制备密度较高的Zr O2/Zr W2O8陶瓷基复合材料,复合材料的密度最高达到5.55 g/cm3;直接混料粉在1200℃热压烧结3 h,或在1215°C热压6 h,所得到的复合材料密度差别不大,约为5.20 g/cm3;由于原位反应法合成Zr W2O8陶瓷时有残余WO3的存在,与直接混料法相比,还不足以体现“原位反应+热压烧结法”工艺路线的优越性。而且1200°C烧结时,直接混料法中Zr W2O8的分解率高,所以,调整工艺路线后的烧结温度为1215°C。本文研究了两种配方冷等静压以后在同一温度下热压烧结与无压烧结得到的复合材料的性能。采用直接混料(Zr O2+Zr W2O8)和原位反应(Zr O2+WO3)两种配方压坯成型后,为了提高复合材料的致密度,促进原位反应进行的更加完全,坯体先经过冷等静压,压力为200 MPa,然后在1215°C热压或者无压烧结,复合材料烧结后的致密度接近理论致密度;直接混料法与原位反应法相比,采用直接混料法烧结得到的材料中Zr W2O8的分解率低,热膨胀系数小。无论是直接混料法还是原位反应法,热压烧结都比无压烧结得到的材料致密度高,Zr W2O8的分解率低,材料的热膨胀系数小。采用不同的冷却方式制备了Zr O2/Zr W2O8复合材料并研究了其性能。采用直接混料(Zr O2+Zr W2O8)和原位反应(Zr O2+WO3)两种配方压坯成型后,在200 Mpa下经过冷等静压,而后在1200°C进行无压烧结,烧结完毕,把烧结试样从高温炉中取出,最后分别在空气中和水中冷却得到复合材料。无论是直接混料法还是原位反应法,空冷得到的复合材料致密度高,Zr W2O8的分解率低,热膨胀系数小;原位反应法得到的复合材料的致密度为5.57 g/cm3,瞬时热膨胀低至2.0×10-6/k,抗弯曲强度为112.96 MPa;直接混料法得到的复合材料致密度为5.62 g/cm3,瞬时热膨胀低至2.0×10-6/k,抗弯曲强度为195.99 MPa。

关键词： 陶瓷基复合材料   氮化硼   稀土硅酸盐化合物   制备工艺   力学性能  

摘要： 氮化硼(BN)作为一种重要的陶瓷材料一直以来被人们广泛研究。在众多BN相中，以六方氮化硼（h-BN）最为稳定。由于h-BN具有优异的耐高温性、抗热震性、高的热导率、低的介电常数和介电损耗、良好的化学稳定性、无毒性以及可加工等特性，已被广泛应用于诸多工程领域。然而，h-BN较低的硬度和强度限制了其应用范围。加入第二硬质颗粒被认为是一种有效地改善材料力学性能的途径。不仅如此，材料的耐磨性和抗侵蚀性也可以得到一定程度的改善。　　稀土硅酸盐化合物（RE2SiO5、RE2Si2O7，RE=Sc、Y及镧系元素）在硅酸盐陶瓷的发展史上具有重要地位。由于其优异的发光性能，最初的研究着重于在等离子显示器、激光和高能发光材料领域的应用。近年来，稀土硅酸盐作为SiC和Si3N4陶瓷烧结的重要晶界相，其种类和成分在很大程度上影响着材料的高温力学性能。最近对于块体材料的性能研究表明，该类材料具有较低的硬度和适中的强度，同时具有较好的抗损伤容限特性，因此被认为是一种“可加工”陶瓷材料。本论文尝试通过引入稀土硅酸盐化合物来改性氮化硼基体。　　首先，以Yb2O3、SiO2和h-BN为原料，系统研究了Yb-Si-O体系中Yb2SiO5和Yb2Si2O7两种硅酸盐与h-BN基体复合的原位反应热压制备工艺、材料微观结构和性能。在h-BN/Yb2SiO5复合材料的制备过程中发现，h-BN参与了原料间的反应，并导致材料介电性能变差;而h-BN/Yb2Si2O7-SiO2复合材料则表现出较好的化学相容性以及优良的室温力学性能。强度的提高归因于Yb2Si2O7具有较高的弹性模量以及相界面具有良好结合等因素。不仅如此，含有20 vol.％Yb2Si2O7的复合材料表现出了较高的抗损伤特性。　　其次以Y2O3、SiO2和h-BN为原料，通过原位反应热压法成功制备了h-BN/Y2SiO5复合材料。由于h-BN原料表面存在少量B2O3杂质，使得在高h-BN含量时复合材料中出现YBO3相。显微观察发现复合材料中的h-BN基面间和h-BN与Y2SiO5界面处存在较多微裂纹。即便如此，h-BN/Y2SiO5复合材料的力学性能依旧随着Y2SiO5含量的增多有不同程度的改善。然而由于第二相的存在及晶粒细化的影响，材料的介电常数和介电损耗有所增大。　　对h-BN/30 vol.％ Y2SiO5复合材料高温性能的研究表明，在～1200℃以下，复合材料的高温弹性模量和弯曲强度随着温度的升高而增加。复合材料弹性模量的增加归因于升温过程中微裂纹的愈合及其导致的材料致密度的提高;而高温弯曲强度的提升不仅由于内部缺陷发生愈合，而且在较高温度下，材料表面能够形成液态玻璃相，从而产生自愈合效果。复合材料的热膨胀系数和热导率表现出很强的各向异性特征。总体上，Y2SiO5的加入提高了材料的热膨胀系数、降低了热导率。　　采用Si3N4作为烧结添加剂，对h-BN/30 vol.％Y2SiO5复合材料做了进一步改性处理。研究表明，Si3N4的加入对原料中的h-BN起到了一定程度的纯化作用，这是由于Si3N4与基体表面少量的B2O3反应生成了BN和SiO2。特别地，当Si3N4加入量为0.3 wt.％时，与未改性时相比，复合材料不仅保持了原有良好的高温力学特性，室温力学性能也获得了明显提高。然而过多的烧结添加剂又会引起复合材料中孔洞等结构缺陷的增多，致使材料强度变差。　　由于本工作中的稀土硅酸盐化合物改性氮化硼基复合材料均保持着较低的硬度，同时材料的断裂韧性得到了不同程度的改善，因此所有复合材料均具有优良的可加工性能。

关键词： 振动特性   阻尼特性   模型修正   高温环境   陶瓷基复合材料   TPS结构  

摘要： 应高超声速飞行器热防护系统动力学研究的需求,本文展开了对一体化的陶瓷基复合材料飞行器防隔热结构在热环境下的振动特性的研究。主要针对该类结构在高温及大梯度的热环境中的固有频率及阻尼特性展开研究,旨在理解热环境对结构固有振动特性的影响机制,得到在高温大梯度的热环境中的结构振动特性的行之有效的估算方法,进而为其他相关问题研究以及降低研发成本尽一点力量。本文对陶瓷基防隔热结构及防隔热承力一体化复合结构,通过实验方法及数值仿真的方法研究了高温环境的固有频率,阻尼特性。探索这类复合材料结构高温振动实验方法,研究该类结构高温环境动力学模型修正方法。首先,开展对高性能防隔热结构及防隔热承力一体化结构热环境下振动特性的实验研究。进行了模拟实际飞行工况的高温大梯度环境下的结构固有频率受影响情况的研究。由于高温和大梯度环境下结构热应力对边界条件比较敏感,因此对于不同边界条件的工况分别进行实验研究,分别给出了自由及固定边界条件的结构固有频率受温度环境影响情况及其物理机制。然后,对陶瓷基复合材料及金属构成的复合板结构在高温大梯度环境中展开了阻尼特性的测试实验,根据实际工况对试验件开展实验研究,由于阻尼特性的测试方法大多具有较大的离散性,因此实验工况保持了高度的一致性,并进行多次实验以消除不确定因素造成的阻尼测量误差。根据实验实际得到的情况,结合热结构问题的理论研究,开展对热环境下复合板结构固有频率影响情况及其机制的研究,得到了在不同边界条件下的复合板的固有频率特性受温度影响的规律,分析了实验中热应力对结构固有频率特性的影响,给出了研究该类结构的有限元模型,并根据该有限元模型得到较为合理的振动特性计算结果,为更复杂结构的计算奠定基础。根据黏性阻尼模型,给出了带有待定系数的估计高温环境模态阻尼比的计算公式,通过四边固支边界条件的实验结果用线性回归方法确定了计算公式中的待定系数,分析了高温环境阻尼比估算经验公式的适用条件,证明该经验公式具有较大的适用范围,并通过单边固支实验进行验证,结果证明该经验公式对于估计该类陶瓷基复合板结构沿法线方向存在温度梯度情况下的弯曲模态阻尼比具有非常高的精确性,对于扭转模态及其他含有扭转振型的耦合模态精确性次之。使用给出的经验公式利用有限元计算得到的频率结果进行对高温环境阻尼比的估算,得到了非常好的结果,证明该经验公式能够利用有限元计算结果对高温环境的阻尼比进行有效的估计,大大节省了实验研究所需要消耗的人力物力。针对本文所研究结构,开展了有限元计算方法的模型修正工作,首先对常温模型进行基于实验数据的参数修正,在此基础上开展高温环境振动特性计算的模型修正方法研究,考虑热应力对边界条件的敏感性,对此展开了热应力附加刚度阵的修正方法研究。基于实验数据给出了一种基于优化算法的热应力附加刚度阵的模型修正方法。最后,开展了热环境下结构动响应计算的工作。首先进行了稳态热环境下的结构稳态动响应的分析,并将计算结果与实验结果相对比,模型对该类结构稳态热环境下的稳态动响应结果估算较为准确。然后进行了稳态热环境下的结构瞬态动响应分析,所有动响应分析中考虑了结构组成材料参数受温度影响的改变造成的结构刚度阵的改变以及高温大梯度造成的结构内部热应力对结构产生的附加刚度的影响,并根据实际阻尼受温度影响的研究结果生成结构阻尼矩阵。综上,本文通过实验手段和数值计算相结合的方法研究了陶瓷基防隔热结构在高温环境中的振动特性。建立了一套合理的陶瓷基防隔热结构高温环境振动特性试验方案,揭示了陶瓷基面板/泡沫夹芯三明治结构以及与金属承力复合结构的振动特性影响机制;提出了高温环境下适用于各种常规边界条件的模态阻尼比估算经验公式;提出了一种以热应力引起的附加刚度为修正变量的高温环境结构动力学模型修正方法。

关键词： 陶瓷基   复合材料   研究发展  

摘要： 陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。陶瓷基复合材料由于其优越的性能，在航空、航天领域有着广泛的应用前景。在拉伸载荷下，基体首先出现裂纹。基体裂纹的出现对其高温下的力学性能将产生影响，本文主要介绍陶瓷基复合材料的应用及发展。