关键词： 氧化锆陶瓷基复合材料   热压烧结法   材料性能  

摘要： 高超音速飞行器在穿越大气层时会产生很高的体表温度，为了保证机载设备的正常运转，迫切需求具有优异的耐高温、抗氧化、隔热和承载的结构功能一体化材料。　　立方氧化锆具有高熔点（Tm≈2700℃）、耐磨损、天然的抗氧化性、良好的耐热性能以及高化学稳定性，并具有较低的高温热导率（2000℃时热导率约2.09W/(m·K)），是理想的耐高温隔热陶瓷基体。然而，立方ZrO2陶瓷存在韧性低和抗热震性差的缺点，拟在ZrO2基体中引入碳纤维或氧化物（莫来石、氧化锆）纤维，发挥纤维补强增韧和改善材料热学性能的作用。　　本文首先介绍了热压烧结法制备碳纤维正交双向增强的ZrO2陶瓷基复合材料，深入研究了烧结温度、碳纤维体积分数对复合材料断裂模式、界面状态、力学性能及热学性能的影响，获得了较佳的材料制备工艺。沿纤维铺展方向的弯曲强度和断裂韧性分别为173 MPa和8.2MPa·m1/2，沿热压方向的弯曲强度和断裂韧性分别为96MPa和5.6MPa·m1/2，复合材料的各向异性得到较好的改善。　　热压烧结法只能制备简单形状的复合材料，前驱体转化法具有诸多工艺优点，如能制备出复杂形状的复合材料，能实现不同组分在分子水平上均匀混合，使用的设备简单。因此，尝试采用前驱体转化法制备2.5D碳纤维增强ZrO2陶瓷基复合材料。2.5D碳纤维编织体经过15个周期的循环浸渍/裂解后，在1500℃氮气气氛中热处理2次，所获得的2.5D Cf/ZrO2复合材料的界面弱结合，呈现台阶式断裂面;但受制于前驱体的陶瓷化产率低，所制备出的2.5D Cf/ZrO2复合材料致密化程度不高，导致材料力学性能偏低。　　采用前驱体转化法在氧化物纤维毡中原位形成耐高温、隔热的氧化锆多孔陶瓷基体，获得兼具高力学性能和优异隔热性能的氧化物纤维增强ZrO2多孔陶瓷。所制备的氧化锆纤维增强ZrO2多孔陶瓷相对密度54.5％，压缩强度40.0MPa;在100～1200℃温度区间具有优异的隔热性能，材料的热导率低于0.85W/(m·K)。通过前驱体转化法结合浆料浸渍工艺，将亚微米ZrO2晶粒镶嵌到多孔氧化锆基体中，亚微米晶粒发挥“钉扎”作用，阻碍裂纹扩展，有利于材料力学性能的提高。采用该工艺制备的多孔氧化锆陶瓷体积密度3.08g/cm3，气孔率48.6％，弯曲强度30.6MPa，压缩强度40.3MPa;获得的材料在100～1200℃区间热导率低于0.95W/(m·K)。

关键词： 混合前驱体   溶液干燥方式   相分离   C/SiC-ZrC生物质复合材料   C/C-HfB2-HfC-SiC复合材料   抗烧蚀性能  

摘要： 航空和航天工业的快速发展迫切需要轻质耐高温材料。该材料不但能够承受特别高的使用温度(>2000℃),而且还要具有低密度、优异的抗氧化抗烧蚀性能、良好的力学性能等优点。其中,ZrC、ZrB2、HfC、HfB2等高熔点陶瓷及其复合材料是最重要的超高温材料,得到广泛重视。研究表明,利用混合前驱体可以制备多组分的复相陶瓷材料,并且可以通过调整混合前驱体的配比来控制复相陶瓷材料中不同陶瓷组分的含量,也可以通过混合前驱体溶液浸渍热解技术制备相应的多组分陶瓷基复合材料。本论文以新近研制成功的超高温陶瓷前驱体为原料,通过不同前驱体的混合热解得到多组分的超高温复相陶瓷,并且通过聚合物浸渍热解(PIP)工艺成功制备了以超高温复相陶瓷为基体的生物炭、炭纤维增强的陶瓷复合材料。前者成本低,后者可以制备复杂结构和高性能复合材料构件。在此基础上,论文探索了在由ZrC有机前驱体(PZC)和聚碳硅烷(PCS)组成的混合前驱体溶液转变为ZrC/SiC复相陶瓷的过程中PZC/PCS混合前驱体的相分离及其对陶瓷产物的影响,分析了不同工艺条件(诸如混合前驱体配比、升温速率、热解压力、添加剂的加入等)对PZC/PCS昆合前驱体热解得到的ZrC/SiC复相陶瓷产物相分离及微观结构的影响;研究了混合前驱体在不同预制体(生物质多孔炭材料和低密度C/C复合材料)中热解得到的复相陶瓷基体的分相与抑制技术。论文最后以混合前驱体为原料制备得到了C/C-HfB2-HfC-SiC复合材料,并对其组成成分、微结构、力学性能和抗烧蚀性能等进行了一系列表征,探讨了其抗烧蚀机理。主要研究内容和结论如下：(1)研究了PZC/PCS混合前驱体溶液在脱除溶剂过程中发生的高分子分相。发现含量较少的前驱体分子相互聚集,形成几十纳米大小的球形分子团簇均匀分散在溶液中。通过改变混合前驱体溶液的干燥方式,发现短时间干燥的混合前驱体产物中分散相粒子尺寸大小与干燥前的溶液类似,约为几十纳米；而长时间干燥的混合前驱体产物中分散相粒子的尺寸在几百纳米至几微米间,相较于干燥前混合溶液,分散相粒子尺寸明显增大；旋转蒸发干燥的混合前驱体产物中分散相粒子具有更大的尺寸(几微米至十微米),并且由于溶液旋转造成的剪切力,分散相有着较明显的空间取向。(2)研究了PZC/PCS混合前驱体在热解过程中发生的高分子—无机陶瓷颗粒分相。发现当混合前驱体的分散相为PZC粒子时,虽然其热解得到的复相陶瓷产物中ZrC分散相粒子尺寸有所减少,但其内部组分分布情况与热解前混合前驱体的相分布有很大程度的类似,因此可以通过控制混合前驱体的相分布来调控最终复相陶瓷产物不同组分的分布；当混合前驱体的分散相为PCS粒子时,其热解得到的复相陶瓷产物中SiC分散相粒子尺寸较混合前驱体中的分散相粒子大,并且其内部组分分布情况与热解前混合前驱体的相分布有较大的不同,这是由于热解过程中分散相粒子相互合并所造成。(3)研究了混合前驱体热解生成的复相陶瓷的微观结构。发现在PZC/PCS混合前驱体体系中,当PZC含量较少时,陶瓷产物为SiC为连续相,ZrC为分散相的海-岛结构；随着PZC含量的增加,陶瓷产物最终形成以ZrC为连续相,SiC为分散相的海-岛结构。当热解升温速率增大时,热解产生小分子气体的速率也增大,这些气体的逸出会使得还是熔体状态的PCS更易于流动并且相互合并形成更大尺寸的PCS相,最终复相陶瓷产物中SiC相的尺寸增大,其分散出现了一定程度的不均匀性,并具有取向性,ZrC/SiC复相陶瓷产物的相分离程度增加；如果复相陶瓷中SiC为分散相,当热解压力增大时,则大部分的SiC分散相相互合并,尺寸从几微米增大到数十个微米,外形也趋向于球形,ZrC/SiC复相陶瓷产物的相分离程度增加。相反地,如果复相陶瓷中ZrC为分散相时,热解压力的增大对其ZrC/SiC复相陶瓷产物的相分离程度的影响很小,这可能是由于PZC前驱体在较低温度下就开始分解从而丧失了流动性,导致无法合并形成更大尺寸的ZrC分散相;当PZC/PCS混合前驱体体系中加入硼氮前驱体(PBN)作为添加剂时,由于PBN可以与PZC和PCS发生交联反应,从而在热解过程中抑制了分散相的聚集和长大,最终使得复相陶瓷中含Zr相／含Si相的相分离程度很小,含Zr分散相粒子以几十纳米的尺度均匀地分散在连续相中。(4)通过PZC/PCS混合前驱体在不同预制体(生物质多孔炭材料和低密度C/C复合材料)中热解得到复相陶瓷基体。发现在尺寸较小(几个微米)的孔隙中,分散相ZrC粒子尺寸为几十纳米,均匀地分散在连续相中,这是因为小孔隙内混合前驱体溶液的量很少,因此能在很短的时间内脱除溶剂,此时ZrC/SiC复相陶瓷基体的相分离程度较小；在尺寸较大(几十至几百微米)的孔隙中,部分分散相粒子出现了聚集长大,形成了几百个纳米大小亚微米级别的分散

关键词： 结构陶瓷   陶瓷材料   陶瓷基复合材料   陶瓷复合材料  

摘要： 陶瓷是人类文明史上最早使用的人工合成材料之一,历经千年发展,已成为一个重要的材料体系。作为陶瓷材料的一个分支,结构陶瓷在现代人类社会发挥着不可或缺的作用。陶瓷基复合材料继承了结构陶瓷的高强度、高硬度、耐高温和耐腐蚀等优良的性能,同时又克服了它的脆性,受到世界各国的广泛关注,在航空航天、国防军工、交通运输和核能等领域凸显重要地位,在超高温、核辐照、强腐蚀等极端服役环境下更是体现出不可替代的发展趋势。本专栏特别邀请国内从事结构陶瓷和陶瓷基复合材料研究的学者对该领域的前沿和发展进行评述,期望能够为我国科研人员提供一道了解领域最新发展动态的窗口,对促进陶瓷材料学科进步产生积极作用。由于版面限制,本专栏分两期刊登。

关键词： 发动机   高压涡轮   陶瓷基复合材料   陶瓷复合材料   下线  

摘要： 10月26日,GE航空集团完成了第1000台GEnx发动机的总装工作。自首台GEnx发动机于2011年投入运营以来,该型发动机已累积了500万飞行小时和90万个飞行循环。GE一直在持续改进GEnx发动机,今年以来,已经在GEnx验证机上测试了多项新技术,包括高压涡轮(HPT)和燃烧室的陶瓷基复合材料(CMC)部件、采用先进冷却技术的新一代高压涡轮一级叶片、采用3D增材制造方法制造的轻型低压涡轮钛铝合金

关键词： 陶瓷基复合材料   随机分布模型   热力学性能   有效力学性质   界面损伤  

摘要： 陶瓷材料有优良的综合力学性能,但脆性大是它的最大缺点,为了解决脆性问题,碳纳米管和纳米颗粒补强是陶瓷材料增韧强化的重要途径。本文拟利用热力学和多尺度连续介质力学理论,对碳纳米管、纳米颗粒及其双相混和增强陶瓷基复合材料的热力耦合性能展开分析和研究,分别讨论碳纳米管、纳米颗粒及其协同作用对陶瓷材料补强增韧效果的影响。首先,发展球状纳米颗粒随机生成和投放的技术,并扩展运用到随机碳纳米管情况,建立不同体积比的碳纳米管、纳米颗粒及其混合随机分布二维和三维有限元模型。考虑温度变化并结合热力学理论,分析陶瓷基复合材料的热膨胀系数和热残余应力等热力学性能,将结果与经典理论方法结果比较,证明所建模型的可靠性。基于上述随机生成和投放技术建立的模型,用多尺度渐近均质化法分析无损情况下碳纳米管增强陶瓷基复合材料和纳米颗粒增强陶瓷基复合材料的力学性质,分别讨论增强相体积比和弹性模量变化对复合材料有效力学性能的影响,并用经典的Mori-Tanaka理论验证均质化法的有效性。考虑含界面脱粘损伤的情况,利用同样方法分析碳纳米管增强陶瓷基复合材料的力学性质,讨论界面脱粘长度对复合材料有效力学性能的影响。随后,进一步分析陶瓷基复合材料降温冷却过程中的热力学性能。利用弹性力学方法推导出碳纳米管增强陶瓷复合材料特征体积单元的径向、切向和轴向热残余应力的理论计算方法,并和有限元结果进行对比,均能较好吻合;利用经典理论方法预测复合材料的有效热膨胀系数,对比验证所建模型的可靠性;分别讨论碳纳米管的热膨胀系数、弹性模量、体积分数、长径比和温度差等因素的变化对复合材料热残余应力和有效热膨胀系数等热力学性能的影响,为陶瓷基复合材料的设计提供一定的依据。最后,综合运用断裂力学和损伤力学理论,用ANSYS建立含界面损伤碳纳米管增强陶瓷基复合材料的内聚力模型。分析存在界面损伤时复合材料的界面损伤曲线和应力分布状况,分别讨论最大法向接触拉伸应力和裂纹最大张开位移对复合材料界面损伤过程的影响。

关键词： 陶瓷基复合材料   盲孔   螺旋铣磨   深腔内凹槽   装置  

摘要： 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite, CMC)拥有出色的耐高温性,并且借助增强体的增韧改性作用,具有较高结构强度和韧性,是作为热防护和高温结构材料的理想选择。石英陶瓷基和C/SiC陶瓷基复合材料具有较强的代表性,并且这两种材料的制造应用相对较多。然而在航空航天发动机、导弹雷达天线罩等构件制造应用中,陶瓷基复合材料高硬、耐磨等特征给切削加工带来困难,且易产生加工缺陷。同时,由于其特殊应用场景,结构件往往具有非常规加工特征,如航空发动机内部存在非回转内凹槽,易导致加工干涉；天线罩装配需加工指定深度平底盲孔。这些问题都阻碍了陶瓷基复合材料在制造业中的规模化产业化应用。本论文针对航空航天相关技术需求,开展了石英陶瓷基复合材料盲孔的螺旋铣磨加工C/SiC陶瓷基复合材料深腔内凹槽的加工技术研究,主要研究内容和成果如下：(1)在分析了石英陶瓷基复合材料特性和盲孔钻削难以保证加工质量和刀具寿命原因的基础上,提出并试验研究了电镀金刚石刀具螺旋铣磨盲孔加工方法,分析了螺旋铣孔材料去除机理。试验结果表明：该工艺方法能够有效改善加工切屑排出条件,降低切削热,提高加工质量。(2)通过石英陶瓷基复合材料螺旋铣盲孔加工工艺参数试验,分析加工参数对切削温度,切削力和制孔质量的影响规律,给出了影响螺旋铣磨切削力和制孔质量的主要因素,确定了合理可行的石英陶瓷基复合材料螺旋铣磨盲孔加工工艺规范。(3)试验研究了C/SiC陶瓷基复合材料的可加工性,比较了不同工艺参数下切削力、加工质量等变化规律。在此基础上,根据加工要求,确定合理参数范围,为深腔内凹槽加工装置的研制提供了可靠的设计依据。(4)根据某C/SiC陶瓷基复合材料零件加工需求,研制了C/SiC陶瓷基复合材料深腔内凹槽专用加工装置,同时根据深腔内凹槽特征结构设计专用刀具和工艺流程,设计给出了合理可行的深腔内凹槽加工走刀轨迹方案,并比较分析不同走刀方案对加工效率和切削加工稳定性影响,为后续产品的加工提供了成套技术解决方案。

关键词： 《主动冷却的纤维增强陶瓷基复合材料火箭发动机推力仓及其生产方法》   专利翻译   复合材料专利说明书   案例分析   译员素养  

摘要： 近年来,随着国内经济的快速发展和科技创新需求的不断提高,中国与其他国家在科学技术领域的交流日益频繁。专利文献作为一种重要的技术信息源,在国与国之间的科技交流中也扮演着越来越重要的角色。为了打破各国在专利文献方面交流的语言障碍,专利翻译应运而生并不断发展,而围绕专利翻译所展开的分析和研究也日渐增多,并取得了一定的成果。本项目实践报告主要集中于英语复合材料专利说明书的汉译研究。项目来源于中国复合材料协会,所分析案例取材于公开号为US6783824B2的一篇关于陶瓷基复合材料的专利说明书。作者采取理论与实际相结合的方式,通过理论分析与例证的研究方法,对专利说明书的结构和语言特点进行描述分析,并通过实例来探讨英文专利说明书汉译的难点和应对技巧。本项目报告的第一部分为翻译项目简介。第二部分为译前准备工作的介绍,作者将从理论支持和技术支持两方面来进行详细说明。第三部分为案例分析,作者将从定语的翻译、介词的翻译、专业术语的翻译及法律词汇和固定句式的翻译四方面出发,通过分析案例来进行详尽的阐释和说明。第四部分为项目总结,主要讨论作者本人在项目翻译过程中的问题和不足。通过多角度的探讨和分析,该报告表明专利说明书区别于一般的科技文本,具有鲜明的结构特点和语言风格。译者应针对其特点变换不同的翻译技巧和策略,以实现源文本和目标文本之间信息内容的准确传达。作者希望借此报告可以丰富国内在复合材料专利说明书领域的研究,为该领域的后续发展添砖加瓦。

关键词： 碳纳米管   陶瓷基复合材料   力学性能   微观结构  

摘要： 陶瓷具有硬度高,耐磨损,耐腐蚀和机械强度高等特点,因此被广泛应用于航空航天、汽车工业和日常生活中。然而陶瓷材料的韧性问题阻碍了其在结构领域的应用。由于碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性能,因此,将碳纳米管添加到陶瓷中来提高陶瓷的韧性是一种有效的方法。通过酸洗的方法使碳纳米管表面带上含氧官能团,进而吸附表面带有正电荷的氧化铝颗粒,这使得碳纳米管均匀分散于氧化铝基体中,并提升了碳纳米管和基体之间的界面相容性。采用热压的方法制备了碳纳米管一氧化铝复合材料。通过力学性能测试,发现在氧化铝陶瓷基体中添加1.5wt.%的碳纳米管所制得的复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别为403.6MPa和4.21MPa.m1/2,相对于纯的氧化铝陶瓷分别提高了38%和35%。碳纳米管含量继续增加,由于碳纳米管发生团聚,复合材料的性能开始下降。采用热压法制备了碳纳米管—氮化铝复合材料。碳纳米管一氮化铝复合材料的性能随着烧结温度的升高而升高。当烧结温度为1750℃,保温1h,AlN-1wt.%CNTs复合材料的断裂韧性达到了3.89 Mpa·m1/2,相对于纯的氮化铝陶瓷提高了16%。碳纳米管含量继续增加,复合材料的性能开始下降。通过观察碳纳米管一陶瓷复合材料的显微结构,发现碳纳米管和陶瓷基体之间紧密的连接,碳纳米管的拔出,碳纳米管的桥连和裂纹的偏转导致了复合材料韧性的提升。

关键词： 陶瓷基复合材料   Z-pins   有限元分析   层间剪切   断裂韧性  

摘要： Z-pins增强二维编织陶瓷基复合材料,是在二维编织陶瓷基复合材料厚度方向插入Z-pins,达到提高层间断裂韧性、抗分层和抗冲击性能的目的。作为一种一体化设计的新型材料,Z-pins增强二维编织陶瓷基复合材料有重要的应用前景。因此,研究Z-pins增强陶瓷基复合材料的层间力学行为,对于材料设计和材料应用方面具有重要的意义和价值。本文通过结合Z-pins增强平纹编织陶瓷基复合材料层间剪切试验,采用有限元分析方法,分别建立了不同切口深度、有无固定夹具以及不同Z-pins的个数情形下的有限元模型,对比分析了切口深度、固定夹具、Z-pins的植入以及Z-pins的个数对层间应力分布的影响。研究表明:切口深度越大,切口附近的层间应力集中现象越明显,层间剪切强度随切口深度增加而减小。固定夹具可以使得试件受剪切面上的应力更均匀。植入一定数量的Z-pins减小了切口附近的集中应力区域,可以有效地提高平纹编织CMC的层间剪切强度。通过结合双悬臂梁试件试验,建立DCB试验有限元分析模型,用内聚力模型(CZM)模拟基体开裂,采用实体单元模拟Z-pins,分析Z-pins与层合板之间,在裂纹扩展过程中,Z-pins的脱胶和拔出过程,从而研究Z-pins增强陶瓷基复合材料Ⅰ型层间应变能释放率的影响。研究表明:Z-pins增强平纹编织碳/碳化硅陶瓷基复合材料,在增加Z-pins直径、减小Z-pins的间距、增加单位宽度上Z-pins的个数的情形下,都可以提高材料的Ⅰ型层间断裂韧性。

关键词： 陶瓷基复合材料   SrSO4   摩擦学性能   高温自润滑  

摘要： 本文用化学沉淀法制备了不同颗粒尺度、微观形貌的SrSO4纳米粉体。选用具有耐磨损、耐高温和良好力学性能的Zr O2（3mol.%Y2O3）-20wt.%Al2O3（TZ3Y20A）作为基体材料,试验制备的SrSO4纳米粉体作为固体润滑剂添加到TZ3Y20A粉体中,放电等离子烧结出TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基自润滑复合材料。试验利用SEM、XRD、Raman、维氏硬度仪、密度天平、高温摩擦磨损试验机等测试手段观察了SrSO4粉体形貌,探究其生长机制,研究了TZ3Y20A-SrSO4复合材料的组织结构、力学性能以及摩擦学性能。改变试验中的Sr2+与SO42-浓度比能得到不同形貌、粒度的SrSO4。Sr2+与SO42-浓度比较低时制备出棒状的SrSO4粉体,其颗粒的平均粒度为长约250 nm,宽约100 nm,随着Sr2+与SO42-浓度比增加,能够制备片状的SrSO4粉体,其颗粒的平均粒度为长约350 nm,宽约300 nm。TZ3Y20A-SrSO4复合材料烧结后物相主要由t-Zr O2、α-Al2O3及SrSO4构成。SrSO4在复合材料中的含量不断增大,材料整体的致密度、硬度都不断增大。TZ3Y20A测试温度由室温至600℃升高,平均摩擦系数、磨损率随之增大。数值曲线的波动越来越剧烈,波动的幅度也越来越大。TZ3Y20A室温下,平均摩擦系数、磨损率分别为0.42、9.2 10-6 mm3/N m,在600℃时,平均摩擦系数0.91,磨损率为3.6 10-5 mm3/Nm。而对添加棒状SrSO4的TZ3Y20A-50wt.%SrSO4复合材料,随着测试环境温度的升高,平均摩擦系数、磨损率均是先增大后减小,都是在200℃时最高,600℃时最低,在600℃下的平均摩擦系数为0.22,磨损率为0.03 10-5 mm3/N m,对添加片状SrSO4的TZ3Y20A-50wt.%SrSO4复合材料摩擦系数、磨损率随着测试环境温度的升高,同样是在200℃时最高,600℃时最低,600℃下摩擦系数、磨损率则为0.26、0.2 10-5 mm3/N m。TZ3Y20A-SrSO4复合材料具有明显优于基体陶瓷材料的摩擦学性能,随着SrSO4含量不断增加,复合材料摩擦系数和磨损率都有所降低,摩擦性能得到改善。棒状的SrSO4与片状的SrSO4相比,因其颗粒尺度较小,有利于烧结的致密化,所以添加棒状SrSO4粉体制备的复合材料有更高的致密度以及维氏硬度。在磨损过程中,添加棒状SrSO4复合材料形成更为均匀、平整、致密的表面润滑膜,从而得到更低的摩擦系数和磨损率,表现出了更加优异的摩擦磨损性能。SrSO4具有塑性变形能力,测试温度升高,SrSO4的塑性变形能力变强,SrSO4在磨损表面富集。受到摩擦剪切力和压应力的作用,富集的SrSO4平铺在磨损表面,逐渐形成一层致密、均匀、光滑的自润滑膜在摩擦磨损过程中表现出了减磨润滑的作用,整体提高了材料的摩擦磨损性能。