关键词： 陶瓷基复合材料   锆英石   颗粒补强   物相结构   微观形貌  

摘要： ZrSiO4陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等许多优良的性能，但陶瓷材料固有的脆性限制了它的广泛应用。颗粒补强锆英石基复相陶瓷因低成本、耐磨损和各向同性等特点而备受关注，其在耐火材料、超细粉体加工等方面具有广泛的应用前景。\n 本文采用传统特种陶瓷的制备工艺和无压烧结方法，分别制备了 Al2O3/ZrSiO4复相陶瓷、ZrO2/ZrSiO4复相陶瓷和 Al2O3/ZrO2/ZrSiO4复相陶瓷，并分别对其烧结性能、相组成、力学性能、微观形貌和强韧化机理进行了探讨。另外，本文重点研究了Al2O3/ZrSiO4复相陶瓷制备过程中配料球磨时间、成型压力、烧结温度和烧结助剂等工艺因素对其性能的影响。采用阿基米德排水法测量了所制备复相陶瓷的烧结性能，通过三点抗弯法和SENB法对复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性进行了测试，通过X射线衍射仪和场发射扫描电镜分析了复相陶瓷的物相结构和微观形貌。\n 研究所得结果如下：\n （1）所制备的 Al2O3/ZrSiO4复相陶瓷的增韧机制主要为裂纹偏转和微裂纹增韧，断裂方式为穿晶断裂，其抗弯强度和断裂韧性分别可达371MPa、3.4MPa·m1/2。其最佳制备工艺为：配料球磨时间为12h，成型压力为16MPa，无压烧结制度为1500℃/2h，烧结助剂为MgO-Y2O3（0.4wt%、0.7wt%）复合烧结助剂。\n （2）沿用Al2O3/ZrSiO4复相陶瓷的制备工艺，在1500℃/2h烧结制度下制备了ZrO2/ZrSiO4复相陶瓷，其增韧机制主要为相变增韧，断裂方式全部为穿晶断裂，其最佳抗弯强度和断裂韧性（ZrO2：30wt%）分别可达380MPa、4.8MPa·m1/2。\n （3）沿用Al2O3/ZrSiO4复相陶瓷的制备工艺，在1460℃/2h烧结制度下制备了Al2O3/ZrO2/ZrSiO4复相陶瓷，其增韧机制主要为裂纹偏转、微裂纹增韧和相变增韧，断裂方式主要为穿晶断裂，其最佳抗弯强度和断裂韧性（Al2O3、ZrO2：10wt%、20wt%）分别可达383MPa、4.4MPa·m1/2。

关键词： 陶瓷基复合材料   功能化   陶瓷复合材料   激光加工技术   CMC   精密加工   水刀   预浸   金刚石刀具   加工工艺   加工技术   三维编织   MRL  

摘要： 陶瓷基复合材料的精密加工是其功能化的关键步骤。由于其硬度高,一般多用金刚石工具进行切、磨、钻。其产业化要求实现精密低损伤和高速低成本。经典的特种加工,如电火花、水刀、超声、激光等需要一系列革新以满足加工要求。

关键词： C/SiC复合材料   弹性性能   热膨胀系数   热传导系数   分析系统   应力—应变曲线  

摘要： 随着陶瓷基复合材料在航空航天领域不断应用，C/SiC复合材料成为高温结构材料研究的重点。然而，对于单向C/SiC复合材料和2.5维C/SiC复合材料的研究还处于初始阶段，还需要一个逐步认识、逐步完善的过程。因此，开展对C/SiC复合材料力学性能和失效模型研究显得非常有必要。 采用刚度平均法，细观有限元法和Mori-Tanaka法计算了含孔隙微观模型的弹性常数，结合2.5维有限元单胞模型模拟了2.5维C/SiC复合材料经向和纬向的弹性模量，与实验进行了对比，并分析了工艺参数对其弹性模量的影响。最后，结合蒙特卡洛方法进行了2.5维C/SiC复合材料弹性模量分散性研究。 基于单向复合材料热性能的理论预测模型和有限元法，发展了2.5维C/SiC复合材料热膨胀系数和热传导系数预测模型，与实验进行了对比，并结合蒙特卡洛方法进行了2.5维C/SiC复合材料热膨胀系数和热传导系数分散性研究。针对2.5维复合材料性能数值模拟方法缺乏可视性，开发了一个模拟2.5维复合材料性能分析系统软件，该系统软件不仅具备人机交互界面，提高了工作效率，而且增加了可视性，极大地方便了复合材料工程实际的应用。 分别采用非线性弹簧单元有限元法和改进型细观力学法模拟了陶瓷基复合材料横向和轴向拉伸载荷下的应力-应变曲线，两种方法都充分考虑了界面脱粘问题。最后，基于上述研究，发展了一种2.5维C/SiC复合材料应力-应变曲线的模拟方法，该方法根据微观模型应力-应变曲线对2.5维单胞模型进行相应的刚度折减。结果表明，分析模型与实验较为吻合，验证了该方法的有效性。

关键词： 碳化硅   陶瓷基复合材料   力学性能   氧化机理   机械加工性能   润湿性  

摘要： 陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite，简记为CMC）是以陶瓷材料为基体，以陶瓷纤维、晶须、晶片或颗粒为补强体，通过适当的复合工艺制备的、性能可设计的一类新型材料。本论文将碳纳米颗粒与碳化硅复合制备的碳颗粒/碳化硅陶瓷基复合材料，有效地改善碳化硅陶瓷的机械加工性能，并将其应用于玻璃夹具、模具材料，提高了使用寿命，具有一定的强度和硬度，且使该材料不与高温玻璃熔体发生粘接。 本论文第一章首先综述C/SiC陶瓷基复合材料的研究现状及应用前景，归结了制备C/SiC陶瓷基复合材料的现代技术，其中主要是碳纤维增强的碳化硅（Cf/SiC）陶瓷基复合材料的制备技术。虽然，Cf/SiC陶瓷基复合材料各方面性能的研究较为成熟，然而，在C/SiC陶瓷基复合材料的未来工业领域，考虑到制备成本，可选用碳颗粒/碳化硅（Cp/SiC）陶瓷基复合材料。还阐述了机械力化学法合成复相陶瓷粉体材料是一种具有广阔应用前景的复相陶瓷材料制备方法，采用该方法制备在常规高温、高压条件下难以制备的特种陶瓷颗粒材料。同时，重点描述了机械力化学法制备陶瓷颗粒的原理和理论基础及其研究进展。另外，给出了本论文的研究目标和研究内容。 论文第二章根据机械力化学反应机理、采用常温下机械力化学方法原位制备Cp/SiC复合粉体，探讨了机械力化学法原位合成复合粉体的复合机理。采用现代表征方法（如X光衍射、热重和差热分析、扫描电镜和透射电镜等）对制备的样品进行了表征。另外，还分析和研究了不同的合成参数（如球料比、研磨时间、研磨方式等）对合成β-SiC以及后续原位复合得到Cp/SiC复合粉体性质的影响。研究结果表明，采用优化机械力化学合成参数，可有效地合成β-SiC并与多余碳纳米颗粒原位复合得到Cp/SiC的复合粉体。 论文第三章研究了采用喷雾造粒的方法以机械力化学原位合成Cp/SiC复合粉体为原料制备类球形Cp/SiC复合颗粒，并探讨了影响喷雾造粒过程的主要因素。另外，还研究了分散剂种类、分散剂用量、搅拌时间以及碳纳米颗粒含量等参数对合成Cp/SiC复合粉体在水介质中的分散性能的影响。结果表明，对Cp/SiC复合粉体固含量为45wt%的分散浆料采用喷雾造粒方法可有效地制得适宜的类球形实心Cp/SiC复合颗粒。 论文第四章研究了采用无压烧结的方法制备不同碳纳米颗粒含量（即，5wt%、10wt%、15wt%和25wt%）的碳化硅陶瓷基复合材料，探讨了无压烧结Cp/SiC复合陶瓷的烧结致密化机理，以及碳纳米颗粒含量对复合陶瓷的力学性能的影响。结果表明，添加碳纳米颗粒的碳化硅陶瓷基复合材料的无压烧结致密化机理与SiC陶瓷的无压烧结机理是一致的，即，烧结初期，膨胀机制占主导；烧结中期，收缩机制占主导，并抵消膨胀机制的作用；烧结终结前，膨胀机制略占主导。同时，随着碳纳米颗粒含量的增加，碳纳米颗粒/碳化硅陶瓷基复合材料的弯曲强度逐渐降低，显气孔率逐渐增大，硬度逐渐降低，但断裂韧性先增大后减小，并在碳纳米颗粒为15wt%时达到了极大值（2.58MPa·m1/2）。当碳纳米颗粒含量为0～15wt%时，陶瓷基复合材料的烧失率控制在5～6%之间。当碳纳米颗粒含量超过15wt%时，烧失率急剧增大，当碳纳米颗粒含量为25wt%时，其烧失率达到18%以上。 论文第五章研究了Cp/SiC复合陶瓷材料的氧化行为和抗热震性。结果表明，在400～700℃之间，Cp/SiC复合陶瓷在空气中的氧化过程受C-O2反应控制，呈均匀氧化，其显气孔率随氧化温度的升高而增加，弯曲强度随氧化温度增加而降低，当达到700℃时，为极小值；在700～1000℃之间，氧化过程受O2的气相扩散和O2通过微裂纹的扩散控制，可形成SiO2相。随温度增高，其显气孔率降低，弯曲强度增加，在1000℃时达到极大值；在1000～1100℃之间，O2通过SiC缺陷的扩散控制着复合陶瓷材料的氧化过程，显气孔率增加，弯曲强度降低。同时，随着碳纳米颗粒含量的增加，碳纳米颗粒大量聚集在晶界处，重复冷热循环容易降低复合材料的强度，出现裂纹的几率增大，抗热震性变差。因此，氧化温度和碳纳米颗粒含量是影响Cp/SiC复合陶瓷材料强度及氧化行为和抗热震性的关键因素。 论文第六章研究了碳纳米颗粒含量对Cp/SiC陶瓷的机械加工性能。结果表明，添加在Cp/SiC陶瓷中并均匀分布在SiC晶界处的碳纳米颗粒可改善Cp/SiC陶瓷的机械加工性能。但是，当添加的碳纳米颗粒含量超过15wt%时，材料内部形成了网络孔洞结构，导致其陶瓷材料致密度急剧降低。另外，依据采用机械加工速度V、机械加工性指数M、脆性指数B及可加工性能参数n综合评价Cp/SiC陶瓷的机械加工性能可知，当碳纳米颗粒含量为15wt%时，极大值Mmax为0.921，

关键词： 陶瓷基复合材料   本构模型   高温力学性能   连续介质损伤力学   Ansys二次开发  

摘要： 陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite：CMC）是一种在高温环境下性能优良的复合材料。国内外学者对CMC的本构行为进行了诸多研究，但是大都集中在常温、准静态和单轴载荷情况下的本构响应,由于CMCs通常在高温环境下使用，温度对CMCs材料力学行为的影响时不能忽略的，因此如何合理的建立考虑温度影响的CMCs本构模型，并将其应用与结构件的受力分析是必须首先解决的问题。 本文首先对CMCs的本构响应进行了实验研究，具体包括拉伸实验（室温和高温700℃）、压缩和剪切实验。并结合试件的断口形貌分析和细观显微结构的破坏分析揭示了材料在各自实验条件下的失效形式和失效机理。实验结果表明不管是在常温还是高温环境下，CMCs的拉伸和剪切响应都明显的表现出非线性的特性，随着温度的升高，材料的拉伸模量和破坏强度以及最终的失效应变都有明显的降低，造成这种现象的原因主要是在高温环境下由于基体裂纹的出现，导致纤维被氧化。常温压缩的试验曲线在较低应力水平下表现出线性，在高应力水平下具有非线性特性，但总体上压缩强度明显高于拉伸强度。 根据CMCs的应力-应变曲线表现出双线性的特点，本文在连续损伤力学的基础上提出了受损材料的Helmholtz自由能函数用以推导材料的本构方程和材料在受损后的耗散势函数用来控制材料的损伤演变。通过编写本文提出的本构模型的MATLAB程序，验证了提出的损伤本构模型在模拟材料本构行为方面的正确性和有效性。采用ANSYS二次开发平台UPFs对提出的本构模型进行编译，模拟了CMCs在常温和高温环境下的拉伸过程，模拟得到的应力-应变曲线和实验应力-应变曲线基本吻合，最后通过典型算例的对比验证，证明了本文提出的考虑温度的损伤本构模型能够有效的模拟材料在温度载荷下的力学响应。

关键词： 陶瓷基复合材料   多尺度力学方法   有限元模型   XCT   弹性性能  

摘要： 陶瓷基复合材料有着高弹性模量,低密度,工作温度高等特点,使得其在航空航天领域上应用的越来越广泛,国内外学者对CMCs进行了诸多力学行为研究,其中包括宏观力学方法,细观力学方法,多尺度力学方法。弹性性能作为材料的基本力学性能之一,其性能预测也备受关注,国内外学者建立了许多多尺度力学模型进行预测,但是这些模型都是基于理想结构,对于材料的弹性性能预测具有不稳定性,预测效果并不是很好。因此,怎样建立一个合理的模型才是首要问题。论文中结合了计算机断层扫描技术、C++程序编写以及有限元分析提出了一种新的多尺度力学模型预测理论---XCT有限元理论。在XCT有限元理论中,对XCT切片的像素逐个建立有限元单元,建立了有限元模型,实现了对各种复合材料的弹性模量预测。上述理论具有以下优点:(1)借助CMCsXCT程序以及材料CT切片以及颜色标记切片,可以实现对各种复合材料自动建模。(2)依据材在CT中显示的结构特点等,其建立的模型与材料的实体结构非常近似,因此预测的结果也相对精确。(3)不同于传统的实体结构建模,XCT有限元理论中,结合了提出的window method、体积平均法、以及基于压缩图像的XCT有限元方法,使得其模型单元的数目明显少于传统的实体建模。文中对C/SiC陶瓷基复合材料展开了以下实验:(1)通过计算机断层扫描技术获得了复合材料的CT切片;(2)通过纳米压痕实验获得了材料的基体弹性性能;(3)通过对纤维束的微观测试实验获得了纤维束的组分体积比;(4)展开拉伸剪切试验,获得了材料应力应变曲线,得到了弹性模量,并与预测结果进行了分析对比,发现结果吻合的很好。

关键词： 陶瓷基复合材料   化学气相渗透   孔隙演变   气体传输   热量传递   致密化行为  

摘要： 化学气相渗透法（CVI）是目前制备连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（CMC-SiC）广泛采用并且已经商业化的方法。然而，由于沉积反应和气相传质之间的复杂关系，CVI致密化工艺控制难度大和加工周期长。计算机数值模拟有助于理解CVI工艺机理，预测致密化过程，有效分析实验数据，缩短工艺参数优化的周期，因而具有十分积极的意义，已被普遍认为是对CVI实验过程的重要补充。然而，在目前的数值模拟研究中，大部分没有充分考虑纤维编织体中常见的双尺度孔隙，不能准确估算实际预制体传质、传热能力随致密化程度的演变，因而大大影响了数值模拟的可靠性和实用性。 本论文在已有实验研究基础上，利用水平集方法模拟CVI致密化过程的微结构演变，并建立合理的数学模型估算CVI致密化过程中的孔隙演变、气体输运和热量传递的变化，利用有限元方法对CVI制造过程中复合材料的多尺度致密化行为进行数值模拟和分析。主要研究内容和结果如下： 1.纤维束尺度孔隙致密化建模。根据纤维束内小孔和束间大孔的结构特点，利用水平集方法模拟界面的演变，稳态传输方程检测封闭孔的形成，建立模拟孔隙演变的数学模型，运用有限单元法数值模拟了大、小孔的结构演变，分析了预制体结构对大、小孔结构演变的影响，建立了描述大、小孔的结构演变的解析模型。得到的主要结论有：（1）当束内孔隙率低于22%时，封闭小孔开始出现；（2）当束间大孔孔隙率低于18%时，封闭大孔开始出现；（3）小孔的结构演变主要与初始孔隙率和纤维束截面长径比有关；（4）大孔的结构演变主要与水平方向上孔隙宽度与纤维束距离比例相关。 2.预制体尺度孔传质建模。根据预制体的结构特点，利用水平集、质量和动量守恒方程，建立了计算CVI过程气体传输能力的数学模型，运用有限元方法数值模拟了各种复合材料的气体传质能力随结构演变的变化情况，建立了估算CVI过程复合材料传质能力的解析模型。结果表明：（1）二维纤维布叠层复合材料的厚度方向的气体传质能力比面间的小一个数量级，水平方向的气体传质能力与孔隙宽度与纤维束距离之比相关，厚度方向的气体传质能力受纤维束截面的长径比和水平方向上孔隙宽度与纤维束距离比例两者影响；（2）残余孔隙率对复合材料的气体传质能力影响不可忽略；（3）预制体结构对气体渗透系数的影响远大于扩散系数。 3.预制体尺度孔传热建模。根据预制体的结构特点，利用水平集和热量守恒方程，建立了计算CVI过程热量传递能力的数学模型，运用有限元方法数值模拟了各种复合材料的传热能力随结构演变的变化情况，建立了估算CVI过程复合材料传热能力的解析模型。主要结论有：（1）大、小孔的体积分数和结构特点对致密化阶段的预制体的热导率有很大的影响；（2）残余孔洞将大大降低CVI-CMC的热导率；（3）CVI-CMC的热导率不但与几何结构、组元热传导能力，还与各组元的结合和基体微裂纹情况密切相关。 4.反应器尺度预制体致密化建模。根据等温化学气相渗透法（ICVI）工艺的特点，利用传质学和化学反应动力学的基本理论，建立了纤维束内小孔和纤维束间大孔CVI过程的数学模型，运用有限单元法，实现了预制体内大、小孔的ICVI过程的致密化行为的数值模拟，为耦合反应器的跨尺度数学模型提供了重要补充。建立的数学模型也可用于考察其它气相体系的CVI沉积过程的致密化行为。得到的主要结论有：（1）模拟与实验结果对比表明，在相对低温（1000℃），相对低压（P<15kPa）的工艺条件下，纤维束内的沉积反应符合一级反应。HCl主要抑制了三氯甲基硅烷（MTS）在气相中的分解，对非均相表面反应没有明显的影响；（2）对渗透均匀性影响最大的工艺参数是温度，降低温度有利于渗透均匀性但会延长渗透时间，降低总压有利于大孔的渗透均匀性但会延长致密化时间，降低总压对小孔的渗透均匀性没有影响，MTS的摩尔分数对渗透均匀性影响不大；（3）纤维半径的减小和纤维束厚度的增加不利于小孔渗透的均匀性，预制体厚度的增加和纤维束厚度的减小不利于大孔渗透的均匀性；（4）在5kPa下，保证纤维束内小孔和大孔均匀致密的临界温度分别约为1050℃和1100℃；（5）致密化行为分为三个阶段：表面小孔控制阶段，表面大孔和内部小孔的联合控制阶段和大孔控制阶段。密度梯度在第一阶段形成，第二阶段减小，在第三阶段几乎保持不变；（6）ICVI法制备碳纤维增韧碳化硅基复合材料（Cf/SiC）时，制备温度的最优方案是前70小时950～1000℃，然后温度提升至1100℃。

关键词： 透波材料   隔热材料   学科   保温材料   绝缘材料   非氧化物   陶瓷基复合材料   陶瓷复合材料   陶瓷纤维   人造无机纤维   事业部   陶瓷缸套   氧化锆   锆化合物   设计院   工业陶瓷   山东   有限公司  

摘要： 山东工业陶瓷研究设计院有限公司新材料事业部,致力于先进陶瓷及其复合材料的新工艺和新技术的研究开发和工程化转化,搭建军民两用新材料的科研和生产基地,培育新业务、新产业,为公司产业提供技术支撑。新材料事业部下设四个学科、军品部、氧化物民品部、以及非氧化物民品部等七个实业部门。四个学科分别为防隔热材料、透波材料、特种陶瓷纤维以及特种陶瓷涂层。其中。防隔热材料学科主要开展超高温陶瓷基复合材料、刚性隔热材料、气凝胶隔热材料以及防隔热一体化材料等方向的研究,旨在

关键词： 连续纤维增韧碳化硅复合材料(C/SiC)   分离式Hopkinson压杆   动态压缩   压缩强度  

摘要： 连续纤维增韧的碳化硅复合材料（以下简称C/SiC）,作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境（高温、高应变率）下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293;273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。

关键词： 陶瓷材料   产业化   先进结构陶瓷   粉体   陶瓷基复合材料   陶瓷复合材料   贾德   研究所   特种陶瓷   哈尔滨工业大学   哈工大   副所长  

摘要： 可通过成立技术创新联盟的方式,构建以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系,形成领域交叉,上下游行业联合。在推动新型陶瓷材料的国产化进程中,现在面临的最大问题是相关基础材料短缺或性能不足。规范新型陶瓷材料业的"四化",即产品生产标准化、经营行为规范化、产品功能多样化和售后服务系统化。