ZrB_(2)超细粉体改性C/C-SiC-ZrC复合材料的微观结构和烧蚀性能

为进一步提升C/C-SiC-ZrC复合材料的抗烧蚀性能,采用反应熔渗法(reactive melt infiltration,RMI)制备ZrB_(2)超细粉体改性C/C-SiC-ZrC复合材料,考察ZrB_(2)超细粉体含量对改性复合材料的微观结构和烧蚀性能的影响。研究结果表明:相较于未改性的C/C-SiC-ZrC复合材料,ZrB_(2)超细粉体的引入使C/C-SiC-ZrC复合材料的密度由2.25 g/cm^(3)增至2.40~2.48 g/cm^(3);ZrB_(2)主要分布在ZrC基体中,且分布均匀;ZrB_(2)超细粉体的添加显著提升了复合材料的抗烧蚀性能;电火花等离子体烧蚀120 s后,当ZrB_(2)超细粉体摩尔分数为2%时,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最低,分别为6.90 mg/s和2.26μm/s;在烧蚀过程中,氧化生成的ZrO_(2)黏附在材料表面,与具有一定流动性的SiO_(2)形成龟壳状的ZrO_(2)-SiO_(2)氧化层,该氧化层减少了烧蚀过程中等离子体向基体的扩散和热传递,有效提升了改性复合材料的抗烧蚀性能。

不同预制体结构制备C/C-SiC复合材料的微观结构演变及力学性能

采用缝合结构与针刺结构碳纤维预制体,经化学气相渗透法(CVI)和反应熔渗法(RMI)制备出C/C-SiC复合材料,系统研究了两种结构预制体制得的C/C多孔体微观结构、孔隙特征及C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能。结果表明:缝合结构C/C多孔体孔径呈双峰分布,孔隙多为纤维束间孔,针刺结构C/C多孔体孔径呈单峰分布,由于网胎的加入使得部分纤维束间孔转变为连通的小孔隙网络,经过模拟后者Z向绝对渗透率略大于前者,有利于后者后续RMI致密化过程(高密度,低开孔率,低残余金属);缝合结构C/C-SiC复合材料平均弯曲强度高于针刺结构C/C-SiC复合材料,二者都呈现“假塑性”断裂方式;针刺结构C/C-SiC复合材料密度更高,残余Si含量更低,但其纤维体积含量较低,长直纤维的完整性较差,使得复合材料承载性能较低。

SiZrCN纳米复相陶瓷的成分结构调控与吸波性能

以聚硅氮烷和四(二甲胺)锆为原料,利用单源先驱体法制备SiZrCN纳米复相陶瓷。研究先驱体的合成路径、聚合物-陶瓷转变过程及陶瓷高温结构演变规律。研究结果表明,通过对先驱体改性可精确调控陶瓷中的Zr含量,并提高陶瓷产率。1 100℃热解后的SiZrCN陶瓷为无定形,当热处理温度≥1 500℃时,形成以Si3N4为主相、纳米ZrCN颗粒和自由碳均匀分布于其中的纳米复相陶瓷。Zr的加入抑制了热处理过程中含氮相的碳热还原反应,显著提高了陶瓷的高温热稳定性,1 600℃热处理的SiZrCN陶瓷的质量损失率仅为SiCN陶瓷的1/3。通过改变Zr含量和微观结构对SiZrCN陶瓷的介电参数进行了调控,并获得了优异的吸波性能。其中,当15SiZrCN-1500陶瓷的厚度为1.8 mm时,最小反射损耗为-61.02 dB,有效吸收带宽可达4.56 GHz。纳米ZrCN和自由碳形成的异质界面极化和缺陷偶极子极化以及所构成的导电网络是SiZrCN陶瓷具有优异吸波性能的主要原因。

不同制动速度下炭布叠层炭/炭复合材料的摩擦磨损行为及机理

用模拟刹车制动的方法探讨了一种炭纤维布叠层炭 /炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损行为 ,并用扫描电子显微镜对摩擦表面进行了观察和分析。研究结果表明 :在 5m/s的制动速度下 ,该种材料表现出低的摩擦因数 ,但随制动速度升高至 2 0m/s时 ,摩擦因数迅速升高至最大值 0 .4 0 ;当制动速度增大到 2 8m/s或 30m/s时 ,摩擦因数仅略降低至 0 .35 ,该材料表现出优良的高速高能摩擦性能。另一方面 ,制动速度升高至 2 0m/s时 ,即摩擦因数最大时 ,磨损才变得明显 ,而且随制动速度的继续升高 ,磨损呈直线增大。表面显微组织观察表明 ,在较低制动速度下 ,在摩擦表面产生了薄膜 ,对应摩擦因数较低 ,磨损小 ;在 2 0～ 2 5m/s制动速度下 ,摩擦表面形成较厚的表面膜层 ,对应摩擦因数高 ,磨损大 ;在 2 8～ 30m/s制动速度下 ,剧烈的摩擦剪切和氧化作用使摩擦表面严重破坏 ,表面基质炭氧化严重 。

MoS_2对铁基摩擦材料烧结行为及力学性能的影响

MoS2作为润滑组元广泛应用于粉末冶金摩擦材料中。采用X射线衍射和能谱微区成份分析的方法,深入系统地探讨了铁基摩擦材料中MoS2的烧结行为,同时研究MoS2对这些材料力学性能的影响。结果表明:在烧结过程中,铁基摩擦材料中MoS2会分解为S与Mo,且分解后的S、Mo活性很大,与材料中其他组元相互作用,或产生液相,促进烧结致密化过程;随MoS2质量分数从0增加到8%,材料的物理-力学性能先升高后降低,MoS2含量为4%的材料性能最佳。

载气对CVIC/C材料密度和热解炭结构分布的影响

采用定向流动热梯度CVI工艺,以丙烯作炭源气,以针刺炭纤维整体毡作预制体分别研究了加氢气和氮气作载气对C/C复合材料密度和热解炭结构分布的影响。结果表明,载气对热梯度CVI C/C材料密度和热解炭结构沿径向分布的均匀性有重要影响。当其它工艺条件相同时,经过400 h的沉积,采用N2作载气时所得炭盘的平均体密度为1.54 g/cm3,炭盘密度沿径向分布的偏差Δρ为0.24 g/cm3,在炭盘的外侧易形成SL结构热解炭;而采用H2作载气时,可以得到平均体密度为1.67 g/cm3、热解炭结构分布高度均匀的全RL结构PyC基C/C复合材料,且炭盘密度沿径向分布的偏差Δρ仅为0.11 g/cm3,密度分布均匀性提高一倍以上。不管是采用N2还是H2作载气,炭盘的密度沿周向分布都十分均匀(Δρ≤0.02 g/cm3),且炭盘的较低密度部位均位于中间偏内侧。

准三维C/C复合材料的弯曲性能及其破坏机理

以碳纤维针刺毡为预制体,采用CVI法或结合液相法制备了热解碳、树脂碳和沥青碳基质的准三维C/C复合材料,并研究了这些材料的弯曲性能及其断裂机理。研究表明:对于热解碳基质,SL基质碳的弯曲强度明显高于RL和SL+RL两种基质碳;弯曲强度随密度增高而增大;致密度越高,基体支撑越强,同时微裂纹和孔隙度越低,弯曲性能越好。

基于蛇类生物的仿生变体机器人运动学研究

基于仿生机械学的原理，本文提出了仿生变体机器人的物理结构，讨论了仿生变体机器人的运动机理，分析了仿生变体机器人线形运动的基本步态。并对该机器人系统进行了运动学分析，实验结果证明了这种运动步态的可行性。最后指出了这种基本运动步态的局限性和改进的方向。

准三维C/C复合材料的层间剪切性能及其断裂机理

以炭纤维针刺毡为预制体,采用化学气相浸渗(CVI)法或结合液相法制备了热解炭、树脂炭和沥青炭基质的准三维C/C复合材料,研究了这些材料的层间剪切性能及其断裂机理。结果表明:CVI基质炭比沥青基质炭更有利于C/C复合材料的层间剪切性能的提高;剪切强度随密度增高而增大,致密度越高,基体支撑越强,同时微裂纹和孔隙度就越低,断裂裂纹不易形成或扩展,强度性能就越好;纯沥青基质炭试样为"突发"的脆性断裂方式,其他基质炭试样表现为韧性断裂方式。

针刺毡C/C复合材料磨擦制动压力和速度特性

用模拟刹车制动的摩擦试验机,研究探讨了一种针刺毡结构C/C复合材料在不同制动压力和制动速度下的摩擦磨损性能,并用扫描电子显微镜对摩擦表面进行了观察和分析。摩擦磨损机理由磨屑经挤压、剪切堆积在表面形成的磨屑层所决定。在5m/s制动速度或静态条件下,表面温度低(<150～200℃)吸附水气未脱附,其润滑作用导致了较低的摩擦系数值;当制动速度达到10m/s,摩擦使表面温度升高,达到了吸附水气脱附温度,引起摩擦系数急剧升高,达到了最大;此后,随制动速度及表面温度的继续升高,磨屑层间剪切强度降低,导致摩擦系数随之下降。在较高制动速度下,该种材料仍能保持较高的摩擦系数,显示出优良的高温高能摩擦性能。

不同刹车压力下C/C复合材料的摩擦磨损性能

研究了粗糙层和光滑层2种不同热解炭与树脂炭混合基体炭/炭复合材料在不同制动压力下的摩擦磨损性能,且对摩擦表面与磨屑进行了SEM观察和分析,并采用X射线衍射与激光喇曼光谱测定了在不同刹车压力下摩擦表面的石墨化度。研究结果表明:C/C复合材料的摩擦因数由摩擦表面所形成的摩擦膜所决定,随着刹车压力的增大,摩擦膜更完整平滑,摩擦因数呈降低趋势,磨损则随刹车压力的增大而呈增大趋势;粗糙层结构C/C复合材料即使在高制动压力下,仍能具有较高的摩擦因数,显示出优良的高压摩擦性能;高压下摩擦表面会发生应力石墨化作用,这是高压下摩擦因数下降的原因之一。

化学气相沉积ZrC陶瓷涂层的微观结构和抗烧蚀性能

为了提高碳/碳(C/C)复合材料的抗烧蚀性能,在C/C基体上成功制备了碳化锆(ZrC)高温抗烧蚀涂层。用常压化学气相沉积法,前驱体选用ZrCl4+C3H6+H2+Ar体系。通过调节C3H6的流量,制得3种碳锆原子比的ZrC陶瓷涂层(ZrC1.0+C,ZrC1.0,ZrC0.7)。分析了不同锆碳比ZrC涂层的相组成和形貌差异,研究了锆碳比对ZrC陶瓷涂层的烧蚀性能的影响。结果表明,3种ZrC涂层都可有效提高C/C复合材料的抗烧蚀性能,但由于微观结构特征不同,3种涂层显示不同的烧蚀性能和烧蚀机制。其中,ZrC0.7涂层试样烧蚀后,表面形成致密的氧化物层,烧蚀性能最佳,烧蚀240 s后质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.1×10-4 g/cm2.s和0.3×10-3 mm/s。

不同制动速度下针刺毡炭/炭复合材料的摩擦磨损行为

用模拟刹车制动的摩擦试验机 ,研究了 1种针刺毡结构炭 /炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损性能 ,并在光学显微镜下直接对摩擦表面进行了观察和分析 .研究结果表明 :在制动速度为 5m/s或静态条件下 ,针刺毡炭 /炭复合材料的摩擦因数很低 ,但在制动速度为 10m/s、能量较小时摩擦因数出现了峰值 ;在制动速度升高到 2 0m/s后 ,摩擦因数较高且随刹车速度变化趋于稳定 ,显示出优良的高能高温制动性能 ;只要制动速度不是极高 (如2 8m/s) ,这种材料均具有很好的抗磨损性能 ,其中磨损量在制动速度为 15m/s时达到最大值 ,该制动速度对应于飞机进出场滑行制动速度 ;摩擦表面微观结构及氧化状况取决于制动条件的影响 ,炭磨屑和基体炭在制动过程中会优先氧化 .

准三维C/C复合材料的压缩性能及其破坏机理

以炭纤维针刺毡为预制体,分别采用CVI法和CVI与结合液相法相结合的方法制备热解炭、树脂炭和沥青炭基质的准三维C/C复合材料,并研究了这些材料的压缩性能及其破坏机理。研究结果表明:压缩强度随致密度提高而增大;炭基体对压缩强度的影响从大到小依次为CVI炭,树脂炭和沥青炭;树脂炭的垂直压缩强度与CVI炭的垂直压缩强度相近,两者都高于沥青炭;3类基质炭试样的压缩破坏均表现为韧性断裂方式,其中平行压缩主要以分层劈裂的方式破坏,致密度较低的试样垂直压缩呈现出压溃破坏,致密度较高的试样垂直压缩表现为剪切破坏或分层破坏。

近零膨胀SiC基复合材料的制备与性能

为了减小SiC基复合材料的热膨胀系数,本文将正热膨胀材料SiC与负热膨胀材料β-锂霞石进行复合,制备出一种近零膨胀的SiC基复合材料,并系统研究β-锂霞石含量对材料孔隙率、微观结构、热性能和力学性能的影响。结果表明:随β-锂霞石含量增加,材料孔隙率降低,闭孔率增加,孔隙由不规则形状逐渐转变为球形。在孔隙率和β-锂霞石相的双重作用下,材料热膨胀系数减小。当β-锂霞石的质量分数从20%增加至50%时,材料在30~1 200℃的平均热膨胀系数从2.30×10^(-6)K^(-1)减小至-0.80×10^(-6)K^(-1),孔隙率从36.9%降低至12.9%,导热系数从6.31 W/(m·K)增大至8.85 W/(m·K),抗压强度从176.3 MPa提高至375.6MPa。

ZrC纳米粉体改性C/C-SiC复合材料的微观结构和烧蚀性能

为改善C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能,以ZrC纳米粉体和Si粉为反应渗料,采用反应熔渗(reactive melt infiltration,RMI)法制备ZrC纳米粉体改性C/C-SiC复合材料。采用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱仪等研究ZrC纳米粉体含量对C/C-SiC复合材料微观结构和烧蚀性能的影响。结果表明:随ZrC纳米粉体含量增加,复合材料的孔隙率增大,而密度变化不大。ZrC纳米粉体一部分弥散分布在SiC基体中,一部分则发生了团聚。烧蚀30 s后,ZrC纳米粉体摩尔分数为6%时,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最低,分别为2.0 mg/s和3.9μm/s。随ZrC纳米粉体含量增加,烧蚀过程中形成的ZrO_(2)含量增多,对SiO_(2)的钉扎作用明显增强,能有效提升C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。

CVI-SiC/TaC改性C/C复合材料的力学性能及其断裂行为

以针刺碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透工艺对预制体纤维进行PyC/SiC/TaC的多层复合模式的涂层改性,然后采用化学气相渗透和热固性树脂浸渍-炭化进行增密,制备出新型C/C复合材料。对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:包覆在碳纤维表面的PyC/SiC/TaC多层结构均匀致密、无裂纹,在C/C复合材料中形成空间管状网络结构;改性后C/C复合材料的抗弯强度和韧性均大大提高,平均抗弯强度达到522 MPa,断裂位移达到1.19 mm;复合材料弯曲断裂形式表现为脆性断裂,经过2000℃高温热处理以后,复合材料的抗弯强度下降,但最大断裂位移增大,弯曲断裂形式由脆性断裂转变为良好的假塑性断裂。

铜基航空刹车材料的烧结温度与烧结压力

采用粉末冶金的方法制备一种新型铜基粉末冶金航空刹车材料,研究烧结压力和烧结温度对材料显微组织和致密化的影响以及由此引起的材料摩擦磨损性能和行为的改变。结果表明:当烧结压力由0.5 MPa增加到1.5 MPa时,材料的孔隙度显著减少,材料的摩擦因数明显减小,磨损性能得到显著改善;当烧结压力由1.5 MPa提高到2.5 MPa时,材料的孔隙度进一步降低,但降幅较小,材料磨损性能稍有提高;当烧结压力达到2.5 MPa以后,继续提高烧结压力对材料的致密化程度以及摩擦磨损性能影响不大;当烧结温度由900℃升高到930℃时,材料密度显著增加,材料的磨损性能得到显著改善;当烧结温度由930℃增加至1 000℃时,材料致密化程度进一步增加,但材料的磨损性能变化不大。

模压法制备C/C-SiC复合材料的力学性能

以炭纤维、硅粉、石墨粉等为原材料,采用模压法制备炭纤维增强C/C-SiC复合材料;采用电子万能试验机测定材料抗弯、抗压强度与冲击韧性,利用扫描电子显微镜观察其断口形貌;研究纤维分布状态、纤维长度以及后续炭化处理对C/C-SiC复合材料力学性能的影响。研究结果表明:当分散纤维以单丝状态分布在基体中时,纤维与基体结合紧密,材料力学性能较佳;纤维长度为5 mm时,材料具有较好的综合力学性能,抗弯强度、垂直和平行抗压强度、冲击韧性分别为59.06 MPa,147.03 MPa,134.25 MPa和2.45 kJ/m2;后续炭化处理使材料压缩性能提高22%以上,冲击韧性则有所下降,断裂方式为脆性断裂。

微机电系统(MEMS)磨损的分形分析

基于M-B分形磨损模型,建立微机电系统(MEMS)表面磨损率与分形维数之间的关系,对MEMS表面的磨损规律与表面特性进行相关分析。结果表明,分形维数对MEMS表面磨损率的影响具有一定的规律性,当分形维数在某一范围时,磨损率随着分形维数的减小而迅速增大;当分形维数为1.5时,磨损率达到最小值。当分形维数一定时,磨损率随着尺度系数、磨损概率常数的增大而增加,随着MEMS材料性能参数的增大而减小。当其它影响参数保持一定时,磨损率随着MEMS表面接触面积的增大而增加。