可重复使用热防护材料研究进展

具有轻量化、耐高温、高抗损伤、重复使用、易于维护等性能的热防护材料是空天往返飞行器的关键材料,影响飞行器的先进性、可靠性、维护性和经济性。本文针对可重复使用飞行器机身大面积、头锥、翼前缘以及控制面等部位所需的热防护材料,综述了刚性隔热瓦、柔性隔热毡、抗氧化C/C、C/SiC、TUFROC等可重复使用热防护材料的发展历史、研究现状及在飞行器上的应用情况。总结了高温服役过程中典型热防护材料的损伤及性能衰减行为,并提出以材料损伤为基础,研究材料的可重复使用性能及寿命预测方法。最后,提出研制高性能可重复使用热防护材料、发展热防护材料可重复使用理论方法与标准、建立可重复使用热防护材料数据库是该领域今后需要重点关注的方向。

三元乙丙橡胶绝热层混炼胶贮存老化性能研究

绝热层混炼胶老化性能决定了绝热层使用前的贮存时间,为了掌握绝热层混炼胶贮存时间对绝热层后续使用性能的影响,以控制绝热层混炼胶贮存时间,采用热氧老化试验研究绝热层混炼胶老化不同时间后性能的变化。结果表明,随着老化时间延长,硫化剂(DCP)在高温条件下发生分解、三元乙丙橡胶(EPDM)分子链发生断裂,绝热层力学性能、硫化性能、粘接性能及凝胶分数逐渐降低,其他理化性能无明显变化。由此说明为有效提高绝热层高温贮存有效期,延长使用寿命,应严格关注贮存温度同时远离光照及紫外线照射。

典型复合材料结构固化变形仿真预测与控制验证

针对典型复合材料结构固化成型过程中变形难以控制的问题,本文对典型复合材料结构的固化变形进行仿真预测,从固化工艺和模具补偿两方面对固化变形加以控制和验证。固化工艺方面以各设计点变形数据为基础确定了最优固化工艺曲线,模具补偿方面提出了一种构件有限元模型自适应调整的方法,综合考虑固化工艺参数与模具型面补偿采用了一种基于全局补偿量的协同控制方法。结果表明,通过仿真模拟L形构件的固化变形误差为12.4%,借助响应面优化算法得到的L形构件最优固化工艺曲线其固化变形预测值与各试验设计点最大变形的最小值偏差不超过3.3%;T形加筋壁板有限元模型经自适应调整后,对于下表面与目标型面之间的偏差距离,数值模拟值与试验测量值的最大相对误差为17.20%。通过全局补偿量的协同控制方法对半筒形壁板的模具进行补偿,其固化变形最大值相比于传统单一模具型面补偿控制方法降低了接近90%。

复合纳米自润滑金刚石砂轮磨削SiC陶瓷的试验研究

提出一种复合纳米自润滑金刚石砂轮的制备方法,并对制备的砂轮进行SiC陶瓷的磨削试验,分析砂轮表面不同质量分数的复合纳米颗粒对磨削性能的影响。使用MoS2、TiO2纳米颗粒作为自润滑砂轮基底的填充材料,采用复合纳米自润滑金刚石砂轮和传统金刚石砂轮进行磨削对比试验,研究复合纳米自润滑金刚石砂轮的润滑机制。研究结果表明,复合纳米自润滑金刚石砂轮自释放的纳米颗粒有效地参与了磨削区间的润滑,砂轮的法相力、切向力降低,提升了工件表面质量。在磨削深度为2~8μm内,复合纳米自润滑金刚石砂轮的具体表现为法向磨削力降低18.6%~38.7%、切向磨削力降低11.2%~28.6%,工件表面粗糙度降低13.9%~41.5%。根据本试验所得数据,当砂轮表面复合纳米颗粒质量分数为8%时,润滑性能和工件表面质量最佳。

湿热环境苯基阻尼硅橡胶加速老化与寿命预测研究

研究了苯基阻尼硅橡胶的湿热老化过程,重点考察了其拉伸性能、阻尼性能和压缩回弹性能。对于拉伸性能,实验研究表明材料拉伸模量和100%定伸应力均随着温度或者湿度的上升而逐渐提高。对于阻尼性能,损耗系数随着温度或者湿度的上升而逐渐下降。对于压缩回弹性能,压缩永久变形随着温度或者湿度的上升而逐渐上升。另外,温度对苯基硅橡胶性能的影响大于湿度。这主要归因于老化过程中同时发生了侧基氧化和水解,进而导致分子链交联和断裂同时发生。相比于分子链断裂,分子链交联占据了主导作用。最后,采用Peck模型预测了不同温湿度环境下苯基硅橡胶的贮存寿命。由于阻尼性能决定了苯基硅橡胶的减振性能,因此将损耗系数作为评价特征参数。结果表明,在25℃下,当相对湿度在80%~40%间变动时,苯基硅橡胶的寿命在18~39 a间变化。此研究有助于进一步理解苯基硅橡胶的老化过程,并且提供了不同湿热环境下苯基阻尼硅橡胶寿命预测的方法。

热处理工艺对复合熔体处理A356合金组织和性能的影响

利用熔体超声处理、Sr/Ce复合变质及热处理相结合的方法提高铝合金的强韧性,通过金相组织分析及力学性能测试研究了固溶处理对A356合金组织和性能的影响。研究结果表明,熔体处理有利于改善α-Al枝晶和共晶硅相,铸态合金的抗拉强度和伸长率分别达到215 MPa和9.5%;T6热处理后,共晶硅的形态由纤维状转变成独立分布的颗粒状,而除了伸长率之外,合金的力学性能都显著提高;随着固溶时间的延长,共晶硅的等效直径呈现先减小后增大的趋势,而长径比逐渐减小,合金的拉伸性能和硬度均呈现先增大后减小的趋势;当固溶时间为4 h时,合金的综合力学性能达到最佳,其抗拉强度、屈服强度、伸长率和显微硬度分别达到300、240 MPa、8.0%和110HV。

有限元仿真模拟在超声喷水无损检测用水套设计中的应用

水套在超声喷水穿透检测中具有重要作用,为设计出具有良好耦合效果的水套,减少水流紊流对声波耦合的影响,本文通过构建探头套几何模型、物理建模、数值求解的有限元仿真方法对探头水套进行流体动力学仿真。结果表明,在无整流装置下,从入水口射入的水流撞击探头套内壁,产生严重紊流,进入出水管后,紊流状态仍然保持,水流流线方向杂乱。增加整流装置后,探头套内紊流得到很好的抑制,使得进入出水管的水流流线方向趋向一致,这种现象随着整流片增多而效果越加明显。本文为后续模拟水流经过出水口后的水柱状态,特别是随着初始水流速度加大后的水柱状态,以及利用有限元多物理场模拟功能,在加入声场后,模拟紊流状况下声场的变化打下了基础。

TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具干切削TC4钛合金切削性能

钛合金因其化学活性和切削高温引起刀具磨损严重。刀具表面施加涂层是有效地延长刀具服役时间的方法。借助PVD阴极电弧蒸发技术,使用TiAlSi靶和CrAlSi靶交替叠加制成TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具,并使用这种刀具分别切削常规钛合金和3D打印钛合金。所制成的TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层表现了较高的硬度;切削钛合金时,刀具的磨损形式表现为涂层剥离,前刀面月牙洼,后刀面均匀磨损和刀尖崩刃。引起刀具磨损的主因是粘结,其次是高温氧化。三个切削用量中,切削速度对切削力和切削温度的影响要远大于切削深度和进给量对二者的影响。与常规TC4相比,3D打印TC4因伸长率和硬度下降,弹性模量提高促使切削温度和切削力均低于常规TC4,刀具寿命相应的延长。

俄罗斯液体潜射弹道导弹长期贮存材料工艺技术

对液体潜射弹道导弹长期加注贮存技术的发展进程、最新进展及研究现状进行概述。重点介绍俄罗斯液体潜射弹道导弹的结构设计、材料选取和制造工艺以及出厂加注封装和密封性检测方法,最后指出实现长期加注贮存的技术路径。

酚醛/硅改性环氧共混物空气环境降解残留物结构及组分研究

通过缩合反应,将端羟基聚二甲基硅氧烷(HTPDMS)与双酚A型环氧树脂(CYD-128)结合,制得环氧-聚硅氧烷共聚物(ES),随后与酚醛树脂共混改性,得到聚硅氧烷改性环氧/酚醛共混物(ES/PF)。利用热重-差示扫描热分析(TGA-DSC)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜附加能谱仪(SEM-EDS)以及X射线光电子能谱(XPS)等技术,深入研究ES/PF共混物的热性能及其在不同温度下的热解残留物化学结构和组分。实验结果显示,与纯酚醛树脂相比,ES/PF共混物在800℃空气气氛下的残余率提高了438%,最大放热速率从21.98 W/g降低至14.93 W/g,而在N_(2)气氛下,其残余率则略有降低,降幅为14.3%。此外,ES/PF共混体系在430~600℃内的热解凝聚相中,富含Si-O_(x)的杂化结构对碳层的稳定形成起到了关键作用,有效延缓和阻碍了树脂的进一步降解,进而提高了残碳率。在温度超过430℃时,残留物中硅元素的赋存形态发生显著变化,从430℃时的以SiO_(2)为主(占比超过80%),转变为600℃时的大部分为水合二氧化硅(SiO_(2)·nH_(2)O)。上述结果充分表明,硅元素在热氧条件下能够显著提升酚醛树脂的残碳量和热稳定性,但在N_(2)条件下,其影响受到一定程度的抑制,这可能归因于硅氧烷基团在热解过程中的吸氧机制。ES/PF共混材料体系的热解残留物结构及组分对于提升材料的热残余强度和耐烧蚀性能具有积极作用。

纳秒激光脉冲宽度对2024铝合金损伤特性的影响

飞机激光除漆对2024铝合金蒙皮可能造成潜在的损伤,需探究激光参数变化对基体材料表面的作用规律,其中脉冲宽度对激光-材料作用与材料损伤特性具有重要影响。本文采用COMSOL Multiphysics软件模拟分析了不同脉冲宽度时激光作用铝合金表面的温升特性,并借鉴ISO 11254 1-on-1激光损伤阈值测试方法研究了脉冲宽度对铝合金损伤阈值的影响,进一步分析了不同脉冲宽度下的烧蚀凹坑微观形貌、直径与深度变化规律。结果表明:铝合金表面峰值温度随脉冲宽度增加而降低;脉冲宽度从150 ns增加到240和330 ns时,铝合金损伤阈值从9.96 J/cm^(2)分别增加到11.24和12.66 J/cm^(2),当激光能量密度达到损伤阈值时,3μm厚氧化膜被完全损伤,破坏了铝合金表面完整性;烧蚀凹坑直径和深度随脉冲宽度增加而增加,深度受影响程度更大。该研究可为激光与材料作用的脉冲宽度选择提供一定的参考。

起重船用高强钢大厚板焊接残余应力的试验研究

以某型起重船结构为研究对象,采用焊接后热作为焊接残余应力消除措施,研究结构的残余应力情况及消除措施的有效性。首先采用焊态和经过焊接后热的两组试板进行焊接残余应力检测并对比,结果表明焊态的试板焊接纵向残余应力最高达552.5 MPa,接近材料的屈服强度;经后热的试板纵向残余应力最大为385.3MPa,与焊态相比降低了167.2 MPa,下降约30%;同时获取了残余应力分布情况。进一步对起重船导向基座结构的焊缝进行后热并进行应力检测,其纵向焊接残余应力最大值为310.8 MPa,远低于母材屈服强度。本文研究表明:起重船高强钢大厚板在焊态时焊接残余应力较大,需采取措施消除残余应力;采用焊接后热可以大幅降低高强钢大厚板的焊接残余应力水平,焊接后热具有较好的经济性和操作便捷性,在起重船建造过程中建议考虑对大厚板焊缝进行后热以消除焊接残余应力消除。

难加工材料纵扭超声振动辅助铣削加工研究进展

纵扭复合超声振动辅助铣削(LTUVAM)是在刀具轴向与扭转方向上施加高频微幅振动的一种辅助铣削技术,具有降低切削力与切削热、提高工件表面质量、提高表面残余压应力、减少刀具磨损等诸多优点。本文围绕难加工材料的铣削加工进行了系统综述。在设备制造方面,阐述了纵扭复合超声振动系统的结构设计方法与工作原理;在工艺开发方面,从LTUVAM的切削刃运动轨迹及切削特性入手,分析各类材料的切削加工性能,并总结了LTUVAM的优势及应用。最后,本文对LTUVAM的未来发展趋势进行展望。

2195铝锂合金氩弧焊接头组织分析及力学性能研究

针对T8态2195铝锂合金在氩弧焊焊时接头裂纹敏感性高、接头力学性能差等问题,开展2195铝锂合金焊丝研制工作,对接头的显微组织、抗裂性能及综合力学性能进行了研究。结果表明,2195铝锂合金熔焊接头主要由α-Al、Al_(2)Cu、Al_(3)(Ti,Zr)相组成,具备优异的抗裂性及力学性能,其裂纹敏感性K_(1)<1%,K_(2)=0%,接头常温抗拉强度约为390 MPa,延伸率为6.3%。BJ-4505焊丝的研制为2195铝锂合金工程应用提供技术支撑。

还原氧化石墨烯/酚醛杂化气凝胶的制备与性能研究

基于溶胶-凝胶技术,通过物理共混和常压干燥方法,制备了还原氧化石墨烯/酚醛树脂(RGO/PR)杂化气凝胶,考察了RGO/PR杂化气凝胶微观结构、热稳定性和介电性能随RGO含量的变化规律,并探索其作为防隔热/吸波复合材料基体的应用性能。结果表明:RGO片层结构均匀分散在酚醛气凝胶骨架中,RGO的加入可以有效提升气凝胶的热稳定性,当添加RGO的质量分数为4%时,杂化气凝胶的Tmax提升17.28℃;RGO对RGO/PR的介电性能有显著影响,2 GHz介电常数实部由2.6增加到4.7,可以实现对PR气凝胶电性能的灵活调控;气凝胶厚度为20 mm时,最低反射损耗小于-10dB;石英纤维增强RGO/PR杂化气凝胶经500 s表面温度为1200℃的烧蚀后,最大背温仅为186.31℃,表现出良好的防隔热性能。

结构参数对石英纤维针刺毡防隔热和力学性能的影响

为开发具有良好防隔热和力学性能的高性能石英纤维毡,基于传热数学方程,预测了石英纤维毡的厚度对其隔热性能的影响规律;为提高纤维毡的力学性能,探究了在纤维毡中添加不同层数的石英纤维布对其力学性能的影响规律;此外还探讨了针刺密度对石英纤维毡隔热性能和力学性能的影响。结果表明:石英纤维毡传热模型与实验吻合度可达94.8%;石英纤维毡厚度提升2 mm,其隔热性能提高20℃左右;添加石英纤维布可以显著提高纤维毡断裂强力和撕破强力;针刺密度可以提升纤维毡力学性能,但针刺密度过大会破坏纤维毡结构,使其力学性能下降。

热处理及晶粒组织对2A55超高强铝锂合金板材各向异性的影响

采用室温拉伸力学性能测试、X射线织构检测、EBSD分析等方法,对比研究了10 mm与2 mm厚度2A55超高强铝锂合金板材的平面各向异性,阐释热处理制度与晶粒组织对板材各向异性的影响。结果表明,热处理后板材屈服强度最高的取向为轧向(0°)与横向(90°);Taylor因子能较好地预测固溶态与T6态时效板材屈服强度的各向异性,织构是平面各向异性的重要原因;厚板更高含量的织构与长条状的晶粒形貌导致其各向异性强于薄板;时效热处理使10 mm厚度板材各向异性减弱,使2 mm厚度薄板各向异性增强;T3态、T8态板材的各向异性分别强于T4态、T6态,时效前的预变形增强了板材的平面各向异性。

SiBCN陶瓷前驱体改性邻苯二甲腈树脂的制备及性能研究

随着先进装备的发展速度越来越快,提升聚合物的耐温等级,对拓展其在航空航天领域的应用具有重要意义。本文通过利用SiBCN陶瓷前驱体改性4,4’-(1,3-苯氧基)邻苯二甲腈树脂(APN)制备了耐高温聚合物材料(CPN),研究了改性树脂的耐热性能及机理。该树脂具有优良的耐热性能,当SiBCN质量分数为20%时,CPN质量损失10%时的温度(T_(d)^(10))为608.07℃(N_(2)氛围)。动态力学分析(DMA)的结果表明,CPN碳纤维复合材料的玻璃化转变温度高于500℃,比APN-NH_(2)碳纤维复合材料的玻璃化温度高出约100℃;当SiBCN质量分数为40%时,CPN能够在900℃有氧环境下经过30 min处理后仍然保持完整形貌;研究发现,高温条件下CPN内部形成键能较大的Si—O和B—O键,从而显著提升其耐热性能。

模具材料线胀系数对复合材料固化变形的影响研究

为了研究模具材料线胀系数对复合材料固化变形的影响,面向复合材料零件热压罐固化成形工艺过程,针对复合材料成形模具材料与复合材料零件线胀系数不一致导致复合材料零件热固化变形的问题,研究了模具与复合材料零件相互作用关系,推导了模具对复合材料固化变形的理论模型,利用ABAQUS等仿真软件建立了模具温度场的数值模拟模型,并将模具热变形的模拟数据与复合材料零件变形的试验数据进行了对比分析。结果表明,不同材料模具型面各位置变形值与型面结构特征无关,与型面大小有关;模具材料与复合材料的线胀系数差异越大,复合材料零件变形量越大。

基于有限元模拟的铆接工艺参数优化

为提高铆接质量,从分析孔周应力分布与铆接工艺参数规律的角度入手,利用ABAQUS软件对不同铆接工艺参数的压铆过程进行了有限元分析。深入探究了预制孔倒角、下压量、铆接速度等工艺参数对孔周应力的具体影响规律。通过等值线图和望小特性函数等数据分析手段,成功确定了最优的铆接工艺参数组合,并进行了拉伸试验验证。实验结果表明,采用倒角深度为0.3 mm、铆接速度为15 mm/s、下压量为3.2 mm的最优工艺参数组合,可以显著减少连接域的孔周应力,进而提升铆接质量。