2D-C_f/SiC复合材料蠕变断裂及损伤机理研究

研究了2D-C_f/Si C复合材料在空气中,温度分别为700℃和900℃,蠕变应力分别为50MPa、75MPa和100MPa条件下的蠕变断裂及损伤机理。运用拉森-米勒参数法拟合材料的蠕变断裂时间,使用扫描电子显微镜分析其微观组织和断口形貌以进一步揭示其蠕变断裂机理。结果表明:2D-C_f/Si C复合材料的蠕变断裂寿命与温度和应力密切相关,较高温度或应力会降低材料的蠕变断裂寿命;在蠕变过程中,材料除发生应力损伤外,还会发生氧化损伤;2D-C_f/Si C复合材料的氧化损伤比应力损伤对蠕变断裂时间有更显著的影响。

平纹编织SiC_(f)/SiC复合材料的中温蠕变断裂时间及损伤机制

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是制造下一代航空发动机热结构件的关键材料,中等温度(~800℃)下,SiC_(f)/SiC的蠕变断裂时间t_(u)显著下降。为此,研究了平纹编织SiC_(f)/SiC(2D-SiC_(f)/SiC)在空气中500~1000℃的蠕变性能及损伤机制,应力水平为100~160 MPa。利用SEM、TEM和EDS分析了断口形貌、微观组织和化学成分。结果表明:2D-SiC_(f)/SiC的t_(u)与温度和应力水平有关。相同温度下,2D-SiC_(f)/SiC的t_(u)随着应力增加而变短。当温度为800℃、蠕变应力大于基体开裂应力(PLS)时,2D-SiC_(f)/SiC发生中温脆化现象,其t_(u)下降。2D-SiC_(f)/SiC的中温脆化机制为基体开裂、BN界面氧化和SiO_(2)替代BN界面导致的强界面/基体结合。2D-SiC_(f)/SiC的t_(u)与应力在对数坐标下呈线性关系,且在过渡应力时发生线性转变,过渡应力与PLS一致。提高PLS能够有效提高SiC_(f)/SiC的t_(u)。

2D-SiC_f/SiC复合材料抗拉强度统计分布规律

2D-SiCf/SiC复合材料是航空航天领域热端构件的关键材料。材料抗拉强度的统计分布规律在构件的设计与分析中发挥着重要作用。本文测试了化学气相渗透方法制备的2D-SiCf/SiC的室温和1 200℃的抗拉强度,并使用扫描电子显微镜进行了断口形貌分析。采用Weibull分布、正态分布和对数正态分布等三种模型分析了测试结果,并根据Anderson-Darling检验方法进行了检验。结果表明,Weibull分布对2D-SiCf/SiC抗拉强度拟合优于正态分布和对数正态分布。根据Weibull模数大小,1 200℃抗拉强度的分散性大于室温抗拉强度的分散性。利用二参数Weibull分布精确预测了2D-SiCf/SiC室温和1 200℃抗拉强度。分析表明2D-SiCf/SiC抗拉强度的分散性主要来源于纤维/基体界面结合强度和纤维强度的分散性。

孔隙率对三维针刺C／C复合材料电磁屏蔽性能的影响

通过多次重复先驱体浸渍裂解(PIP)工艺过程,改变材料的孔隙率和体密度,制备不同孔隙率的三维针刺碳/碳(C/C)复合材料,并研究了在8.2～12.4GHz频率范围内(X波段)不同孔隙率C/C复合材料的电磁屏蔽效能。结果表明:适当降低孔隙率有利于提高C/C复合材料的总电磁屏蔽效能和电磁吸收屏蔽效能,当开气孔率为33.4%时,C/C复合材料具有最大的电磁屏蔽效能(40dB),且电磁吸收屏蔽效能(30dB)远大于电磁反射屏蔽效能(12dB),是极具潜力的高吸收低反射电磁屏蔽材料。

2D C/SiC缺陷的无损检测与评价

采用化学气相渗透法制备了内置异物质缺陷的2D C/SiC复合材料,利用红外热成像、X射线照相和计算机断层扫描(工业CT)三种技术对C/SiC试样进行无损检测。研究了内置缺陷试样的三点弯曲性能。结果表明:X射线照相适用于检测试样中有明显密度差异的缺陷;红外热成像检测适用于检测材料中导热系数较差的孔洞及分层缺陷;工业CT可以检测材料的局部横截面密度差异、孔洞和分层等缺陷的细节特征。2D C/SiC材料在受弯曲载荷时,容易从内置异物质缺陷处开裂,且随该缺陷长度增加,其抗弯强度及临界裂纹扩展能降低。

疏水表面及其减阻研究

本文简述了疏水表面及其减阻的基本原理,概述了国内外研究者构造疏水表面所采用的技术工艺及最新研究成果。对疏水表面用于减阻的最新研究进展进行了综述,指出现阶段疏水表面存在的不足以及用于减阻所面临的问题,提出采用气相沉积结合原位反应渗透等工艺制备疏水、耐磨、耐腐蚀、结合力好的减阻疏水表面。

丙烯化学气相沉积热解碳的动力学研究

以丙烯为碳源,利用磁悬浮天平热重系统研究了化学气相沉积热解碳的原位动力学,采用气质联用仪对热解气相冷凝物进行了定性和半定量分析.结果表明:当稀释比为4,总压力为6kPa,丙烯流量为20sccm时,丙烯在850～1100℃之间的热解反应表观活化能为(201.9±0.6)kJ/mol,沉积过程为气相均相反应控制,高温时冷凝物以单环芳烃为主,低温时主要为双环和多环芳烃;在900和1000℃下,丙烯分压在0.3～6.5kPa范围内的热解为一级反应;由于受有效反应时间和丙烯通量的共同作用,沉积速率随滞留时间的延长先增大后减小,在900℃下滞留时间为0.6s时出现最大值.

化学气相沉积碳化硅的热力学分析

根据吉布斯自由能最小原理,采用FACTSAGE计算软件,重点对MTS/H_2体系化学气相沉积碳化硅进行了均相平衡计算,评价了体系中主要化合物对沉积碳化硅的作用.结果表明,低温和高压下,SiCl_4和CH_4的含量最多,不饱和物质和自由基的含量非常少,温度的升高和压力的下降可显著提高不饱和物质和自由基的浓度;高温和低压下,SiCl_2和C_2H_2可能是形成碳和硅的主要先驱体,其它稳定物质如碳氢化合物、有机硅化合物和硅烷等由于浓度太小和表面反应粘结系数低,对碳化硅的沉积可以不予考虑;体系中几乎没有含Si-C和Si-Si键的物质,说明碳化硅是经过碳和硅独立形成,二者的相对速率决定了碳硅比.

先驱体制备典型陶瓷(C,SiC和B_xC)的化学反应机理研究

以C3H6(丙烯)+H2,MTS+H2,CH4+BCl3+H2,C3H6(丙烯)+BCl3+H2为先驱体,采用量子力学结合统计热力学、变分过渡态理论和反应动力学等方法,研究制备典型陶瓷(C,SiC和BxC)的化学反应机理。重点阐述用精确量子化学方法获取可能中间体、过渡态的结构与热化学数据、用化学势极小原理确定复杂体系化学平衡规律,以及确定化学反应通道、最佳反应途径、速率常数和反应动力学规律等。为这些陶瓷材料应用于层状碳、抗氧化SiC以及自愈合BxC陶瓷的成分控制和工艺优化提供科学基础的同时,本文也指出理论方法中的不足和改进方向。

开孔氧化铝薄膜／铝合金基体热屈曲变形和应力分析

假设薄膜和基体界面处于理想结合状态,基于应变协调理论,采用有限元软件(ANSYS8.0)分析了不同膜基比(hc/hs)和开孔对氧化铝薄膜/铝合金基体系统热屈曲变形、热应力的影响。结果表明,当矩形薄板发生热屈曲时,曲率和热应力均随膜基比非线性变化。随着膜基比的增加,曲率不断减小,而薄膜和基体中的热应力表现出不同的变化趋势,基体中的热应力随膜基比的增加而增加,薄膜中的热应力随膜基比的增加而减小。当hc/hs<0.005时,曲率受膜基比的影响非常大且曲线较陡;当hc/hs>0.005时,曲率随膜基比的增加而缓慢减小。开孔能在一定程度上缓解系统的热屈曲变形,但是这种缓解程度相对较小。无孔时系统中的热残余应力在面内基本上都是均匀分布的,而开孔时系统中的热残余应力分布不再均匀,特别是在小孔附近产生了严重的应力集中现象,膜基比越小则应力集中现象越严重。

铝合金圆板上碳化硅涂层热应力有限元分析

假设涂层和基体界面处于理想结合状态下,且不考虑涂层中缺陷的影响,采用有限元软件(ANSYS 8.0)分析了5～30μm厚碳化硅涂层中的热变形和热应力。结果表明,在平面法线方向(z方向)上,涂层/基体系统在热应力作用下发生热屈曲,圆心处z方向热变形为0.05mm,而在边缘处z方向热变形为-0.08mm;热变形呈现轴对称的特点,其危险区域在上下表面的圆心部位,该处的热变形最大,也最容易造成该处涂层胀裂失效;对于不同直径的圆板,发生热屈曲时均存在一个类似的z方向零位移环,并且该z方向零位移环的位置与圆盘半径有关,而与涂层厚度无关;计算得出5～30μm厚碳化硅涂层中的热应力约为2.45～11.00GPa,该值远高于1mm厚4043铝合金基体中产生的热应力(24.68MPa);圆板热屈曲后拱起高度和热应力均随涂层厚度的增加而增加。

超细、纳米晶WC-Co硬质合金烧结技术的研究现状

WC-Co硬质合金因高硬、耐磨而在切削、采矿和耐磨零件等领域广泛应用。研究发现,当WC晶粒尺寸小于0.5μm时(即超细、纳米晶WC-Co硬质合金),与普通硬质合金相比,材料的硬度和强度显著提高,其韧性也同样会有所提升。因此,晶粒细化有助于改善硬质合金的力学性能,从而延长其使用寿命。长期以来,有关硬质合金性能改善方面的研究多关注于从粉体出发,即通过采用超细纳米粉体和合理烧结工艺来实现超细晶和纳米结构硬质合金的制备。然而,在合金制备过程中其致密性与晶粒长大之间往往存在较为复杂的交互作用,如何保证在烧结过程中致密化的同时抑制WC晶粒长大是提高合金性能以及保证合金质量稳定性的关键技术问题之一。本文主要阐述了高温液相烧结制备超细、纳米晶WC-Co硬质合金过程中有关致密化和晶粒长大机制之间的关联性,从烧结工艺与添加剂两方面介绍了近年来国内外的研究现状。烧结工艺具体分为常规烧结工艺(主要包括氢气烧结、真空烧结和热等静压烧结等)和快速烧结工艺(主要包括微波烧结、放电等离子烧结、高频感应热烧结等),对比了上述烧结工艺之间的不同以及总结了不同烧结工艺的优缺点。在添加剂方面,重点介绍了过渡族碳化物和稀土元素对硬质合金烧结过程中晶粒生长的抑制作用,并在此基础上阐述了超细、纳米晶WC-Co硬质合金烧结技术的未来发展趋势。

3D打印陶瓷铸型研究与应用进展

陶瓷铸型是一类应用于熔模精密铸造领域、用于成型铸件内外部结构的复杂部件。随着铸件复杂度的提升,需要更加精细、复杂的铸型来满足铸造需求,然而传统的陶瓷铸型成型手段如注射成型等存在成本高、研发周期长等问题,难以满足复杂精细结构的成型要求。3D打印技术作为一种快速成型手段能够精准成型复杂精细结构,将其应用于铸型生产,不仅能够解决复杂结构的成型问题,同时也能降低生产成本、缩短生产周期。本文主要阐述了3D打印技术在陶瓷铸型生产中的应用,从应用于铸型3D打印陶瓷材料的种类及特性、典型铸型3D打印技术及铸型打印后处理手段三个方面对3D打印技术陶瓷铸型的研究与应用进行介绍,并对该技术未来的发展进行展望,指出3D打印技术能够有效解决复杂陶瓷铸型的成型问题,从而满足复杂空心结构金属件的铸造需求。