SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料增韧机理及界面相微区性能测试方法研究进展

作为一种典型的陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC),SiC_(f)/SiC复合材料具有高比强度、耐高温、抗氧化和抗热震等优点,在航空航天领域应用前景广阔。纤维和基体中间的界面相具有保护纤维、传递载荷、偏转裂纹等作用,赋予SiC_(f)/SiC复合材料伪塑性断裂特征。界面相的设计方案会显著影响其微区性能,进而影响SiC_(f)/SiC复合材料宏观力学性能和损伤失效模式。近年来发展的基于聚焦离子束(focused ion beam,FIB)的微纳加工技术和基于纳米压痕的微观力学测试技术是表征SiC_(f)/SiC复合材料界面相微区性能的有效手段。本文综述了SiC_(f)/SiC界面相现有设计方案及界面相微区性能对增韧效果的影响机制,重点总结了单纤维顶出/顶入、微柱压缩等小尺寸力学测试(small-scale mechanical testing,SSMT)技术的应用现状及各方法的适用条件和优缺点。最后,对CMC界面相微区性能研究的发展趋势做了初步展望,并指出测试方法的标准化、测试环境的高温化及测试数据的模型化是未来的主要发展方向。

C/SiC陶瓷基复合材料表面Si/SiC涂层制备

采用新的泥浆预涂层 -反应烧结工艺在 C/ Si C复合材料表面制备 Si/ Si C致密涂层 ,重点研究了原材料、工艺条件对涂层性能的影响 ;采用 XRD分析涂层的组分及晶体结构 ,采用 SEM分析涂层的断口形貌。结果显示 ,采用 MC为胶粘剂、较低的裂解升温速度制备的预涂层性能最好 ;无 Si气氛存在直接高温烧结制备涂层性能差 ,而在真空环境下、 14 5 0～ 16 0 0℃温度范围高温烧结能够制备出致密的 Si/ Si C涂层 。

基于数字图像相关方法的SiCf/SiC陶瓷基复合材料力学行为表征

SiCf/SiC陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、高比强度等优异特性,是新一代先进航空发动机热端部件的理想材料。为实现SiCf/SiC复合材料在服役环境下的可靠应用,亟须开展复合材料力学行为表征研究。与引伸计、应变片等其他测试方法相比,数字图像相关方法(digital image correlation,DIC)具有非接触式、全场测量和可操作性强等优点,能够实现对复杂耦合环境下复合材料损伤断裂等力学行为的原位表征,因而受到广泛关注。本文系统梳理和总结DIC在SiCf/SiC复合材料室温拉伸、弯曲、爆破等力学测试中的应用进展,介绍DIC在SiCf/SiC复合材料力学加载过程的高温测量,最后对应用于SiCf/SiC复合材料的DIC表征技术进行了总结及展望。

超声辅助螺旋磨削SiCf/SiC陶瓷基复合材料

针对SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiC;/SiC)存在加工质量差、材料去除困难等问题,开展金刚石砂轮超声辅助螺旋磨削SiC;/SiC陶瓷基复合材料试验,研究其出口质量、孔壁形貌及孔壁表面粗糙度。结果表明:与传统制孔相比,超声辅助螺旋磨削制孔出口处材料无大面积崩边;砂轮磨削速度方向与纤维方向的夹角θ的周期性变化导致孔壁表面形貌呈现规律性变化。当θ在0°/180°时,纤维与基体多发生脱黏现象;当θ在45°时,纤维多发生剪切断裂;当θ在90°时,纤维多发生挤压断裂;当θ在135°时,纤维既发生剪切断裂又发生挤压断裂;孔壁表面粗糙度Sa在θ为90°时最低,在θ为135°时最高。在一定范围内,表面粗糙度Sa随着超声振幅的增大而降低,最大降幅为38.7%;随着进给速度的增大而升高,最大增幅为39.3%。

单颗磨粒划擦SiCf/SiC陶瓷基复合材料的试验研究

为研究SiC纤维(SiCf)增强SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)的磨削损伤机理,搭建试验平台开展单颗磨粒划擦试验,测量划擦力并观察其表面损伤形式,研究磨粒形状、划痕深度和SiCf取向对复合材料磨削机理的影响。试验结果表明:SiCf/SiC陶瓷基复合材料的划擦损伤形式主要有基体崩碎、纤维裂纹、断裂和拔出等。在SiCf/SiC陶瓷基复合材料划擦过程中,尖锐状磨粒的划擦力更小,且整条划痕的表面损伤范围较扁平状磨粒的小。用扁平状磨粒划擦但纤维取向γ=0°时,划痕形貌中纤维断裂、纤维拔出等损伤形式出现较少。

SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助切削试验研究

开展了SiCf/SiC陶瓷基复合材料的超声振动辅助切削试验研究,对比研究超声振动辅助切削及普通切削条件下切削参数对切削力的影响规律。结果表明:SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助切削时优选钎焊金刚石磨头,超声振动辅助切削相较于普通切削的切削力降低了10%~20%,主轴转速、进给速度、切削深度都会影响超声振动辅助切削和普通切削时的切削力。为降低切削力、减小刀具磨损,超声振动辅助切削主轴转速应控制在4000 r/min。

SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮导叶热疲劳试验研究与损伤分析

针对2D编织SiCf/SiC陶瓷基复合材料(CMC)低压涡轮导叶开展热疲劳试验研究。基于SiCf/SiC-CMC不导电的特性,通过高频电磁感应加热金属传热结构,再由金属热辐射加热CMC试件的方式建立热疲劳试验系统。开展了最高温度902℃且模拟CMC导叶径向温差的热疲劳试验。经过1000循环后,叶片质量减小,叶盆及叶背表面粗糙度明显增大,未出现破坏性长裂纹。通过电镜观测发现,叶片表面出现基体脱落形成的凹坑。对试验后的叶片表面及内部材料进行元素分析对比,发现叶片表面基体脱落处的SiC纤维出现了明显的氧化现象。

C_f/SiC陶瓷基复合材料的发展与应用现状

介绍了Cf/SiC复合材料的制备工艺,分析了各种制备工艺的优、缺点。描述了Cf/SiC复合材料近年来在航空涡轮发动机、热保护系统、光学结构及光学反射镜以及刹车片系统等领域的应用发展状况。对当前Cf/SiC复合材料研究存在的问题进行了分析,指出提高Cf/SiC陶瓷基复合材料抗氧化性仍是未来发展的一个重要研究方向。

C_f/SiC陶瓷基复合材料发展状况

Ｃｆ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料作为高温结构材料，在高性能发动机上具有潜在的应用前景。本文综述了制备Ｃｆ／ＳｉＣ 陶瓷基复合材料增强相 碳纤维的发展；Ｃｆ／ＳｉＣ 复合材料的基本制备工艺及性能（ 包括力学性能、复合材料氧化性能、界面性质等） ；复合材料当前的应用等各方面的发展。最后指出了有待解决的问题和今后努力的方向。

包渗法制备C_f/SiC陶瓷基复合材料MoSi_2—SiC—Si防氧化涂层

采用包渗法制备了Cf/SiC陶瓷基复合材料MoSi2 —SiC—Si防氧化涂层 ,研究了渗层同埋粉关系、包渗时间对包渗结果的影响 ,并对涂层防氧化性能进行了分析。结果表明 :包渗法制得的涂层致密、无裂纹 ,涂层起到了良好的防氧化作用 ,140 0℃在空气中氧化 1h后试样的质量保留率为 94.1% ,保留强度为2 94.

热压烧结法制备C_f/SiC陶瓷基复合材料研究

以有机硅先驱体聚碳硅烷为粘结剂，采用热压烧结工艺，制得了C_f／SiC陶瓷基复合材料，并对其三点弯曲强度进行了测试和分析。结果表明：该工艺方法可方便的制得强度较高的陶瓷基复合材料单向板;其三点弯曲强度与试样的高跨比有很大关系，高跨比越大，弯曲强度越小;当高跨比为0.073时，材料弯曲强度为475.1MPa，断裂功为4.47kJ／m^2;材料的应力-应变曲线与普通陶瓷不同，表现塑性变形的非线性弹性特征。

激光辅助高速微车削C_(f)/SiC陶瓷基复合材料切削力影响因素试验研究

C_(f)/SiC陶瓷基复合材料作为一种新型耐高温材料,在航空航天领域具有广泛的应用前景,但难加工特性带来了新的挑战。采用激光辅助高速微车削机床在C_(f)/SiC陶瓷基复合材料上进行外圆切削加工,以主切削力F_(z)为目标,优化C_(f)/SiC陶瓷基复合材料的切削参数。分别采用单因素试验与多因素正交试验研究工件转速n、切削深度a_(p)、进给速度v_(f)与功率密度q对x、y和z 3个方向切削力的影响规律,通过方差分析法指出各加工参数对F_(z)影响的主次顺序及最优参数组合。试验结果表明:与常规高速微车削相比,激光辅助高速车削技术能够改善各个方向切削力大小,切削力最大降低81.436%;各试验因素对F_(z)的影响从大到小依次为q>n>a_(p)>v_(f);最优加工参数组合为:q=400 W/mm^(2),n=4 000 r/min,a_(p)=20μm,v_(f)=20 mm/min时,F_(z)最佳为1.831 N。

开孔对平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料力学行为的影响

通过拉伸、压缩和疲劳实验结合断口显微观察并与光滑试样进行对比,研究开孔对平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料力学行为的影响。结果表明:开孔试样的拉伸行为和光滑试样一样表现为非线性,拉伸强度降低11.8%,拉伸破坏应变降低54.3%;开孔试样的压缩行为与光滑试样不同,低应力时表现为线性,应力增大到一定程度时由于裂纹闭合效应较为明显,开始表现出明显的非线性,压缩强度降低12.2%,压缩破坏应变降低54.9%;开孔试样的疲劳极限约为其极限拉伸强度的88%,与光滑试样相同;开孔试样在拉伸、压缩和疲劳载荷作用下都具有较小的应力集中系数,对开孔敏感性较小;开孔试样断口一般从孔中间穿过,破坏首先发生在试样孔边应力集中最严重的地方,断口方向与孔边初始缺陷有关。

自愈合C/SiC陶瓷基复合材料的制备工艺与性能

为了提高CMC-SiC高温抗氧化性和长时间服役的寿命,必须对CMC-SiC进行自愈合改性,使裂纹和孔洞处能够原位自生成玻璃相,以达到在服役过程中主动封填的效果,阻止氧化性介质向内扩散,降低PyC和C纤维的氧化损伤。

UD-C_f/SiC陶瓷基复合材料的高温拉伸性能

采用两种形状 (纺锤形、矩形 )的拉伸试样对热压单向 M40 JB- Cf/Si C和 T80 0 - Cf/Si C复合材料进行了高温拉伸强度测试 ,得到了 Cf/Si C复合材料的拉伸强度 ,并对纺锤形试样断裂应变的表达式进行修正 ,得出了复合材料的弹性模量。 M40 JB- Cf/Si C复合材料 130 0℃的拉伸强度及模量分别为 374MPa和 134GPa,145 0℃的拉伸强度及模量为 338MPa和 116 GPa,T80 0 - Cf/Si C复合材料 130 0℃拉伸强度和模量为 392 MPa和 115 GPa。测试结果与试样的断裂方式密切相关 ,在有效部位断裂的测试结果大于在非有效区断裂的测试结果。 M40 JB- Cf/Si C复合材料的拉伸断裂应力 -应变曲线表现出塑性变形的非线弹性破坏特征 ,而 T80 0 - Cf/Si

平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料开孔试样的疲劳行为

通过室温等幅单向拉一拉疲劳试验并结合超声C和电镜扫描，研究平纹编织C／SiC陶瓷基复合材料开孔试样的疲劳行为。结果表明：开孔试样疲劳极限约为极限拉伸强度的85％-90％，与光滑试样相当；其具有较小的疲劳缺口系数，对开孔敏感性小；疲劳峰值应力稍低于疲劳极限时损伤不明显。超过疲劳极限时疲劳寿命下降很快；疲劳断口从开孔中间穿过，断口形貌及破坏机理与光滑试样相同。

多壁碳纳米管对SiC/SiC陶瓷基复合材料吸波性能影响

为解决结构吸波陶瓷基复合材料的电性能通过纤维设计调控有限的问题,以多壁碳纳米管(MWCNT)颗粒为填料,将其均匀分散在液态聚碳硅烷先驱体中,通过先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备碳化硅(SiC)基吸波陶瓷基复合材料,研究纳米填料对基体介电性能及复合材料吸波性能的影响。结果表明,加入3 wt.%MWCNT能有效提高SiC基体的介电常数,使其具有一定的微波损耗能力。通过PIP工艺制备结构吸波陶瓷基复合材料发现,当含MWCNT陶瓷基体处于复合材料表面时,复合材料与自由空间阻抗匹配性降低,导致入射波在表面反射增加。当复合材料中间层基体含有MWCNT时,兼具良好的匹配和衰减特性,实现室温下在8 GHz-18 GHz具有<-6 dB的优异吸波性能。

SiC/SiC陶瓷基复合材料SLS/PIP制备工艺及弯曲性能

针对选择性激光烧结技术(SLS)成型陶瓷材料致密性低、力学性能差的问题,采用选择性激光烧结技术(SLS)与聚合物浸渍裂解技术(PIP)相结合的方法,以碳化硅、环氧树脂和聚碳硅烷为原料,制备SiC/SiC陶瓷基复合材料。研究选择性激光烧结工艺参数、试件尺寸精度、微观结构及弯曲性能。结果表明:通过SLS/PIP技术可有效降低碳化硅陶瓷试件的孔隙率,试件密度为2.45 g/cm^3,弯曲强度达到138.28 MPa。该方法可以实现传统方法无法解决的表面及内部复杂结构碳化硅陶瓷基复合材料的制备问题。

短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态劈裂拉伸实验

为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验,并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面,分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明:C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中,同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大;短切碳纤维体积分数为16.0%时,材料的抗拉强度最低;冲击后,试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。

原位生长法制备CDC/SiC陶瓷基复合材料

碳化硅(SiC)陶瓷具有脆性大、冲击韧性低、加工性能差等缺点大大限制了其应用范围。碳化物衍生碳(CDC)的比表面积高、纳米孔结构发达、孔径分布窄且精确可调,使碳化物衍生碳材料在摩擦自润滑、超级电容器、气体储存、催化剂载体等领域显示了独特的性能优势和广阔的应用前景。原位生长技术具有成本低、易操作、适合工业上批量化生产等优点,采用原位生长法在SiC陶瓷表面成功制备了CDC/SiC复合材料。通过激光共聚焦显微镜、高温摩擦磨损试验机、显微硬度仪、划痕仪等检测手段研究了CDC/SiC复合材料性能与SiC陶瓷表面属性之间的关系。结果表明CDC/SiC复合材料的摩擦系数及表面粗糙度随SiC陶瓷基体表面粗糙程度的降低而减小,表面光滑平整,平均摩擦系数为0.136,明显提高SiC陶瓷基体的耐磨性;CDC/SiC复合材料显微硬度约为348.6 HV,明显低于SiC陶瓷的硬度。利用原位生长技术制备CDC涂层有望成为改善SiC陶瓷表面性能的有效途径。