自愈合碳化硅陶瓷基复合材料研究及应用进展

为了满足高推重比航空发动机长时热力氧化环境的使用需求,连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料正朝自愈合方向发展。本文介绍自愈合碳化硅陶瓷基复合材料的微结构与性能,自愈合与强韧化机理,制造方法和工艺特点及其在航空发动机热端部件的应用情况,表明多元多层微结构形成了“层层设防,就地消灭”的氧化防御体系,是复合材料实现自愈合与强韧化的关键。自愈合碳化硅陶瓷基复合材料能够满足发动机高温服役环境要求,显著降低发动机的结构重量,从而有效提高发动机的推重比。

新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展

介绍了碳化硅陶瓷基复合材料的应用和发展现状 ,阐述了CVI -CMC -SiC制造技术在我国的研究进展 ,开展了CVI -CMC -SiC的性能与微结构特性的研究和CVI过程控制及其对性能影响的研究 ,研制了多种CMC -SiC和其构件。

连续纤维增韧陶瓷基复合材料的环境性能模拟

连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite-SiC,CMC-SiC)是近年来迅速发展的一种新型低密度热结构材料,在高推比航空发动机、高比冲火箭发动机、冲压发动机和防热结构一体化材料等方面具有广阔的应用前景。航空航天器超常服役环境对材料的环境性能提出十分苛刻的要求,通过试车和试飞考核材料耗时、耗资,难以满足材料研制需求,发展科学高效的材料环境性能实验模拟和计算机模拟技术是国际研究的热点,也是材料优化设计的基础。本文介绍了基于"相似理论"建立的与航空发动机环境具有等效性的环境实验模拟平台和风洞模拟平台。利用该实验模拟平台研究了热物理化学因素与复杂应力因素耦合条件下CMC-SiC环境性能演变失效规律。基于计算热力学、分子模拟和因素分析法等理论与方法,初步建立了CMC-SiC相应的环境性能计算机模拟系统,揭示了材料的环境性能演化规律及其微观机制。

连续纤维增韧陶瓷基复合材料可持续发展战略探讨

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CMC)是航空航天等高科技领域发展不可缺少的材料。其中,连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)是研究最多、应用最成功的一种。本文作者以CMC-SiC为例,介绍了该材料的战略需求与应用领域,详细分析了国内外的应用研究现状及发展趋势,并对我国陶瓷基复合材料面临的机遇与挑战,以及发展战略进行了探讨。

国外航空用陶瓷发展趋势

论述了陶瓷复合材料在航空领域的应用背景,介绍了国外陶瓷材料的发展现状及趋势。

碳/碳化硅复合材料摩擦磨损性能分析

采用化学气相渗透法制备了碳纤维增强碳化硅(C/C SiC)陶瓷基复合材料,得到不同密度和组分含量的C/C SiC刹车盘试样。对C/C SiC复合材料进行了摩擦磨损性能测试,平均摩擦系数达到 0 23,摩擦稳定性达到0 43,线性磨损率为 9 3μm/次·面,质量磨损率为 2 6mg/次·面。当C/C SiC复合材料的密度增大 (1 6g·cm-3→2 2g·cm-3 ),碳含量增大(35%→55% ),摩擦系数和稳定性提高(约 70% ),且摩擦系数随制动次数增加的波动幅度减小;SiC含量升高则反之。C/C SiC复合材料经过多次刹停测试,摩擦系数对制动次数不敏感,表现出良好的摩擦稳定性。经过连续刹车试验,摩擦系数不随表面的起始和最终温度升高而衰退,材料尚无热衰竭趋势。对C/C SiC刹车盘试样的磨损表面形貌及缺陷进行了观察,发现表面磨损质量在航标允许范围内。

高温透波材料研究进展

对高马赫数飞行器用高温透波材料的性能要求进行了评述,分析了不同体系高温透波材料的增强模式、力学性能以及电气性能。在此基础上,提出了高温透波材料的发展方向。

连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究

采用化学气相浸渗法制造了连续碳纤维和碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料 ,并对复合材料的显微结构和力学性能进行了研究 .C/SiC和SiC/SiC复合材料的密度分别为 2 .1g/cm3和 2 .5 g/cm3,在断裂过程中表现出明显的非线形和非灾难性的断裂行为和规律 .C/SiC和SiC/SiC弯曲强度分别为 45 0MPa和 860MPa ,从室温至 160 0℃强度不发生降低 ;断裂韧性为 2 0MPa·m1 / 2 和 41.5MPa·m1 / 2 ,断裂功为 10kJ·m- 2 和 2 8.1kJ·m- 2 ,冲击韧性为 62 .0kJ·m- 2 和 3 6.0kJ·m- 2 .C/SiC和SiC/SiC复合材料具有优异的抗热震性能 ,经 13 0 0℃ 3 0 0℃ ,5 0次热震后 ,强度保持率高达 96.4% ,热震不是材料性能损伤的控制因素 .而SiC/SiC复合材料优异的抗氧化性能 ,对温度梯度不敏感 .

2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征

通过单向拉伸和分段式加载-卸载实验,研究了二维编织C/SiC复合材料的宏观力学特性和损伤的变化过程。用扫描电镜对样品进行微观结构分析,并监测了载荷作用下复合材料的声发射行为。结果表明:在拉伸应力低于50MPa时,复合材料的应力-应变为线弹性;随着应力的增加,材料模量减小,非弹性应变变大,复合材料的应力-应变行为表现为非线性直至断裂。复合材料的平均断裂强度和断裂应变分别为234.26MPa和0.6%。拉伸破坏损伤表现为:基体开裂,横向纤维束开裂,界面层脱粘,纤维断裂,层间剥离和纤维束断裂。损伤累积后最终导致复合材料交叉编织节点处纤维束逐层断裂和拔出,形成斜口断裂和平口断裂。

化学气相渗透工艺制备陶瓷基复合材料

综述了采用化学气相渗透(chemical vaporinfiltration,CVI)工艺制备陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMCs)的模拟与可视化、柔性与鲁棒性以及强韧性控制与设计等研究的进展和趋势.陶瓷基复合材料气相制造过程模拟涉及气体传输、反应热力学与动力学、预制体的孔隙结构建模等理论,是一个典型的多尺度和多物理场问题.运用量子化学、化学热力学、微观动力学、有限元、水平集和人工智能等方法,实现了复合材料致密化过程的模拟和成分分析,更加精准地反映了气体在多孔预制体中的各向异性传输和沉积过程,为工艺优化提供更准确的控制参数.CVI工艺制备陶瓷基复合材料具有柔性与鲁棒性等工艺特性,包括应用广泛性,可控制、可调整与可设计性,可连接与可组装性,可纠错、可修复与可兼容性等诸多特性,适用于陶瓷基复合材料微结构的调控,是陶瓷基复合材料领域最先进的基础制造方法.陶瓷基复合材料的强韧性一直是其发展中的核心问题,增强体纤维、基体及二者界面之间的模量匹配,以及热残余应力和纤维基体体积分数等参数的设计与控制是这个核心问题的关键.通过合理控制与设计这些参数,可以实现陶瓷基复合材料的强韧化控制与设计,从而适应不同使用环境条件的需求.

界面相对碳纤维增韧碳化硅复合材料性能的影响

利用减压CVI技术制备了三维碳纤维增韧碳化硅复合材料 ,研究了热解碳界面相对复合材料性能的影响 .结果表明 :适当选择界面相厚度 ,可获得弯曲强度和断裂韧性都较高的碳纤维增韧碳化硅复合材料 .从界面相厚度对界面结合强度和脱粘面上的滑移阻力的影响出发 ,解释了热解碳界面相厚度对复合材料的应力 -位移曲线形状及断裂形式的影响 .

层状Ti_3SiC_2陶瓷的组织结构及力学性能

利用热压烧结TiH2,Si和C粉获得了致密度大于98%的层状Ti3SiC2陶瓷。利用压痕法,在不同的载荷下测定了材料的维氏硬度,发现其硬度值随载荷的增加而降低,在最大载荷30kg时,硬度值为4GPa。压痕对角线没有发现径向裂纹的出现。这归因于多重能量吸收机制——颗粒的层裂、裂纹的扩展、颗粒的变形等。利用三点弯曲法和单边切口梁法测定了材料的强度和韧性分别为270MPa和6.8MPa·m1/2。Ti3SiC2材料的断口表现出明显的层状性质,大颗粒易于发生层裂和穿晶断裂,小颗粒易被拔出。当裂纹沿平行于Ti3SiC2基面的方向扩展造成颗粒的层裂,当裂纹沿垂直于基面的方向扩展时,裂纹穿过颗粒的同时,在颗粒内部发生偏转,使裂纹的扩展路径增加。裂纹的扩展路径类似人们根据仿生结构设计的层状复合材料。裂纹在颗粒内的多次偏转、裂纹钉扎以及颗粒的层裂和拔出等是材料韧性提高的主要原因。此外,在室温下得到的荷载-位移曲线,说明Ti3SiC2材料不象其它陶瓷材料的脆性断裂,而是具有金属一样的塑性。

C／SiC摩擦材料的制备及摩擦磨损性能

通过化学气相渗透法(CVI)结合反应熔体浸渗法(RMI)制备了低成本、高性能的C／SiC飞机摩擦材料,并模拟飞机正常着陆条件进行了摩擦磨损实验．实验结果表明: C／SiC是比C／C更优的飞机摩擦材料,具有动、静摩擦系数高(分别为0．34、0．41),湿态几乎无衰减(约2．9％),磨损小(约1．9μm／次),摩擦性能稳定等特点．并采用金相显微镜、扫描电镜等对C／SiC摩擦材料的摩擦面以及磨屑形貌进行了观察,并对其磨损机理进行了探索．结果表明,磨损机理以磨粒磨损为主,同时由于垂直于摩擦面的纤维柬增强了其层间抗剪切能力,从而提高了其抗磨损性能．

高性能C/SiC刹车材料及其优化设计

对比分析了C/C和C/SiC刹车材料的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明,C/SiC刹车材料的力学性能比C/C的高,而且C/SiC刹车材料克服了C/C静态摩擦系数低和湿态摩擦性能严重衰减的不足,说明C/SiC刹车材料是一种新型高性能刹车材料。以C/C复合材料为基础,在深入分析机轮刹车盘服役环境特点的基础上,探讨了C/SiC刹车材料的力学性能、热物理性能、摩擦磨损性能、复合材料结构和制造工艺等方面的优化设计途径和方法,为实现材料微结构-力学性能-摩擦磨损性能的协同设计与制造奠定基础。

基于酚醛树脂的碳/碳复合材料在高温分解过程的微结构演变

采用热压成型方法制备碳／酚醛树脂预制体，再经高温碳化得到开气孔率为27％、密度约1．27g／cm^3并具有预期孔隙结构的碳／碳复合材料。研究了200～900℃预制体转化为碳／碳复合材料过程中，材料的密度、开气孔率、失重率、以及内部微观结构随温度的变化。分析了材料在高温分解过程中微观结构演变规律。结果表明，酚醛树脂主要在400～700℃大量分解，其分解速率约为其余温度范围的4倍，该温度范围失重率增加了14％、开气孔率增加了18％。在高于400℃时形成大量裂纹与孔隙，随着温度升高裂纹增多并进一步扩展，900℃碳化后形成一种连通的特征性微观裂缝网格模式。高温分解后碳／碳复合材料中总孔容约0．17cm^3／g，其中81％的孔隙半径在122．190～2．440um范围内。

连续碳纤维增韧SiC复合材料的制备与性能研究

利用LPCVI技术制备了三维连续纤维增韧的碳化硅基复合材料 ,研究了复合材料致密度、界面相厚度以及纤维类型对碳化硅基复合材料性能的影响 .研究表明 :(1 )随复合材料致密度的提高 ,由于基体和纤维之间力的传递效果变好 ,复合材料性能提高 .(2 )界面相厚度对复合材料性能的影响 ,可从其对界面结合强度、脱粘面上滑移阻力、界面相制备过程碳纤维的损伤程度以及界面相在基体沉积过程中对纤维的保护作用 4个方面进行解释 ,界面相厚度为 0 .1 9μm时碳纤维对碳化硅的增韧效果较好 .(3)对于由M4 0 ,T30 0 2种纤维增韧的碳化硅基复合材料 ,由于纤维物理性能不同及由此决定的复合材料中残余热应力及应力再分布情况不同 ,使复合材料的性能发生很大变化 .T30 0增韧效果较好 ,其增韧的复合材料的弯曲强度为 4 59MPa ,断裂韧性为 2 0 .0MPa·m1/2 ,断裂功为 2 51 70J·m- 2 .

3D C/SiC复合材料基体裂纹间距分布规律

采用X2拟合优度检验方法对不同界面层厚度的3D C/SiC复合材料基体中裂纹分布进行了研究,结果表明,3D C/SiC复合材料纤维束间基体裂纹间距服从正态分布,而且这种分布是由3D复合材料的编织方式决定的.

3D C/SiC复合材料喷管在小型固体火箭发动机中的烧蚀规律研究

采用小型固体火箭发动机研究了3D C/SiC复合材料喷管的烧蚀性能,分析了3D C/SiC的烧蚀机理及燃气参数对烧蚀性能的影响.结果表明,喷管喉部线烧蚀率为0.128±0.088mm/s,质量烧蚀率为0.166kg/(m^2·s);受喷管内燃气组分、温度、压强和流速等环境参数的影响,3D C/SiC的烧蚀涉及不同机理的非均匀烧蚀.喉部及其上下游过渡区域烧蚀最严重,收敛段其次,扩散段烧蚀最弱.烧蚀过程是热物理化学侵蚀和机械剥蚀综合作用的结果:涉及SiC的分解流失,SiC和碳纤维的氧化烧蚀,还涉及低速Al_2O_3大粒子的机械化学侵蚀,高速Al_2O_3小粒子的机械侵蚀等.

CVI法制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料

在连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备领域，ＣＶＩ法是目前已经实用并成为商品化的方法。这种方法能在较低温度下制备出形状复杂、近尺寸和纤维体积分数高的陶制基复合材料，并能实现微观尺度上的成分设计，ＣＶＩ的最基本问题是物质的传输和化学反应动力学。纤维和基体间的界面，是影响复合材料力学性能的关键。本文旨在从ＣＶＩ的基本理论、方法和影响复合材料力学性能的因素出发，对国内外有关研究的水平及现状进行了分析。