多孔C/SiC复合材料的制备及其性能

以W丝作为成孔剂,采用孔隙预置技术制备了发汗多孔C/S iC复合材料,对其孔隙结构进行表征,研究了材料的力学性能和渗透行为。结果表明:采用孔隙预置技术能够有效的控制多孔C/S iC材料开孔率和孔隙结构,其孔隙主要由W丝去除后形成的直通孔组成,开孔率决定于W丝的体积含量,所制备的材料具有良好的力学性能和渗透性能。其弯曲强度达到358M Pa、弯曲模量达到124GPa,断裂韧性达到16.7M Pa.m1/2,空隙率为23.5%,渗透率为1.02×10-3mm2,材料表现为韧性断裂模式,其孔隙的存在并没有对材料的力学性能产生明显的影响。

先驱体浸渍裂解制备多孔C/SiC复合材料及渗透性研究

以聚碳硅烷(PCS)为原料,采用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备多孔C/SiC复合材料,并研究该材料的孔隙率、孔隙结构及渗透性能。结果表明,所制备的多孔C/SiC复合材料的孔隙主要由纤维束间的开孔组成。经过6次与7次PIP工艺致密化处理后的复合材料,开孔率分别为22.76%和20.51%,绝对渗透率分别为1.17×10-3和9.68×10-4mm2。水和煤油在该材料中具有良好的渗透性能,渗透表现为线性层流流动,表明多孔C/SiC复合材料在发汗冷却材料中具有很大的应用潜力。

孔隙预置技术制备多孔C/SiC复合材料及其性能表征

以玻璃纤维为成孔剂,采用孔隙预置技术制备了发汗多孔C/SiC复合材料。对孔隙结构进行了表征,并研究了材料的力学性能和渗透行为。研究结果表明,采用孔隙预置技术能够有效地实现多孔C/SiC材料开孔率和孔隙结构控制,该材料具有良好的力学性能和渗透性能。

C/SiC复合材料数据库及机器学习性能预测平台的设计与开发

以MySQL Workbench 8.0为数据库平台,采用三层浏览器/服务器架构,利用PyCharm 2022开发了一套基于Web界面和机器学习技术的C/SiC复合材料数据库系统,该系统包括材料数据库和机器学习模型2部分,具有对材料组分结构、制备工艺、试验性能等材料研发各阶段的信息查询、添加、修改、删除、搜索以及支持信息管理、设计分析视图、案例推理辅助设计、用户与系统管理等功能。基于神经网络回归算法训练机器学习模型,利用材料微观结构参数预测材料力学性能,对不同微观结构参数的影响权重进行评价,并部署在系统平台中;通过Web用户界面调用机器学习模型,对预留的验证集数据进行拉伸模量和弯曲模量预测。结果表明:机器学习模型预测材料力学性能的精度达到95%左右,训练出来的预测模型具有良好的精度与泛化能力。

C/SiC复合材料单颗磨粒切削有限元仿真及磨削实验分析

为了探究C/SiC复合材料的去除机制,建立了三维C/SiC复合材料单颗磨粒微观切削有限元模型。借助Abaqus有限元分析软件,使用BrittlecCracking模型、Johnson-Holmquist 2模型和内聚力模型分别被用来模拟碳纤维,SiC陶瓷及界面层的材料属性,并以此建立三相微观切削模型来分析不同切削速度和切削深度下的材料加工变形规律和切削力变化趋势。同时参考C/SiC复合材料锥形电镀金刚石工具加工表面形貌实验进行辅助分析。结果表明:C/SiC复合材料的切削过程主要表现为碳纤维的脆性去除;随着切削速度的增加,界面层的破坏程度减少且切削力降低;随着切削深度增加,切削力增加且界面层损伤程度增大。这些结果为进一步了解碳纤维复合材料切削时的材料去除机理提供了一定的借鉴意义。

C/SiC复合材料在典型模拟环境下高温拉伸性能研究

以先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备的C/SiC复合材料为对象,研究了C/SiC复合材料在典型模拟环境下的高温拉伸性能,首次获得了约3 000 s时间不同变状态条件下材料的高温拉伸性能数据,探讨了不同条件下C/SiC复合材料高温承载行为及其变化规律。研究结果表明,C/SiC复合材料经历约3 000 s复杂阶梯热环境后拉伸强度仍保持60%左右;经历大温度梯度热震后,C/SiC复合材料的高温拉伸性能保持率反而提高,最高保持率超过80%;热震温差越大,热震后保温时间越长,对材料的高温拉伸性能保持和提高越有利。

高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为影响的实验研究

为了明确高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为的影响机制,开展了不同环境下强激光对C/SiC复合材料的烧蚀对比实验研究。利用激光器与高速风洞联合实验平台,完成了静态以及Ma 1.8,Ma 3.0,Ma6.0气流环境下2D与3DN C/SiC复合材料激光烧蚀实验。结果表明,与静态环境相比,高速气流对C/SiC复合材料的激光烧蚀行为产生了显著的影响,气流的冲刷使得烧蚀坑呈现出更宽、更深、更光滑的变化趋势。随着气流速度的增长,线烧蚀速率与质量烧蚀速率逐渐增大,主要原因为当地静压降低引起的升华速率增大,以及动压增大引起的剥蚀速率增大。此外,通过实验对比了不同构型对C/SiC激光烧蚀行为的影响。结果表明:2DC/SiC复合材料由于厚度方向更低的导热能力、更低的孔隙率等原因,其在不同环境条件下抗烧蚀能力均强于3DN C/SiC复合材料。

基于温度场的C/SiC复合材料短电弧放电加工等效热源研究

针对C/SiC复合材料放电加工仿真普遍采用高斯热源,忽略间隙弧柱热效应的问题,文章以放电过程的热效应进行两部分等效。采用椭球体热源等效电弧弧柱,高斯面热源等效工件表面热效应,从平行和垂直于碳纤维两个方向进行温度场仿真,对比传统高斯热源与等效热源,并通过实验进行验证。结果表明:运用新型等效热源仿真,得到的凹坑尺寸比传统高斯热源更加接近实验加工的尺寸,预测精确度提高20%。

C/SiC复合材料微孔的电镀金刚石钻头钻削加工

用金刚石基本颗粒尺寸分别为20~30,36~54和63~75μm,直径在0.280~0.440 mm范围的6种电镀金刚石钻头,钻削三维针刺毡基C/SiC复合材料微孔,测试6种钻头的最佳加工工艺参数,分析工艺参数及金刚石基本颗粒尺寸、钻头直径等对微孔加工质量、加工效率的影响。结果表明:在相同钻削速度条件下,进给速度越低时,加工的微孔质量越好;钻头电镀的金刚石磨粒基本颗粒尺寸越大,其钻削效率越高;在6种钻头中,直径为0.300 mm的基体上电镀63~75μm的磨粒,直径为0.200 mm的基体上电镀36~54μm的磨粒,能够获得更优的钻孔性能。

C/SiC复合材料的氧化行为仿真分析方法研究

对C/SiC复合材料高温氧化过程的准确预示,是提升C/SiC复合材料热结构设计水平的关键技术之一。本文结合C/SiC复合材料氧化机理、多孔介质流动理论和Fick扩散定律,得到了不同温度作用下C/SiC复合材料的氧化动力学方程并建立了氧化失重的数学表达式。开发了氧化扩展UEL子程序,对典型C/SiC复合材料试件氧化过程中氧、碳元素的分布和氧化扩展过程进行了分析,分析结果显示不同温度下的氧化失重与试验数据可以很好吻合。

C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备及性能的影响

以准三维针刺碳纤维预制体,经化学气相渗透(CVI)法制备了4种密度的C/C多孔体,利用先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备和最终性能的影响。结果表明:C/C多孔体密度越低,最终得到的C/C-SiC复合材料开孔隙率及SiC含量较高。SiC的存在使C/C-SiC材料具有较高的弯曲强度,纤维和基体界面也是影响弯曲强度的关键因素,其中密度为1.35g/cm3的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料纤维和基体之间形成较好的结合界面,其弯曲强度最大。同时,SiC含量增加可显著提高C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。

多孔体制备工艺对C/C-SiC复合材料弯曲性能的影响

以针刺整体炭毡为坯体 ,采用CVD和树脂浸渍 /炭化混合法增密制备了 4种C/C多孔体 ,然后熔硅浸渗C/C多孔体制备了C/C SiC复合材料 ;研究了不同炭涂层、高温热处理对C/C SiC复合材料弯曲强度和断裂方式的影响。结果表明 :热解炭涂层可减少制备过程中炭纤维的损伤 ,具有适中的界面结合强度 ,使复合材料的弯曲强度达到 16 1.5MPa ,表现出良好的“假塑性” ;适当选择高温热处理工艺可制备弯曲性能较高 ,具有一定“假塑性”的C/C SiC复合材料。

C/C多孔体的高温热处理对C/SiC复合材料结构及力学性能的影响

以三维针刺碳毡作为预制体,先采用树脂单向加压浸渍-热解工艺制备出C/C多孔体,再通过反应熔体浸渗法获得C/SiC复合材料。重点研究了C/C多孔体的高温热处理对C/SiC复合材料结构和力学性能的影响。结果表明,C/C多孔体的高温热处理不会改变C/SiC复合材料的相组成,但可使复合材料中的SiC含量提高,C含量降低;高温热处理有利于熔融Si浸渗,使复合材料致密度增大,孔隙率降低,从而使其弯曲断裂强度提高约28%;高温热处理还可使纤维-基体界面结合强度降低,改善复合材料的断裂韧性。

制备工艺对多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料准静态压缩性能的影响

利用WDW-E100D型万能试验机和S-4800场发射扫描电镜,研究了不同工艺制备的多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料的准静态压缩性能和断口形貌特征.结果表明:制备工艺决定多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料的准静态压缩强度,当工艺参数非晶合金浇注温度为860℃,浇注后保温6 min时最佳.多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料的准静态压缩断裂为脆性断裂.断口形貌特征主要包括多孔SiC陶瓷产生解理台阶,Zr基非晶合金产生尖脊状、细脉状等不同形态的脉状花样.

C/SiC复合材料制备技术及应用现状

碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料由于具有低密度、高强度、高韧性、耐高温、耐烧蚀、抗冲刷、高硬度和高耐磨性等特点,已成为重要的热结构材料之一,成功应用于航空航天、军事、能源等领域。本文主要综述了C/SiC陶瓷基复合材料的几种典型制备方法,分析了各种制备方法的优缺点。介绍了C/SiC陶瓷基复合材料作为航空航天热结构、热防护材料、刹车材料和空间相机结构材料的应用情况,并展望了C/SiC陶瓷基复合材料制备工艺和应用方面的发展趋势。

多孔预制体对SiC/Al复合材料孔隙率的影响

采用无压浸渗法制备了SiC含量较高的SiC/Al复合材料,分析了造孔剂添加量对多孔预制体孔隙率的影响,利用铝液浸渗多孔体理论分析了多孔预制体孔隙结构对复合材料孔隙率的影响。结果表明:通过添加造孔剂可以调节多孔预制体的孔隙结构,使预制体的孔隙率增加;多孔预制体的孔隙结构的变化可以调节复合材料的孔隙率。多孔预制体的孔隙率越高、孔隙尺寸越大,则铝液浸渗畅通,复合材料的孔隙率越小。

B_(4)C改性SiC/SiC复合材料自愈合机理研究

采用预浸料–熔渗工艺制备了B_(4)C改性SiC/SiC复合材料(SiC/SiC–B_(4)C复合材料),研究了SiC–B_(4)C改性基体在700℃、1000℃、1200℃、1350℃下氧化50 h的本征氧化行为及自愈合规律,有效观察到了基体的自愈合行为,同时考察了SiC/SiC–B_(4)C复合材料的抗氧化性能,通过材料重量变化和强度保持率衡量其在氧化环境中的损伤程度,揭示了氧化行为。研究结果表明,氧化初期B_(4)C开始发生氧化反应,此时的液态自愈合相主要成分为B_(2)O_(3)。随着温度的升高,氧化生成的SiO_(2)将与B_(2)O_(3)结合生成硅硼玻璃相,当温度进一步升高至1350℃时,由于硅硼玻璃分解加剧,导致自愈合效果减弱。此外,高温导致的硅硼玻璃黏度下降也将有利于氧化介质扩散。SiC/SiC–B_(4)C复合材料在1200℃氧化50 h后仍保持较好的力学性能,说明B_(4)C氧化后生成的B_(2)O_(3)、SiO_(2)等黏流态物质可以在一定程度上封填裂纹,赋予材料高温下自愈合机制。

C/SiC复合材料有序多孔陶瓷接头的制备及其连接技术研究

采用st ber法制备出单分散氧化硅小球,并以此为模板,结合先驱体转化技术成功制备出C/SiC复合材料纳米有序多孔陶瓷接头,并对该接头制备工艺条件作了优化。对制备出的C/SiC多孔陶瓷接头分别采用先连后浸法(SJM)和直接浸渍法(DSM)进行了连接。结果显示,两种方法连接的连接件的抗弯强度分别达82.4和20.5 MPa,表明C/SiC多孔陶瓷接头采用SJM连接较好。

C/SiC编织型复合材料热/力学性能的多尺度预测

C/SiC复合材料以其优异的力学和热学性能,在航空航天、国防和化学工业等领域都得到了广泛的应用.精准获得C/SiC复合材料的热/力学性能,对该类材料在相关领域的高效应用至关重要.基于代表性体积单元(RVE)和周期性边界条件,考虑纤维束的体积分数、交织方式、编织维度等非均匀、多尺度特征,建立了C/SiC复合材料的微/细观单胞模型.使用有限元软件ABAQUS在微观尺度预测了纤维束的热/力学性能,将纤维束性能引入细观模型中,分析获得了该复合材料的宏观热/力学性能.基于此多尺度关联分析方法,在27~1227℃的工作温度范围内,进一步研究了纤维束和C/SiC复合材料的热导率和热膨胀系数随温度的变化规律.该研究对C/SiC复合材料在工程上的应用具有一定的指导意义.

三维网络SiC多孔陶瓷增强铝基复合材料的制备

以中间相沥青添加质量分数为50%的Si粉制备的炭泡沫预制体为坯体,在高温感应烧结炉中结合反应烧结工艺制备了SiC多孔陶瓷预制体。利用挤压铸造工艺制备了SiC多孔陶瓷增强铝基复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)观察了SiC多孔陶瓷骨架及复合材料的微观形貌和界面结构,通过X射线衍射分析仪(XRD)对多孔陶瓷预制体物相组成进行了分析。利用阿基米德排水法,测试了多孔陶瓷的孔隙率和复合材料的密度。结果表明:添加Si的质量分数为50%的炭泡沫预制体反应烧结后获得的SiC多孔陶瓷具有三维连续通孔结构,孔筋致密并且具有较高的开口孔隙率。通过挤压铸造工艺制备的SiC多孔陶瓷增强铝基复合材料界面结合良好,无明显缺陷。