氧化物陶瓷基复合材料研究进展

从基体和纤维的选择、制备工艺等几方面综述了国内外氧化物陶瓷基复合材料的研究现状 ,着重阐述了溶胶—凝胶法、化学气相渗透法、反应熔体浸渗法、先驱体浸渗热解法、电泳沉积法、浆料浸渗热压和浆料浸渗结合氧化物先驱体浸渗热解法等氧化物基复合材料制备工艺原理及其优缺点。

氧化物陶瓷基复合材料中晶须／基体界面的特性及作用

本文研究了ＳｉＣ晶须增韧氧化物陶瓷基复合材料中的晶须／基体界面结构性质及其在补强增初作用中的作用机制．ＴＥＭ观察结果表明：复合材料中的ＳｉＣｗ／Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣｗ／ＺｒＯ２（２Ｙ）和ＳｉＣｗ／ＺｒＯ２（６Ｙ）界面结合致密，在分析电镜下未发现明显的界面过渡层或界面相．由于膨胀失配而受拉应力作用的界面基体一侧往往成为微裂纹形核的有利部位，ＺｒＯ２中ｔ－ｍ相变的体积膨胀效应可以部分抵消这种热应力，调整基体的受力状态，从而使ＳｉＣｗ／基体的界面结合强度提高，微裂纹数量减少．ＳｉＣｗ对氧化物陶瓷的强韧化效果决定于ＳｉＣｗ／基体界面的结构性质．

氧化物纤维/氧化物陶瓷基复合材料研究概述

氧化物纤维/氧化物陶瓷基复合材料可以在高温氧化环境下长时间工作,是最有发展潜力的高温结构陶瓷材料之一。决定氧化物纤维/氧化物陶瓷基复合材料性能最主要的2个因素是氧化物纤维的性能和界面材料的组成与结构。笔者介绍了氧化物纤维和界面材料的发展,以及界面材料涂覆方法,并探讨了氧化物纤维/氧化物陶瓷基复合材料的发展趋势。

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究进展

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、耐高温、抗氧化等优点,是航空航天热端构件理想的候选材料。本文从增强纤维、陶瓷基体、界面层、制备工艺、考核应用等方面综述了氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究现状,着重阐述了商业化生产的氧化物纤维基本性能以及主要的氧化物/氧化物陶瓷基复合材料制备工艺,并指出提高氧化物纤维高温强度稳定性和优化复合材料制备工艺的途径。

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料及其制备工艺研究进展

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、抗氧化等特点,是应用于高温有氧环境的理想候选材料,在航空航天热端部件如发动机燃烧室、尾喷管等部位有着巨大的应用潜力。本文从氧化物纤维、陶瓷基体、复合材料设计以及制备工艺等方面综述了氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究进展。重点阐述了氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的设计方法,包括界面层的选择以及多孔基体的设计,详细介绍了复合材料的制备工艺,特别是预浸料工艺。最后对国外考核情况进行了简述,指出了其在航空发动机高温热端部件上的应用前景。

航空发动机陶瓷基复合材料无损表征技术研究进展

随着陶瓷基复合材料在先进航空发动机热端部件中的推广应用,对其在工艺研发、制备加工、试验考核以及使用服役等阶段形成的缺陷/损伤进行高效准确的无损表征尤为重要。由于陶瓷基复合材料复杂的制备成型工艺及多相复合引起的高度非均质和各向异性,导致传统基于整体均质化假设的无损检测技术面临诸多挑战。本文结合陶瓷基复合材料在航空发动机领域的应用情况,分析了其在制备、加工及服役等阶段的典型缺陷/损伤类型及特征,重点回顾了近年来陶瓷基复合材料无损表征技术的研究进展及应用情况,总结了现有无损表征技术面临的主要挑战,并对未来的发展趋势进行了展望。

陶瓷基复合材料超声振动辅助加工技术研究现状

陶瓷基复合材料具有高硬度、高强度、高耐磨性和耐腐蚀性等一系列优点,在航空航天、特种防护等领域具有极大的应用前景,同时陶瓷基复合材料的高精度高效率加工依靠传统机械生产方式难以实现。超声振动辅助加工技术在陶瓷基复合材料的深小孔、薄壁和复杂型面加工等领域应用日益广泛,并形成了特有的行业体系,是精密、超精密制造领域发展的重要方向。针对近年来陶瓷基复合材料的超声振动辅助加工技术的发展状况,概述了陶瓷基复合材料和超声振动系统的研究现状,系统介绍了陶瓷基复合材料加工领域超声振动辅助磨削、钻削以及旋转超声加工和微细超声加工的应用和研究现状,并对超声振动辅助加工技术的应用趋势进行了总结和展望。

多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法制备陶瓷基复合材料研究进展

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高强韧、耐氧化的特性,现已成为航空航天领域重要的高温结构候选材料。反应熔渗法可实现陶瓷基复合材料的大规模、短周期和低成本制备,是目前最具有商业化前景的技术之一。然而,传统反应熔渗法制得陶瓷基复合材料存在着基体碳残留、纤维刻蚀等问题,导致材料力学与氧化-烧蚀性能不佳。为突破传统碳基体陶瓷化程度低的局限性,相关研究人员采用碳基体孔结构构筑方法,通过多孔碳基体取代传统熔渗预制体中致密碳基体,以促进碳基体的陶瓷化转变及反应熔体的消耗,进而实现陶瓷基复合材料的性能优化。本综述介绍了采用多孔碳陶瓷化策略制备SiC陶瓷、SiC/SiC复合材料、C/SiC复合材料及超高温陶瓷基复合材料的相关研究进展,并且通过与传统反应熔渗法对比,验证了多孔碳陶瓷化策略的优势,同时总结了相关多孔碳基体制备方法的发展演变过程,最后针对先进陶瓷基复合材料的基础理论与工艺技术需求,对多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法的未来发展方向进行了展望。

He-Hutchinson模型在连续陶瓷纤维增韧陶瓷基复合材料研究中的应用

基于裂纹扩展的能量释放率准则,He-Hutchinson(H-H)模型可以预判连续陶瓷纤维增韧陶瓷基复合材料(CMCs)的基体裂纹在界面处的传播路径,对CMCs的增韧设计有着重要的指导价值,但目前尚未见H-H模型在CMCs研究领域的系统性综述文献。本文首先介绍了H-H模型的力学基础以及应用于CMCs中的必要简化过程,得出基于材料组元断裂能和弹性失配系数的裂纹偏转判据。基于目前形成的材料微观力学参数测量方法,结合CMCs脆性、微观结构复杂的特点,系统总结归纳了适用于CMCs的原位弹性模量、材料断裂能以及界面脱粘能的测量方法及优缺点。基于原位微观力学参数,重点综述与讨论了H-H模型在多孔基体CMCs和含界面相CMCs中的应用进展,最后指出了H-H模型目前存在的主要问题,并对其后续发展提出了建议。

陶瓷基复合材料界面微区力学行为的研究进展

作为热结构材料,陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)在航空航天领域应用潜力巨大。连续纤维的引入解决了陶瓷脆性大的问题,而纤维与基体间微小区域——界面层的设计是保证CMC具有高韧性的关键。一直以来相关研究主要集中于界面层与CMC宏观力学性能之间的关系,受限于表征难以深入研究界面层微区力学行为的困难。随着微纳力学测试与聚焦离子束(focused ion beam,FIB)技术的发展,近些年来对于CMC界面层结合强度以及其失效行为的表征逐渐增多。在此基础上,本文综述CMC中界面层的作用以及界面剪切强度的影响因素与调控机制,同时汇总当下通过直接或间接手段测试界面剪切强度的方法,重点总结微纳力学手段下纤维push-out/push-in以及微柱压缩等方法的适用条件以及差异,报道这些方法在界面区失效机制研究方面的进展,并指明尚存在的一些问题。其中,纤维pushout/push-in可以反映基体应力作用对界面剪切强度的影响,但测试结果可能受到外部因素的影响;而微柱压缩测试则更多地反映界面层本征特性,无法反映基体应力对界面剪切强度的影响,也无法反映纤维拔出过程。最后展望未来的研究方向:进一步拓展界面微区力学行为的表征方法,同时确定微区力学与宏观力学性能间的影响机制并建立模型,最终实现CMC的界面层优化。

单晶金刚石车刀在陶瓷基复合材料加工中的应用研究

介绍了陶瓷基复合材料(CMC)材料材料特点以及在航空发动机中的应用,以及单晶金刚石刀具优势以及在新型材料加工中的应用。通过分析航空发动机尾锥加工工艺,确定主要的加工难点,并通过增加零件工艺过程的刚性,将加工难点聚焦至车削参数的优化。基于此,设计车削正交试验,得到最佳车削参数。随后进行优化参数的切削对比试验,并验证了其优化参数的切削效果。最后总结了零件工艺过程并提出了实际零件加工过程中切削参数的调整方法。

基于陶瓷基复合材料铠甲的涡轮导叶热防护研究

为了加速推进我国高推重比航空发动机研制进程,突破已有高温合金+气膜冷却架构对涡轮叶片承温能力的限制,以及解决陶瓷基复合材料(CMC)涡轮叶片制造难度过大的问题,本文提出了一种在涡轮导向叶片前缘镶嵌CMC铠甲的热防护方案,并通过多工况下的数值仿真,研究了其与典型气膜冷却相比在流动和传热上的差异。相较于后者,在相同的冷气压比1.03下,采用该CMC铠甲结构可以使得冷气质量流量显著降低58%;同时可以利用CMC铠甲与冷气的共同作用,使前缘区的叶片基体冷却效率由0.50显著提升至0.85;通过研究CMC材料导热系数对其自身温度分布影响,探讨了避免铠甲失效的极限燃气温度,相对保守的结果为2017K。有望通过对CMC材料和铠甲结构的进一步性能优化来满足第五代先进航空发动机的需求。

C/C复合材料高熵氧化物涂层抗烧蚀性能

新一代高超声速飞行器热端部件服役温度不断提高,对表面防护涂层的相稳定性和抗烧蚀性能提出了更高的要求。本工作针对传统过渡金属氧化物ZrO_(2)、HfO_(2)涂层开展高熵化设计,采用高温固相反应结合超音速大气等离子喷涂制备(Hf_(0.125)Zr_(0.125)Sm_(0.25)Er_(0.25)Y_(0.25))O_(2-δ)(M1R3O)、(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Sm_(0.2)Er_(0.2)Y_(0.2))O_(2-δ)(M2R3O)、(Hf_(0.25)Zr_(0.25)-Sm_(0.167)Er_(0.167)Y_(0.167))O_(2-δ)(M3R3O)三种高熵氧化物涂层,探究稀土组元含量对高熵氧化物涂层的相结构演变规律、相稳定性以及抗烧蚀性能的影响。M2R3O涂层和M3R3O涂层呈现优异的相稳定性和抗烧蚀性能,涂层经热流密度为2.38~2.40 MW/m^(2)的氧–乙炔焰烧蚀后仍保持物相结构稳定,未发生固溶体分解或析出稀土组元。其中M2R3O涂层循环烧蚀180 s后的质量烧蚀率与线烧蚀率分别为0.01 mg/s和–1.16μm/s,相比M1R3O涂层(0.09 mg/s、–1.34μm/s)以及M3R3O涂层(0.02 mg/s、–4.51μm/s),分别降低了88.9%、13.4%以及50.0%、74.3%,表现出最优异的抗烧蚀性能。M2R3O涂层的抗烧蚀性能优异归因于其兼具较高的熔点(>2200℃)和较低的热导率((1.07±0.09)W/(m•K)),使其有效防护内部的SiC过渡层以及C/C复合材料免受氧化损伤,避免了界面SiO_(2)相形成所导致的界面开裂。

陶瓷基复合材料可磨耗环境障涂层制备及性能

随着碳化硅陶瓷基复材制备的涡轮外环的逐步应用,与其匹配的可磨耗涂层技术需求迫切。本工作采用大气等离子喷涂技术,制备4层结构的BSAS(Ba_(0.75)Sr_(0.25)Al_2Si_2O_8)-聚酯基可磨耗环境障涂层(A/EBCs),探究工艺参数对可磨耗面层孔隙率的影响规律以及涂层在1300℃下的相结构和组织演变。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)对涂层相结构、微观组织及成分进行分析表征。结果表明:BSAS-聚酯基可磨耗面层的孔隙率为26.4%~36.8%,BSAS-聚酯粒子温度敏感的参量是主气(氩气)流量、辅气(氢气)流量和喷涂距离,速度敏感的参量是主气(氩气)流量;其中主气(氩气)流量同时对BSAS-聚酯的粒子温度和速度具有反向影响作用。该可磨耗面层在1300℃高温氧化300 h保持单斜相结构,组织和成分稳定,局部析出球状非晶氧化硅颗粒。采用高温高速刮削实验对涂层可磨耗性能进行评价,涂层表面发现纳米高温合金微粒黏附,叶片高度磨损比(IDR)为20%,达到可磨耗封严涂层使用要求。

空间紫外辐射侵蚀环境下SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料的服役特性演变规律

在波长为200~400 nm、最低温度为-50℃、辐射度为3.0 W/m^(2)的紫外辐射环境下,对SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料分别进行0、10、30、60、120 h辐射实验,结合微观组织结构、组分与力学性能演变情况,研究了紫外辐射服役环境对SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料的影响。结果表明,相比于未受紫外辐射的SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料,当紫外辐射10 h后,SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料的弯曲强度和模量均有小幅度增加;当紫外辐射超过30 h后,随着辐射时间进一步增加,弯曲强度先增加后降低,而弯曲模量持续降低并且材料表层的裂纹缺陷基本呈现出尺寸和数量均增加的趋势,表明紫外辐射进一步损伤了材料内层。紫外辐射前后SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料均表现为台阶状的弯曲断裂行为。未进行紫外辐射的SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料断口以纤维断裂为主;紫外辐射10 h的试样表现出与未辐射试样类似的断裂形貌且纤维受侵蚀不明显;紫外辐射30 h后,试样断口除发现碳纤维断裂现象外,还可发现明显的碳纤维拔出和界面层脱壳现象,碳纤维受到的侵蚀作用较明显;紫外辐射120 h后,SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料内部碳纤维受到的侵蚀作用进一步加剧,界面层剥离严重,碳纤维端头呈现针状结构。

陶瓷基复合材料的特点和发展前景探讨

陶瓷基复合材料是一种由陶瓷和增强体组成的复合材料,这种材料具有一系列优异的性能,比如良好的机械强度(高强度、高硬度)、良好的稳定性(抗氧化、抗腐蚀)等。因此,陶瓷基复合材料在航空航天、汽车和能源领域都得到了广泛的应用。随着科技的不断发展,陶瓷基复合材料的性能和制备工艺将得到进一步提高和完善,为各领域的发展提供更好的技术支持。

非金属矿物强韧氧化物陶瓷基复合材料研究进展

氧化物陶瓷基复合材料具有高硬度、高强度、高耐磨损性、低线膨胀系数、抗氧化、耐高温、耐化学腐蚀和抗高温蠕变等优点,在制造业、航空航天、齿科修复等领域得到广泛应用。非金属矿物与氧化物陶瓷基复合材料的有效复合,不仅能够发挥我国典型非金属矿物的资源禀赋特征和结构特点,也能够降低氧化物陶瓷基复合材料强韧化成本、提高制备过程的可控性。本文重点介绍了白云石、电气石、海泡石等三种非金属矿物在强韧氧化物陶瓷基(Al_(2)O_(3)、ZrO_(2)和“磷酸钙-高岭土-石英”)复合材料方面的研究进展,归纳了非金属矿物的组分、结构等对氧化物陶瓷基复合材料强韧化的作用成效,并对其发展趋势进行了展望。

固含量对浆料浸渍法制备氧化铝陶瓷基复合材料结构与性能的影响

氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度、抗氧化等特点,在航空航天热结构材料方向具有广阔的应用前景。使用Nextel^(TM)610纤维布作为增强体,以浆料浸渍-模压成型工艺制备复合材料粗坯,经马弗炉一次高温烧结获得氧化铝陶瓷基复合材料。通过对纤维和基体的晶体结构、力学强度等性能随热处理温度变化的影响确定适合复合材料制备的温度范围。研究不同固含量浆料对复合材料力学性能和微观结构的影响。结果表明:Nextel^(TM)610/Al 2O 3陶瓷基复合材料的弯曲强度随着固含量的增大呈先增大后减小的变化趋势,当浆料固含量为60%(质量分数,下同)时,其弯曲强度最大,达到370.68 MPa。当固含量小于60%时,复合材料弯曲强度较低的原因是纤维束内的基体填充不足;当固含量增大至65%时,复合材料弯曲强度衰减原因是过多基体缺陷的产生和纤维-基体界面间结合增强,阻碍了纤维脱粘、拔出等增韧机制。

钠离子电池铁氧化物/碳基复合材料研究进展

探索高性能、低成本、环境友好型电极材料一直是电化学储能领域的研究重点,其中,铁氧化物(FeO_(x):Fe_(3)O_(4)、α-Fe_(2)O_(3)、γ-Fe_(2)O_(3))作为钠离子电池负极材料具有较大的应用潜力而受到广泛关注。然而,FeO_(x)的电子和离子传导性较差,限制了循环稳定性和倍率性能,将其与碳基材料(石墨烯、石墨/无定型碳、多孔炭、碳纳米管和碳纳米纤维等)进行复合能够显著改善电化学性能。本文详细介绍了FeO_(x)/碳基复合材料作为钠离子电池负极材料的研究现状。分析了导致FeO_(x)负极材料首次库伦效率低、循环稳定性和倍率性能差等问题的原因,以及各复合改性结构的优势,对今后FeO_(x)/碳基复合材料作为钠离子电池负极材料的研究方向进行了展望。

氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的组成及制备工艺的研究进展

连续氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料(Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)陶瓷基复合材料)具备高熔点、高强度、抗氧化等特点,提升了现有航空航天热端部件自身抗氧化性能,是高温有氧环境应用的理想候选材料。本文首先分析了Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)陶瓷基复合材料的组成部分——氧化铝纤维、氧化铝基体和常见界面相的种类及其作用。其次,总结了目前Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)陶瓷基复合材料所采用的制备工艺如浆料浸渍法、溶胶-凝胶法、前驱体浸渍-裂解法,并讨论了不同制备技术路线对氧化铝陶瓷基复合材料性能的影响、列举了部分国内外学者的工作现状及成果。最后,对于制备在中高温负载下达到较高强度和断裂韧度、能够实现长时间服役的Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)陶瓷基复合材料提出了可行的优化方案。