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。

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。

新型氧化铝陶瓷基复合材料的制备和应用

成功研制了一种新型氧化铝陶瓷基复合材料。这种复合材料抗氧化、耐腐蚀 ,具有高的断裂韧性 ,而成本较低。

粗颗粒氧化铝陶瓷基复合材料在不同载荷下的耐磨性研究

本文研究了粗颗粒氧化铝陶瓷基复合材料在无润滑条件下不同载荷时的耐磨性能 ,并对其磨损机理进行了探讨。试验结果表明 ,该材料对外加载荷具有较大的敏感性。通过对磨痕形貌的观察研究 ,认为该材料的磨损机理是以脆性剥落和磨粒磨损为主 。

复合添加剂对Cf/氧化铝陶瓷基复合材料界面的影响

为了改善Cf/氧化铝陶瓷基复合材料中碳纤维与陶瓷基体界面,在预制复合材料混合物中掺入复合添加剂,采用真空热压烧结技术制备Cf/氧化铝陶瓷基复合材料,主要研究复合添加剂对Cf/氧化铝陶瓷基复合材料界面的结合状态和界面成分的影响。结果表明:在本实验条件下,复合添加剂在烧结过程中聚集于氧化铝晶粒的晶界处和碳纤维与陶瓷基体的界面处,并与氧化铝发生固相反应,形成低共熔相,不仅改善了碳纤维与陶瓷基体的界面结合状态,而且促进了陶瓷基复合材料的致密化。

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。

纳米氧化铝对油井水泥基复合材料力学性能的影响

低温环境会降低油井水泥基复合材料的水化速率,导致水泥石力学强度发展慢,不能满足固井作业的要求。为提高水泥石早期强度,室内评价了纳米氧化铝粉末对油井水泥基复合材料流变性、失水量和稠化时间等常规性能的影响规律,同时研究了不同含量纳米氧化铝水泥石的抗压强度、抗折强度和抗冲击强度力学性能,并对水泥石进行微观分析。结果表明:纳米氧化铝会增大水泥浆流变性,改善水泥浆浆体稳定性,缩短水泥浆稠化时间,降低水泥浆失水量,在油井水泥基复合材料中应用需要掺入合适的分散剂和缓凝剂。同时,纳米氧化铝可以明显提高水泥石抗压强度、抗折强度和抗冲击强度,对水泥石早期力学性能改善效果显著。使用纳米氧化铝制备的油井水泥石微观结构致密。

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。

三头挤出成形氧化铝基陶瓷的精度研究

在自主构建的三头分层挤出成形装备的基础上,研究了单头挤出时挤出头直径d、挤出头移动速度v_(s)、挤出层高h对成形的氧化铝基陶瓷表面粗糙度及尺寸精度的影响;然后研究了双头和三头协同挤出时陶瓷坯体试样的配合精度。实验结果表明:单头挤出时,d为0.41 mm,v_(s)为10 mm/s,h/d为0.85条件下,陶瓷侧表面粗糙度较低(为24.423μm),尺寸偏差最小为0.67%;双头协同挤出成形时,双头定位配合误差为1.03%,侧表面尺寸粗糙度为30.671μm;三头协同挤出成形时,三头定位配合误差为1.15%,侧表面尺寸粗糙度为30.671μm。最后,采用双头与三头挤出成形工艺方法制备出氧化铝基陶瓷试样,验证了多头多材料协同挤出的可行性。

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。

国产氧化铝纤维增强铝基复合材料的耐蚀性研究

为探究氧化铝纤维增强铝基复合材料的耐蚀性,进行了模拟浅层海水腐蚀试验。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、维氏硬度计等设备,对不同镀铜氧化铝纤维含量的ZL301基和Al基复合材料的微观形貌、元素成分、相结构及显微硬度进行了研究,着重就含5%镀铜氧化铝纤维的ZL301基复合材料在5%NaCl溶液中浸泡不同时间后的表面形貌及腐蚀产物进行了表征。结果表明:纯铝的耐蚀性优于ZL301铝合金;镀铜氧化铝纤维的加入削弱了材料的耐蚀性,且随着纤维含量的增加,复合材料的耐蚀性逐渐降低。镀铜氧化铝纤维增强ZL301基复合材料的腐蚀可以分为3个阶段:腐蚀性离子的吸附,形成点腐并破坏表面氧化膜,以及基体腐蚀。

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。

晶须及颗粒增韧氧化铝基陶瓷复合材料的抗热震性能

对 Al2 O3- Si Cw和 Al2 O3- Ti Cp陶瓷基复合材料的抗热震性能进行测试和分析 ,结果表明 :Al2 O3- Si Cw和 Al2 O3-Ti Cp陶瓷基复合材料与基体相比抗热震性均有较大幅度的提高 ,其中 ,Al2 O3- Si Cw复合材料显示出更为优越的抗裂纹扩展能力与抗循环热震性能。材料增韧效果的差异是产生这一现象的主要原因。

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。

压痕-急冷法测定增韧氧化铝基陶瓷复合材料的抗热震性能

采用压痕 急冷法测试了Al2 O3 SiCw ,Al2 O3 ZrO2 和Al2 O3 TiCp三种陶瓷基复合材料的抗热震性能 ,并与急冷强度法测试结果进行了对比分析。实验结果表明 ,两种方法之间存在一致性。三种陶瓷基复合材料与基体Al2 O3 相比抗热震性均有较大幅度的提高 ,其中Al2 O3 SiCw复合材料显示出最为优越的抗裂纹扩展能力与抗循环热震性能。材料的增韧效果是产生这一现象的主要原因。压痕 急冷法与急冷强度法相比免去了热震后的强度测试 ,具有使用试样数目少 ,数据具有统计效应 。

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。

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。

氧化铝基陶瓷复合材料的微观结构与增韧机理

应用相交增韧、相变－晶须复合及相变－颗粒复合等方式对氧化铝陶瓷进行增韧．遇过各材料强韧性的测试、微观结构的分析以及断口形貌的对比，研究了各材料的断裂特点及不同增韧方式的增韧机理与效果，得出材料的强韧性与其断口形貌密切相关；双重增韧材料中，两种增韧方式不是简单的叠加，而是存在相互作用；同时在性能试验后的材料基体内观察到位借的存在．

氧化铝基陶瓷复合材料表面裂纹的自愈合

系统地研究了不同温度下的热处理对 ＴｉＣｐ／Ａｌ２Ｏ３及 ＳｉＣｗ／Ａｌ２Ｏ３两种陶瓷复合材料表面裂纹及强度的影响．结果表明：在热处理温度为１０００～１４００℃时，两种材料表面压痕裂纹出现不同程度自愈合现象，材料的抗奇强度大幅度提高．裂纹愈合机理主要为扩散作用及材料表面的氧化反应．材料表面反应物层的微观形貌及热物理性能决定了材料抗弯强度的提高幅度．热处理引起的应力松弛也有利于材料强度的提高，但氧化过程中产生的表面气孔会引起材料强度的下降．

硅溶胶强化辅助制备C纤维增韧氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料

通过氧化铝先驱体溶液循环浸渍热解结合硅溶胶浸渗强化的方法制备了三维C纤维预制体增韧的氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料 ,研究了氧化铝浸渗工艺对试样增重率、气孔率以及热处理温度对试样内气孔尺寸和分布的影响 ,分析了复合材料物相、微结构以及复合材料的力学性能。结果表明 ,硝酸铝饱和溶液浸渗纤维预制体并热解后试样的增重率和开气孔率呈类似抛物线曲线 ;由于硝酸铝分解生成氧化铝的煅烧温度不同 ,氧化铝晶态及物理特性不同 ,试样内气孔尺寸和分布差别较大 ;选择经过 115 0℃预处理的试样进行硅溶胶浸渗 ,然后 14 0 0℃处理 2h ,氧化硅与氧化铝完全反应生成莫来石 ,获得了较为致密的复合材料 ,室温三点弯曲强度和断裂应变分别为 180MPa和 2 .2 %。