交变磁场中硅熔液的电磁力有限元分析

从电磁场的基本理论出发,本文利用ANSYS软件数值模拟了片状加热器硅晶体生长炉中的磁场和电磁力情况,采用有限元法对三相交流电产生的电磁场进行了三维数值求解,并进行了实验验证。结果表明:硅熔液在交变磁场下所受电磁力的空间分布呈周向性,且硅熔液边角处的电磁力最大,而不同电压相序下的电磁力方向是相反的,从而也导致了硅熔液的不同流动,最终模拟结果与实验现象符合良好。本文为进一步研发铸锭方式下进行的硅晶体生长技术提供了有价值的借鉴。

黏结剂喷射增材制造结合液硅反应熔渗制备SiC_(w)/SiC陶瓷的微观组织和力学性能

SiC陶瓷凭借其高强度、高硬度和低密度等优势,在航空航天、核电工业等领域有着广阔的应用前景。但由于SiC加工难度高、韧性低,阻碍了其广泛应用。为解决上述问题,本研究采用黏结剂喷射增材制造(BJAM)结合液硅反应熔渗技术(LSI)制备了不同碳化硅晶须含量(SiC_(w))的SiC_(w)/SiC复合材料。结果表明,当SiC_(w)含量达到7.5%(体积分数)时,材料的弯曲强度和断裂韧性达到最大值分别为215.29 MPa和3.25 MPa?m^(1/2),硬度则在SiC_(w)为5%达到23.06 HV的峰值。但当SiC_(w)含量继续升高后,材料内部残余硅相含量提升,力学性能发生恶化。对打印初坯进行2次增碳可有效降低材料内部硅相含量,弯曲强度、断裂韧性和硬度最大分别提升10.15%、10.46%和10.58%。引入的SiC_(w)通过偏折裂纹、拔出和折断等方式起到了对复合陶瓷材料的增强增韧作用。

C/C-SiC-ZrC复合材料的制备及其力学性能

利用浆料浸渗技术将纳米ZrC粒子引入到CFRP先驱体中,裂解CFRP获得C/C-ZrC多孔体,然后采用液硅熔渗反应工艺制备了C/C-SiC-ZrC复合材料。使用SEM和XRD对材料微观形貌和组织进行了观察与分析。采用三点弯曲和单边缺口梁法(SENB)对C/C-SiC-ZrC复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别进行了测试。结果表明:采用浆料浸渗技术可以将纳米ZrC粒子均匀的弥散在C/C-ZrC多孔体中,随着引入ZrC纳米粒子含量的增多,C/C-ZrC多孔体孔隙率增大。经液硅熔渗反应后,获得的C/C-SiC-ZrC复合材料具有不同微观组织结构。力学性能测试发现,当纳米ZrC粒子含量为5%(质量分数)时,复合材料弯曲强度和断裂韧性达到了最大值;当ZrC粒子含量超过5%时,其弯曲强度和断裂韧性有所下降,表明适量纳米ZrC粒子的引入,可以改善C/C-SiC-ZrC复合材料的力学性能。

纤维热处理对C/C-SiC复合材料剪切强度的影响

对T300碳纤维在真空环境下,在600、900、1200、1500℃进行热处理,用液硅熔渗反应法(liquid silicon infiltration,LSI)制备了不同微观组织结构的C/C-SiC复合材料。采用光电子能谱分析了热处理对纤维表面结构的影响,用光学显微镜和扫描电子显微镜对材料微观形貌进行了观察分析。采用双槽口剪切法(DNS)测试了C/C-SiC复合材料层间剪切强度(interlaminar shear strengh,ILSS),并分析了纤维热处理对材料剪切性能影响的微观机理。结果表明:碳纤维经热处理后,表面化学成分发生变化,氧含量显著降低,改变了碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced resin matrix composite,CFRP)先驱体中纤维/树脂界面结合强度,从而在CFRP裂解后形成了具有不同微观结构的C/C预制体,通过液Si对不同微结构的C/C预制体进行熔渗,获得具有不同微观结构的C/C-SiC复合材料;DNS测试发现碳纤维热处理能够有效改善C/C-SiC复合材料的层间剪切强度,主要是由于纤维经热处理后制备的C/C-SiC复合材料中,SiC基体相分布较均匀并包裹在碳纤维周围,导致纤维/基体界面结合强度高。经1500℃热处理纤维增强的C/C-SiC复合材料,其剪切强度为34MPa,与未处理的相比,ILSS提高了33%。