连续纤维增强陶瓷基复合材料连接件的研究进展

连续纤维强韧化陶瓷基复合材料(CMCs)是航空航天等领域关键热结构材料,机械连接作为最可靠的连接方式之一,是实现大尺寸复杂CMCs构件连接的重要手段。目前,CMCs连接件的研究正在快速发展,但鲜见有关CMCs连接件的全面综述性文献。本文围绕近年来在CMCs连接件领域的研究工作,归纳了CMCs紧固件的制备及力学性能表征方法,系统梳理和讨论了CMCs紧固件的损伤失效机制,从材料性能和外部环境角度出发,重点阐述了CMCs紧固件力学性能的影响因素和规律,并介绍了CMCs机械连接件相关研究工作,最后对CMCs连接件在损伤规律、失效机制、有限元仿真以及连接可靠性等方面进行了展望。

陶瓷基复合材料连接件模具设计

分析了陶瓷基复合材料连接件的结构及成型工艺要求 ,介绍了连接件的模具结构和模具工作过程 ,总结了模具设计中应注意的问题。

SiC_P/SiC陶瓷基复合材料连接件的研制

采用 Si C和聚合碳硅烷为主要原料 ,研制开发应用于某些热机上的陶瓷连接件。由于陶瓷基复合材料是高硬脆性材料 ,在研制过程中 ,除了要考虑连接件的机械力学性能和热震性能必须符合要求外 ,还必须考虑连接件的成型性能和机械加工性能。本文将着重讨论连接件的机械加工问题。

SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料T型结构件在弯曲载荷下的失效行为研究

为了揭示SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料(CMCs)T型结构件在发动机服役载荷下的失效模式及承载水平,利用数字图像相关技术(DIC)研究了室温及高温环境下T型结构件在弯曲载荷下的失效行为,开展了T型结构件在室温、900℃以及1200℃下的静强度试验。DIC及断口分析结果表明,T型结构模拟件在弯曲载荷下底板首先出现分层,并沿着结合面向外扩展。随着载荷进一步增大,底板和肋板的倒圆位置出现径向裂纹,T型结构件承载能力迅速下降。T型结构件在900℃下的最大承载能力为室温的73.2%,1200℃下的最大承载能力为室温的59.1%。

核用SiC陶瓷基复合材料制备与连接研究现状

SiC陶瓷基复合材料因其优异的高温性能和核性能,极可能成为第四代反应堆包壳材料的候选材料之一。在核反应堆恶劣的服役环境下,制造出满足工业应用的SiC管较为困难,因此需要对其制备与连接进行研究。本文简述了目前用于核用SiC陶瓷基复合材料的制备工艺(化学气相渗透、先驱体浸渍裂解、和纳米渗透瞬态共晶工艺)以及对其连接工艺(钎焊、陶瓷先驱体连接、纳米浸渍瞬时液相连接与玻璃陶瓷连接)的研究现状,并对未来SiC陶瓷基复合材料在核应用中的前景进行了展望。

搭接长度对Z-pins增强陶瓷基复合材料接头连接性能的影响

本文对搭接长度分别为15mm,20mm,23mm,37mm,60mm的Z-pins增强陶瓷基复合材料接头在单向载荷作用下的连接性能进行了试验研究和数值模拟。试验结果表明接头的最终失效形式有两种:(1)搭接长度大于、等于20mm的接头由搭接板断裂而失效;(2)搭接长度等于15mm的接头由搭接面的脱胶而失效。在搭接长度为20mm^60mm之间,接头的最大破坏载荷与搭接长度之间呈线性关系变化。采用有限元的方法对搭接接头的破坏过程进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,进而得到了介于上述两种破坏模式之间的搭接接头的搭接长度。

用有机聚合物连接碳化硅陶瓷及陶瓷基复合材料

用陶瓷先驱体有机聚合物连接陶瓷及陶瓷基复合材料是一种成本低廉、工艺新颖、可满足特殊高温条件下连接件要求的新型连接技术。介绍了近年来采用先驱体有机聚合物连接SiC及其复合材料的研究现状,重点对影响连接强度的因素进行分析,并提出相应的改进措施。由于该技术具有连接温度较低、连接过程简单、接头热应力小,连接件的热稳定性高等特点,因此它是陶瓷及其复合材料最有前途的连接方法之一。

陶瓷(玻璃)与金属基复合材料场致扩散连接机理研究

采用自行研制的静电键合机对固体电解质硼硅玻璃和 β“ -氧化铝与铝基复合材料进行了静电场辅助的扩散连接试验。采用TEM、SEM、XRD等手段分析了结合界面微观结构。研究认为 ,结合区为金属 -氧化物过渡区 -陶瓷的结构形式 ,过渡区由表层过渡区和亚表层过渡区构成 ;连接过程主要包括静电键合和固相扩散接合两个阶段 ,界面离子聚集和迁移是产生阳极氧化和形成界面键合的主要机制 ,温度、电压和陶瓷 (玻璃 )的离子导电性是界面氧化物固相扩散接合的基本条件 ;电压、温度、压力及试件表面状态均为连接过程的主要影响因素。

陶瓷基复合材料与金属连接的研究进展

陶瓷基复合材料是一种新兴的热结构材料,解决其自身及其与金属的连接工艺,是实现其推广应用的重要课题之一。首先分析了陶瓷基复合材料自身连接及其与金属连接的难点,在此基础上从解决被连接材料的化学相容性与物理匹配性两方面出发,综述了陶瓷基复合材料自身及其与金属连接的研究进展,并介绍了几种典型的连接实例——活性金属钎焊、部分瞬间液相扩散连接以及宏观结构梯度中间层设计。

Z-pins增强陶瓷基复合材料单搭接接头的裂纹尖端能量释放率

对典型Z-pins增强陶瓷基复合材料单搭接接头的裂纹尖端能量释放率进行了数值模拟,重点研究Z-pins在不同直径和间距下裂纹尖端能量释放率随裂纹扩展的变化规律。研究发现能够形成桥联的Z-pins具有一定抑制开裂的能力,形成桥联后,Z-pins的直径对于裂纹尖端能量释放率的影响较大,而Z-pins的间距对于裂纹尖端能量释放率也有影响,但当间距小到某一限度时,再减小间距裂纹尖端能量释放率基本保持不变。

一种SiC/Si_xO_yC_z非连续增强陶瓷基复合材料的制备及性能

以聚硅氧烷类有机硅树脂YR3370(GE toshiba silicones)裂解生成的无定形SixOyCz陶瓷为基质,以0.8μm SiC颗粒为非连续增强介质,制备了一种SiC/SixOyCz非连续增强陶瓷基复合材料。含SiC颗粒50%的素坯在99.99%N2气流中于1100-1300℃下保温1 h,所制备的陶瓷基复合材料密度可达2.27 g/cm3,维氏硬度可达741 kg/mm2。通过结构模拟和强度计算分析了SiC/SixOyCz陶瓷基复合材料的力学性能,其结构特点是连续的无定形SixOyCz陶瓷基质包围着分散的作为非连续增强介质的SiC颗粒,基质与增强介质之间具有合理的热匹配,并且可以改善单一陶瓷材料的脆性。

陶瓷基复合材料焊接技术研究现状

陶瓷基复合材料焊接包括陶瓷基复合材料自身的焊接和陶瓷基复合材料与金属之间的焊接,其工艺均比金属材料的焊接复杂。本文在分析了陶瓷基复合材料焊接技术难点的基础上,对陶瓷基复合材料的焊接方法、工艺、焊接过程易出现问题进行了总体概括,并以Si C基复合材料为主对其焊接方法的研究现状进行了分析,最后对陶瓷基复合材料及其焊接技术的发展前景作了展望。

二维C/SiC复合材料连接的显微结构与性能

采用 Ni基连接剂作为中间层在 130 0℃、真空条件下对二维编织 C/Si C复合材料用液相渗透法进行了加压连接 ,所施压力为 2 0 MPa,连接保温时间分别为 15 ,30 ,4 5 ,6 0 min。用扫描电镜 SEM及能谱分析了连接情况 ,结果表明所采用 Ni基连接剂与 C/Si C复合材料有较好的润湿性 ,Ni基连接剂熔融后可进入复合材料的孔隙。接头三点弯曲强度可达 6 0

复合材料连接技术研究现状

复合材料的连接包括自身的连接及其与金属之间的连接,其连接工艺比金属材料之间的连接复杂。文章对树脂基、金属基及陶瓷基复合材料的连接的研究现状进行了介绍,并对其发展前景进行了展望,指出连接工艺参数的的优化与探究及新的连接方式的发展是其今后研究和发展的方向。

Cu-Ti-C反应复合-扩散连接C_f/SiC复合材料和TC4钛合金接头的组织结构

用Cu粉、Ti粉、石墨粉组成的混合粉末连接Cf／SiC陶瓷基复合材料和TC4钛合金，采用X射线衍射、扫描电镜和能谱仪对接头组织结构进行分析。结果表明：在Cu-（15-30）Ti（ω％）粉末中加入适量石墨粉作钎料，经900～950℃、5-30rain真空钎焊，获得了完整的原位合成TiC增强的复合接头。通过在连接层中原位合成一定体积分数TiC可以明显降低接头热应力。钎料石墨颗粒中的C元素和液相连接层中Ti元素发生相互扩散，形成了残余石墨颗粒周围的TiC反应层和分布在连接层中的TiC颗粒。反应速率主要受C元素由石墨颗粒向液相连接层的扩散速率所控制。

陶瓷基复合材料紧固件制造技术及其连接性能研究进展

连续纤维增韧碳化硅复合材料(CMC-SiC)热结构部件已广泛应用于航天、航空、航发领域,该部件通常采用组合装配集成制造技术研制,发展新型高性能CMC-SiC紧固件制备技术是推动部件制造技术的关键之一。本文从组装集成制造技术需求特点出发,阐述了CMC-SiC紧固件的类别、制备技术和微结构特点,分析了CMC-SiC复合材料对CMC-SiC紧固件力学性能的制约关系,总结了CMC-SiC机械连接剪切行为、钉载分配和拉伸行为的研究现状,揭示了CMC-SiC紧固件静态力学性能及其失效机制。进一步分析了CMCSiC紧固件振动松弛机制及其防松措施,探讨了氧化损伤对CMC-SiC紧固件性能的影响。据此,从预制体结构设计、制备工艺和紧固件结构角度,提出了CMC-SiC紧固件性能优化途径,最后展望了CMC紧固件制备技术及其连接性能的发展。

硅树脂高温转化陶瓷结合层连接陶瓷材料

由硅树脂作为先驱体,在高温(800～1400℃)转化陶瓷结合层对石墨、SiC陶瓷及3D(dimension)Cf(carbonfiber)/SiC复合材料进 行了连接实验,着重探讨了硅树脂固化裂解过程、裂解温度、保温时间及升温速率对连接性能的影响。研究表明:硅树脂的交联固化主要是通 过消耗Si—OH来完成。对于石墨、SiC的连接,1200℃是较佳的处理温度,而对于Cf/SiC则最佳的处理温度为1400℃。随着保温时间由1 h延长到5h,SiC陶瓷连接强度得到提高,但对复合材料的连接不利。低升温速率(2℃/min)时的连接强度比10℃/min时的高很多。

陶瓷材料的微波连接技术进展

陶瓷材料和陶瓷基复合材料(CMC)在科学技术中发挥着越来越重要的作用。陶瓷以及CMC的连接技术是它们能够广泛应用的关键。与普通的陶瓷连接工艺相比较,微波连接技术具有耗时短、节约能量、成本低、对母材热损伤小等特点,因而获得了较快的发展。本文介绍了陶瓷材料和CMC的微波连接技术的发展概况,重点介绍了同种陶瓷(包括氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷)之间的微波连接和异种陶瓷之间的微波连接。

C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的振动响应特性及防松性能

通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的模态进行计算和试验分析,确定了其模态参数和振动响应特性;然后通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行正弦扫频振动试验,研究了拧紧力矩对螺栓连接件振动性能的影响规律;最后研究了液态聚硼硅氮烷(L-PBSZ)对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件防松性能的影响。研究结果表明:一阶和三阶固有计算模态频率与试验模态频率一致,因此可以采用有限元分析方法对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行振动响应特性分析;采用正弦扫频振动频谱信号差值曲线分析方法可以检测螺栓连接件是否松动;SEM观察表明,L-PBSZ改性的C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的螺纹副间形成陶瓷填充体,使得螺纹与螺母间有效摩擦系数和有效摩擦面积增加,因此螺母松脱退出的力矩增大,提高了C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的防松可靠性能。

Ti合金插层厚度对反应连接TiB_2基陶瓷/Ti-6Al-4V梯度复合材料的影响

将Ti合金插层引入(Ti+B_4C)反应原料和Ti合金底板之间,研究Ti合金插层厚度变化对超重力反应连接TiB2基陶瓷/Ti-6Al-4V梯度复合材料界面显微组织与力学性能的影响。热力学计算表明:合成反应的绝热温度远超Ti合金的熔点,可以保证不同厚度的Ti合金插层全部熔化。XRD、FESEM及EDS分析结果表明:在陶瓷和Ti合金底板之间形成梯度界面区,且随着Ti合金插层厚度的增加,梯度界面区的厚度也不断增大。自陶瓷基体至Ti合金底板,TiB_2和TiC_(1-x)的体积分数不断减少,而TiB的体积分数先增加而后减少,最终形成以TiB_2、TiC_(1-x)及TiB陶瓷相尺寸和分布为特征的梯度复合结构。而梯度连接区的硬度分布趋势更加平缓,其剪切强度不断提升。