2D SiC_(f)/SiC中温热冲击损伤与面内剪切性能退化规律

SiC_(f)/SiC复合材料热冲击损伤是航空发动机热端部件应用中需要解决的关键问题。本研究利用全自动精准控温的热冲击设备,在1200℃测试了2DSiC_(f)/SiC的热冲击性能,拟探究热冲击损伤与面内剪切性能退化之间的相关性。结果表明,随着热冲击次数增加,2D SiC_(f)/SiC涂层表面出现硼硅酸盐玻璃(BSG)气泡,SiC基体氧化,BN界面脱黏加剧,但并未影响基体开裂、纤维桥联等损伤机制。因此,2DSiC_(f)/SiC的面内剪切应力-应变曲线依然呈双线性。热冲击产生的热膨胀失配及SiC基体氧化导致面剪模量由78.5GPa降低至63.6 GPa,面剪比例极限应力由128.9 MPa降低至99.3 MPa,面剪强度由205.8 MPa降低至187.3 MPa。根据面内剪切混合定律,BN界面脱黏加剧是剪切模量退化的关键因素。基体开裂应力公式表明,氧化后SiC基体体积分数下降,进一步降低了面剪比例极限应力。基于修正刚体块滑移模型,利用纤维台阶间距能够有效预测面剪强度的下降规律,且理论计算结果与实际值误差小于20%。

化学气相渗透2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变性能及损伤机理

研究了采用化学气相渗透工艺制备2D-SiCf/SiC复合材料的真空蠕变性能,蠕变温度为1200、1300和1400℃,应力水平范围为100~140 MPa。用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(TEM)分别观察分析了2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变断口形貌和微观结构。结果表明,2D-SiCf/SiC复合材料的主要蠕变损伤模式包括基体开裂、界面脱粘和纤维蠕变。桥接裂纹的纤维发生蠕变并促进了基体裂纹的张开、位移增大,进一步导致复合材料蠕变断裂,在复合材料蠕变过程中起决定性作用。2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变性能与SiC纤维微观结构的稳定性密切相关。在1200℃/100 MPa时,纤维晶粒没有长大,复合材料的蠕变断裂时间大于200 h;蠕变温度为1400℃时,纤维晶粒明显长大, 2D-SiCf/SiC复合材料蠕变断裂时间缩短至8.6 h,稳态蠕变速率增大了三个数量级。

不同碳黑填料含量2D-SiC_f/SiC复合材料介电及雷达吸波性能研究

对先驱体浸渍裂解工艺（PIP）制备的含碳黑填料2D—SiCf／SiC复合材料介电以及雷达吸波性能进行研究。研究表明，由于KD-I型SiC纤维表面具有连续碳涂层，不能直接用于吸波材料，需通过空气热处理手段将其除去。对纤维表面去碳后制成的不同碳黑填料含量2D．SiCf／SiC复合材料微波介电常数进行测试，结果表明，随碳黑含量增加，复合材料介电常数明显增大，但由于碳黑的高比表面和先驱体溶液粘度的限制，复合材料中碳黑体积分数最大仅能达到7％～8％，介电常数难以继续增大，介电损耗低于0．3，并且介电常数频散效应不理想。对不同碳黑填料含量复合材料反射率进行计算，结果表明，单层复合材料在某一频段内具有较好的吸波性能，但由于复合材料介电常数频散效应较差，宽频吸波性能不理想，采用不同吸收剂含量复合材料层铺工艺可能可以解决吸波性能带宽问题。

SiC微粉含量对2D-SiC_f/SiC复合材料力学性能影响

对PIP法制备2D-SiCf/SiC复合材料成形浆料中惰性填料SiC含量对2D-SiCf/SiC复合材料孔隙率、纤维体积分数以及力学性能影响进行研究。研究表明,SiC微粉含量较低时,浆料粘度过低,导致层间存在较大气孔,纤维体积分数不高,致使复合材料力学性能不佳,当SiC微粉含量过高时,浆料粘度过大,层间基体厚度增加,纤维体积分数下降,并且浸渍效率降低,孔隙率增大,复合材料力学性能下降。当SiC微粉含量为33.3%时,复合材料具有较低的孔隙率和较高的纤维体积分数,复合材料具有较好的力学性能,弯曲强度和断裂韧性分别达到211.7MPa和8.56MPa.m1/2。

纤维表面PIP-SiC涂层对2D-SiC_f/SiC复合材料力学性能影响

采用低浓度先驱体溶液利用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺在SiC纤维表面制备了SiC涂层,研究了浸渍裂解次数对纤维涂层形貌的影响。研究表明,采用10%的PCS先驱体溶液经3次浸渍裂解后可在纤维表面制得连续致密的SiC涂层。采用经涂层处理的SiC纤维布经热模压成型—先驱体浸渍裂解工艺制备了2D-SiCf/SiC复合材料,其弯曲强度随制备涂层浸渍裂解次数的增加先增后降,经3次浸渍裂解制备涂层的复合材料强度最高,由未经涂层处理的163.5MPa增大到245.9MPa,强度提高近50%。研究证明,SiC纤维表面SiC涂层使纤维在材料致密化过程所受的损伤减小,同时改善了界面,使复合材料强度明显提高。

利用束丝复合材料对PIP工艺制备2D-SiC_f/SiC复合材料力学性能进行表征

为了找到一种能有效对陶瓷基复合材料先驱体浸渍裂解(PIP)工艺参数进行优化的方法,提出利用束丝复合材料对二维复合材料力学性能进行表征的方案。对5种PIP工艺条件制备的束丝以及二维SiCf/SiC复合材料在不同PIP工艺条件下力学性能变化规律进行了研究,并对采用束丝复合材料对二维复合材料力学性能表征的有效性进行了分析。研究表明,束丝复合材料和二维复合材料力学性能随PIP工艺的变化规律完全相同,这是因为两种复合材料界面、纤维损伤等特性基本相同。采用强度比对两种复合材料力学性能一致程度进行了表征,结果表明两者一致性较好,但随PIP工艺复杂程度的提高,两者一致性降低。利用束丝复合材料可以对二维复合材料力学性能进行较好的表征,可对二维等实体复合材料制备工艺进行初步优化,从而使材料工艺设计效率大为提高。

2D C/SiC复合材料在1300℃水氧环境下的疲劳行为研究

采用应力比为0．1，频率为3Hz的正弦波分别在室温和1300℃水氧环境对2DC／SiC复合材料进行了拉一拉疲劳试验．结果表明，若取循环基数为10^5，室温和高温水氧环境下的疲劳极限分别为244．8MPa和93．3MPa，高温下的水氧腐蚀是材料失效的主要原因．根据疲劳断口特征分析得出以下结论：在高温水氧环境下，足够大的外载荷将会显著削弱SiO2层的封填裂纹效果，导致氧化性气氛通过外力拉开的微裂纹扩散进入材料内部．外载荷越大，气体在材料内部的扩散越快，复合材料的疲劳寿命越短。

硼在先驱体转化制备2DC_f／SiC材料中的应用

研究了含硼(B)的聚碳硅烷(PCS)／二乙烯基苯(DVB)先驱体的裂解,并以B为活性填料,SiC微粉为惰性填料,PCS／DVB为先驱体制备了2D Cf／SiC-B材料。考察了B粉含量对材料力学性能和抗氧化性能的影响。结果表明,B的引入可以有效提高先驱体的陶瓷产率,缩短制备周期,当浆料中B含量为15(?)％时,6次浸渍-交联-裂解周期后,材料的弯曲强度达到301．3MPa,与不添加活性填料制备的材料9个周期后的性能基本相当。当浆料中B含量为5(?)％时,材料的力学性能和抗氧化性能均较好,9个周期后,材料的弯曲强度和断裂韧性分别达到351．3 MPa,13．7 MPa·m1/2,较不添加活性填料制备的材料力学性能有所提高,在1300℃马弗炉中氧化10 min后,弯曲强度和断裂韧性保留率分别达到了79．4％和80.3％,较未添加活性填料的Cf／SiC材料有明显提高。

2D C/SiC复合材料低速冲击损伤研究

通过2D C/SiC复合材料的低速冲击试验和冲击后压缩试验,以及超声C扫描和红外热波两种无损检测方法,研究了冲击能量与冲击损伤的关系及其对压缩性能的影响.结果表明:C/SiC具有较好的损伤容限能力,冲击能量低于1.5J时几乎无目视损伤,高于9J时有被击穿的趋势.冲击后的名义压缩强度和压缩模量随着冲击能量的增加呈下降趋势,最多分别下降了44.7%和16.9%.

CVI结合浆料浸渍法制备2D C/SiC复合材料的微观结构和力学性能(英文)

采用CVI结合浆料浸渍工艺制备2D C/SiC复合材料。研究了SiC微粉对复合材料微结构和力学性能的影响。结果表明,当碳纤维预制沉积SiC80h后,微粉主要渗入到纤维束间。复合材料的力学强度随着渗微粉前CVI时间的增加及渗入浆料浓度的降低而增加。微粉的渗入大大降低了材料的层间剪切强度,而对材料的拉伸强度影响较小。

2D C/SiC复合材料蠕变寿命分布规律研究

运用统计学方法,对2D C/SiC复合材料高温拉伸蠕变寿命的分布规律进行研究。通过线性回归分析得到适合表征材料高温拉伸蠕变寿命的正态、对数正态和两参数Weibull三种分布模型的拟合参数;结合失效概率和拟合优度检验,利用信息理论,对三种分布模型进行综合评价,认为三种分布中两参数Weibull分布最适合描述2D C/SiC高温拉伸蠕变寿命的分布规律。

2D-C/SiC复合材料开孔试件拉伸特性和失效分析

通过对2D-C/SiC复合材料4mm和6mm开孔试件进行拉伸试验,研究了开孔试件的拉伸特性和失效模式,与标准试件拉伸试验结果比较获得了开孔尺寸对试件强度的影响。相比于标准拉伸试件,4mm和6mm开孔试件的拉伸强度分别减小了1.0%和6.6%。通过在开孔试件不同位置粘贴应变片,获得了试件在拉伸过程中最小净截面上的应变变化规律,直观地体现了试件拉伸过程中的应变集中现象,并通过有限元对开孔试件的应变分布进行模拟,模拟结果与试验值吻合较好;通过在试件表面粘贴声发射探头,获得了拉伸过程中试件材料的损伤参量变化规律,反映了试件的宏观损伤演化规律,并结合试件断口照片分析了开孔试件的失效行为。

PIP工艺制备2D C/SiC复合材料Z-向穿刺工艺

针对2DC/SiC复合材料存在碳布层间缺乏纤维增强,层间结合较差的问题,提出通过Z-向穿刺工艺提高碳布层间结合,克服材料使用时可靠性不高的问题,并比较了穿刺工艺对复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明,通过Z-向穿刺工艺制得试样2DC/SiC-Zpin的弯曲强度、弯曲模量和剪切强度分别为247.8MPa、37.8GPa和32.1MPa,而未穿刺试样2DC/SiC的弯曲强度、弯曲模量和剪切强度分别只有219.3MPa、34.4GPa和23.3MPa,由此可见,采用Z-向穿刺工艺能明显提高复合材料的力学性能。微观结构分析认为,试样力学性能提高的根本原因在于采用Z-向穿刺纤维加强了碳布层间结合,使材料具有较好的整体性,克服了复合材料层间结合较弱对力学性能带来的不利影响。

2DC/SiC复合材料阻尼性能研究

测试了CVI工艺制备的2D C/S iC复合材料的阻尼性能,讨论了其阻尼机制,分析了涂层、测试频率和热处理等因素对其阻尼峰的影响。结果表明,2D C/S iC复合材料的阻尼峰值可达1.86×10-2,其阻尼机制主要为微裂纹扩展、增强纤维阻尼及界面阻尼;S iC涂层可大幅度降低2D C/S iC复合材料的阻尼性能,消除阻尼特性曲线上的阻尼峰;2D C/S iC复合材料阻尼峰随加载频率的升高而降低;高温热处理使2D C/S iC复合材料阻尼峰降低。

模压压力对PIP法制备2D-SiC_f/SiC复合材料力学性能影响

对PIP法制备2D-SiCf/SiC复合材料成型过程中模压压力对2D-SiCf/SiC复合材料致密度、孔隙率以及力学性能影响进行了研究。结果表明,材料的致密度随模压压力的增加而上升,而复合材料弯曲强度随模压压力的增加先升后降。当模压压力为1～3MPa时,复合材料具有较高的致密度,同时SiC微粉对纤维的机械损伤以及模压成型过程中在复合材料中产生的残余应力均较小,纤维的就位强度较高,故复合材料具有较好的力学性能。

先驱体转化制备2D C_f/SiC复合材料力学性能

以国产3k JC1#纤维布为增强体,以聚碳硅烷和SiC微粉为先驱体和填料,分别采用热压辅助先驱体转化和先驱体浸渍裂解工艺制备了2D C_f/SiC复合材料。结果表明,热压辅助先驱体转化工艺制备的2D C_f/SiC复合材料纤维损伤严重,基体较为疏松,材料力学性能很低,弯曲强度和断裂韧性仅为84.3 MPa和6.5 MPa·m^(1/2)。而先驱体浸渍裂解工艺制备的2D C_f/SiC复合材料纤维损伤较小,具有较好的界面结合,内部孔隙较为均匀,力学性能较好,弯曲强度和断裂韧性分别达到321.6 MPa和17.8 MPa·m^(1/2)。材料具有较好的高温力学性能,1300℃时力学性能有较大幅度的提高,1600℃和1800℃时复合材料力学性能还可以较好地保持。

2DC_f/SiC-Si复合材料的制备和性能研究

针对短时高温抗氧化的具体环境,采用先驱体转化工艺制备2D Cf/SiC-Si复合材料。首先考察首周期裂解温度对2D Cf/SiC-Si材料力学性能的影响,结果表明,首周期采用1200℃裂解,所制备的2D Cf/SiC-Si复合材料界面结合较好,弯曲强度和断裂韧性分别达到305.4MPa和15.7 MPa.m1/2。在此基础上研究了Si粉含量对材料性能的影响。结果表明,随着Si含量的增加,2D Cf/SiC-Si材料的力学性能稍有降低,而抗氧化性能明显提高,主要原因在于材料中游离碳含量的降低和Si氧化后生成的具有封填裂纹和隔氧作用的SiO2膜。

基体对PIP法制备2D C_f/SiC材料抗氧化性能的影响

以3k JC1^#纤维布为增强体，以聚碳硅烷为先驱体，采用先驱体转化工艺制备了2D Cf／SiC复合材料，考察了基体结构对材料抗氧化性能的影响。结果表明，先驱体转化2D Cf／SiC复合材料的抗氧化性能主要与材料基体中的游离碳含量及孔隙率有关，基体中游离碳含量和孔隙率越高，材料的抗氧化性能越差。通过减少基体中的孔隙率和游离碳含量，可以制备抗氧化性能较好的2D Cf／SiC复合材料，在1300℃，马弗炉中氧化20min后，材料的失重率仅为2．2％，弯曲强度和断裂韧性保留率达到83．6％和80．9％。

先驱体转化2D C_f/SiC复合材料的拉伸行为研究

研究了先驱体转化2D C_f/SiC复合材料的拉伸行为。单向拉伸试验表明,材料的抗拉伸强度、拉伸模量和断裂应变分别为181.45MPa、64.95 GPa和0.744%。通过拉伸加载卸载试验分析了材料的拉伸失效过程,并对拉伸试验的应力应变曲线进行了拟合。结果表明,2D C_f/SiC复合材料拉伸破坏可以分为线弹性变形、基体破坏、纤维断裂和材料整体破坏4个阶段,拟合得到的曲线与试验曲线非常吻合。

2D-C_f/SiC复合材料及构件的无压成型工艺

采用无压成型工艺制备了2D-Cf/SiC及复杂构件。结果表明:复合材料弯曲强度达到328MPa,断裂韧度达到14.9MPa·m1/2,层间剪切强度达到35.9MPa,同时材料也具有很好的高温抗氧化性能。利用本工艺制备了某型号发动机的尾喷管,并成功通过了应用部门的试车考核。