热-力-氧环境下C/SiC材料损伤失效行为研究

C/SiC复合材料广泛应用于航空航天领域,在热-力-氧耦合环境下不可避免会面临损伤失效问题。本研究结合独创的高温力学加载装置、三维X射线显微成像技术和SEM表征,详细探究了C/SiC复合材料的内部微结构演化特征和断口形貌,分析了微孔洞/裂纹的分布与演变,揭示了C/SiC复合材料在1650℃有氧环境下的力学性能和损伤失效机制。研究结果表明,在热-力-氧环境的共同作用下,纤维迅速发生氧化反应,导致孔隙率快速增加;微裂纹在纤维与基体界面迅速诱发并扩展,从而引发纤维束的断裂、拔出,以及裂纹偏转等相互交织的损伤断裂机制。

C/SiC材料疲劳试验加载频率的数值研究

材料S-N曲线和结构动应力响应是声疲劳寿命评估的两个要素,而热结构材料C/SiC的S-N曲线具有强的频率依赖性。为得到典型C/SiC材料热结构声疲劳寿命评估可用的S-N曲线,分析了随机信号的水平穿越问题,导出随机信号的正斜率穿越率计算公式。论证了随机信号的正斜率零穿越率表征了信号的统计平均频率,且可直接由功率谱密度函数计算得到。对一C/SiC加筋壁板在声压载荷下的随机动响应进行数值仿真,在声载荷下壁板3个典型部位动应力响应的平均频率的最大值为532Hz,数值算例验证了正斜率零穿越率与随机信号在单位时间内的循环次数近似相等。因此在对该结构寿命评估前,测定材料S-N曲线应使试验加载频率尽可能接近532Hz。

C/SiC材料主被动氧化烧蚀机理及计算方法研究

基于热化学平衡方法建立了任意比例C/SiC材料的主被动氧化烧蚀模型,开展了C/SiC材料氧化烧蚀机理的计算研究,并基于典型材料烧蚀试验结果进行了充分验证。计算结果表明,C/SiC材料的氧化烧蚀特性取决于表面温度、氧分压以及组分等因素,可能会出现主动氧化和被动氧化两种破坏机制,目前的烧蚀模型能够预测出任意比例C/SiC材料两种氧化烧蚀机制的转换过程;SiC含量对C/SiC材料的氧化烧蚀特性有明显的影响,随着SiC含量的提升,主/被动氧化转换临界分压会减小,材料的抗氧化性能越好;但当材料均处于主动氧化阶段时,SiC含量越高材料的无量纲烧蚀速率越大,材料的抗烧蚀性能减弱。

C/SiC材料在模拟空天往返条件下的可重复使用性能评估

针对飞行器空天往返、多次使用的发展需求,以2D-C/SiC材料为对象,选择开放大气模拟环境、800℃温度条件开展了常/高温拉伸试验、以及常温→高温→降温循环变化历程下拉-拉疲劳的耦合试验,得到不同的力学性能规律,分析了影响材料表面涂层完整性的控制因素及转化点。表明C/SiC材料具有优良的高温静态持续强度性能,但在常-高温循环变化历程下的疲劳性能明显衰减。采用剩余刚度衰减模型,提出了力-热-氧耦合时考虑常-高温循环历程影响因素、以及氧化尺寸效应影响的疲劳剩余性能评估方法。

2D平纹编织C/SiC材料疲劳极限的估计

对1990年以来发表在各类文献中的2D平纹编织T300碳纤维C/SiC材料的疲劳性能数据进行了收集和整理。对收集的数据进行了全寿命S-N曲线的拟合,并按S-N曲线的形状参数a将材料分为三类。全寿命S-N曲线中形状参数a反映了材料的韧性,参数a值越大,疲劳载荷下材料韧性越好;尺度参数b反映了材料的裂纹扩展速率,参数b值越小,疲劳损伤对应力越敏感。依据拟合数据给出了2D平纹编织C/SiC的疲劳极限约为静强度的0.7的结论。

C/SiC复合材料数据库及机器学习性能预测平台的设计与开发

以MySQL Workbench 8.0为数据库平台,采用三层浏览器/服务器架构,利用PyCharm 2022开发了一套基于Web界面和机器学习技术的C/SiC复合材料数据库系统,该系统包括材料数据库和机器学习模型2部分,具有对材料组分结构、制备工艺、试验性能等材料研发各阶段的信息查询、添加、修改、删除、搜索以及支持信息管理、设计分析视图、案例推理辅助设计、用户与系统管理等功能。基于神经网络回归算法训练机器学习模型,利用材料微观结构参数预测材料力学性能,对不同微观结构参数的影响权重进行评价,并部署在系统平台中;通过Web用户界面调用机器学习模型,对预留的验证集数据进行拉伸模量和弯曲模量预测。结果表明:机器学习模型预测材料力学性能的精度达到95%左右,训练出来的预测模型具有良好的精度与泛化能力。

C/SiC复合材料在典型模拟环境下高温拉伸性能研究

以先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备的C/SiC复合材料为对象,研究了C/SiC复合材料在典型模拟环境下的高温拉伸性能,首次获得了约3 000 s时间不同变状态条件下材料的高温拉伸性能数据,探讨了不同条件下C/SiC复合材料高温承载行为及其变化规律。研究结果表明,C/SiC复合材料经历约3 000 s复杂阶梯热环境后拉伸强度仍保持60%左右;经历大温度梯度热震后,C/SiC复合材料的高温拉伸性能保持率反而提高,最高保持率超过80%;热震温差越大,热震后保温时间越长,对材料的高温拉伸性能保持和提高越有利。

高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为影响的实验研究

为了明确高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为的影响机制,开展了不同环境下强激光对C/SiC复合材料的烧蚀对比实验研究。利用激光器与高速风洞联合实验平台,完成了静态以及Ma 1.8,Ma 3.0,Ma6.0气流环境下2D与3DN C/SiC复合材料激光烧蚀实验。结果表明,与静态环境相比,高速气流对C/SiC复合材料的激光烧蚀行为产生了显著的影响,气流的冲刷使得烧蚀坑呈现出更宽、更深、更光滑的变化趋势。随着气流速度的增长,线烧蚀速率与质量烧蚀速率逐渐增大,主要原因为当地静压降低引起的升华速率增大,以及动压增大引起的剥蚀速率增大。此外,通过实验对比了不同构型对C/SiC激光烧蚀行为的影响。结果表明:2DC/SiC复合材料由于厚度方向更低的导热能力、更低的孔隙率等原因,其在不同环境条件下抗烧蚀能力均强于3DN C/SiC复合材料。

C/SiC复合材料微孔的电镀金刚石钻头钻削加工

用金刚石基本颗粒尺寸分别为20~30,36~54和63~75μm,直径在0.280~0.440 mm范围的6种电镀金刚石钻头,钻削三维针刺毡基C/SiC复合材料微孔,测试6种钻头的最佳加工工艺参数,分析工艺参数及金刚石基本颗粒尺寸、钻头直径等对微孔加工质量、加工效率的影响。结果表明:在相同钻削速度条件下,进给速度越低时,加工的微孔质量越好;钻头电镀的金刚石磨粒基本颗粒尺寸越大,其钻削效率越高;在6种钻头中,直径为0.300 mm的基体上电镀63~75μm的磨粒,直径为0.200 mm的基体上电镀36~54μm的磨粒,能够获得更优的钻孔性能。

基于温度场的C/SiC复合材料短电弧放电加工等效热源研究

针对C/SiC复合材料放电加工仿真普遍采用高斯热源,忽略间隙弧柱热效应的问题,文章以放电过程的热效应进行两部分等效。采用椭球体热源等效电弧弧柱,高斯面热源等效工件表面热效应,从平行和垂直于碳纤维两个方向进行温度场仿真,对比传统高斯热源与等效热源,并通过实验进行验证。结果表明:运用新型等效热源仿真,得到的凹坑尺寸比传统高斯热源更加接近实验加工的尺寸,预测精确度提高20%。

C/SiC复合材料的氧化行为仿真分析方法研究

对C/SiC复合材料高温氧化过程的准确预示,是提升C/SiC复合材料热结构设计水平的关键技术之一。本文结合C/SiC复合材料氧化机理、多孔介质流动理论和Fick扩散定律,得到了不同温度作用下C/SiC复合材料的氧化动力学方程并建立了氧化失重的数学表达式。开发了氧化扩展UEL子程序,对典型C/SiC复合材料试件氧化过程中氧、碳元素的分布和氧化扩展过程进行了分析,分析结果显示不同温度下的氧化失重与试验数据可以很好吻合。

C/SiC复合材料制备技术及应用现状

碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料由于具有低密度、高强度、高韧性、耐高温、耐烧蚀、抗冲刷、高硬度和高耐磨性等特点,已成为重要的热结构材料之一,成功应用于航空航天、军事、能源等领域。本文主要综述了C/SiC陶瓷基复合材料的几种典型制备方法,分析了各种制备方法的优缺点。介绍了C/SiC陶瓷基复合材料作为航空航天热结构、热防护材料、刹车材料和空间相机结构材料的应用情况,并展望了C/SiC陶瓷基复合材料制备工艺和应用方面的发展趋势。

C/SiC编织型复合材料热/力学性能的多尺度预测

C/SiC复合材料以其优异的力学和热学性能,在航空航天、国防和化学工业等领域都得到了广泛的应用.精准获得C/SiC复合材料的热/力学性能,对该类材料在相关领域的高效应用至关重要.基于代表性体积单元(RVE)和周期性边界条件,考虑纤维束的体积分数、交织方式、编织维度等非均匀、多尺度特征,建立了C/SiC复合材料的微/细观单胞模型.使用有限元软件ABAQUS在微观尺度预测了纤维束的热/力学性能,将纤维束性能引入细观模型中,分析获得了该复合材料的宏观热/力学性能.基于此多尺度关联分析方法,在27~1227℃的工作温度范围内,进一步研究了纤维束和C/SiC复合材料的热导率和热膨胀系数随温度的变化规律.该研究对C/SiC复合材料在工程上的应用具有一定的指导意义.

平纹编织C/SiC复合材料低速冲击数值模拟

首先,基于空气炮装置进行了2D-C/SiC薄板在冲击速度为79~219m/s范围内的低速冲击实验,对碎片云团发展过程进行高速摄影记录;其次,基于Autodyn软件正交各向异性复合材料模型,推导2D-C/SiC材料相关参数;选取SPH求解器建立二维计算模型,对实验工况进行数值模拟,并基于碎片云结构、B扫描检测结果和碎片云轴向发展速度验证了该模型可以很好地描述C/SiC材料在冲击载荷作用下的脆性特征和软化行为。最后,基于数值模拟结果推导得出了钢弹丸冲击C/SiC材料的极限侵彻深度预测公式。

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。

界面改性对混杂基C/SiC复合材料性能的影响

通过界面设计与实验研究,对C/SiC材料进行C/SiC/C多层涂层界面处理,实现了保护纤维和提高复合材料韧性及调节机械性能的多重目的。同时还研究了界面涂层前后纤维表面处理对复合材料性能的影响,结果表明,对增强体进行界面涂层处理和"酸处理",适当强化弱界面,起到了提高复合材料高温强度保留率和增韧的目的,酸处理+CVD-C/SiC/C界面涂层的C/SiC复合材料的高温强度保留率达到90%;进行了C/SiC/C界面涂层的C/SiC复合材料的断裂韧性高达20.72 MPa.m1/2,较未进行界面涂层的C/SiC复合材料的断裂韧性提高了31.8%。

高性能C/SiC复合材料的快速制备

研究开发了“CVI+PIP”组合工艺 ,本着“低成本、短研制周期 ,适合批量化生产”的目的 ,研制的C/SiC复合材料弯曲强度高达 5 6 1MPa ,断裂韧性高达 17MPa·m1/2 ,制成的C/SiC复合材料推力室开孔率小于 2 % ,在0 .6MPa气压下不漏气。

2DC/SiC复合材料烧蚀性能分析

采用氧-乙炔烧蚀试验研究了2DC/SiC复合材料的烧蚀性能,并对2DC/SiC复合材料在氧-乙炔焰流烧蚀条件下的烧蚀机理和烧蚀物理模型进行了初步探讨。结果表明,密度对材料的烧蚀性能有显著的影响,随着密度的增加,材料的线烧蚀率呈下降的趋势,当密度提高3.4%时,材料的线烧蚀率下降65%。同时,C/SiC复合材料在氧-乙炔条件下的烧蚀机制是热氧化烧蚀、热物理烧蚀和机械冲刷的综合作用。

C/SiC复合材料微结构的显微CT表征分析

利用显微CT表征了采用化学气相渗透法(CVI)制备的3D C/SiC复合材料的三维结构,评价了显微CT的微结构表征能力。结果表明:显微CT能够有效地分辨C/SiC复合材料的织构形貌、材料内部缺陷(孔隙和SiC基体密度差异)。通过重构孔隙的三维结构,揭示了CVI过程预制体内部存在沉积气体滞留;通过重构孔隙壁的形貌,揭示了CVI SiC基体表面为球状颗粒形貌,并与化学气相沉积(CVD)SiC涂层表面SEM形貌进行对比,阐明了预制体内外在气相沉积过程中存在压差的本质。

3D C/SiC复合材料喷管在小型固体火箭发动机中的烧蚀规律研究

采用小型固体火箭发动机研究了3D C/SiC复合材料喷管的烧蚀性能,分析了3D C/SiC的烧蚀机理及燃气参数对烧蚀性能的影响.结果表明,喷管喉部线烧蚀率为0.128±0.088mm/s,质量烧蚀率为0.166kg/(m^2·s);受喷管内燃气组分、温度、压强和流速等环境参数的影响,3D C/SiC的烧蚀涉及不同机理的非均匀烧蚀.喉部及其上下游过渡区域烧蚀最严重,收敛段其次,扩散段烧蚀最弱.烧蚀过程是热物理化学侵蚀和机械剥蚀综合作用的结果:涉及SiC的分解流失,SiC和碳纤维的氧化烧蚀,还涉及低速Al_2O_3大粒子的机械化学侵蚀,高速Al_2O_3小粒子的机械侵蚀等.