SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%,剩余拉伸强度仅为无损件的68%。

2.5D C/SiC复合材料超声振动辅助铣削数值模拟研究

为了揭示2.5D C/SiC陶瓷基复合材料在铣削加工过程中的去除机理及表面损伤特性,开展了其传统铣削和超声振动辅助铣削实验,建立了两类铣削工况下的三维数值模型。结果表明,相对于传统铣削,超声振动辅助铣削在其高频的交变载荷下,降低材料的微切削厚度,减小材料的变形挠度从而使径向和切向的切削力分别都降低了68%、72%;可有效改善2.5D C/SiC复合材料加工表面损伤,如倾斜断裂面、粗糙断裂面;其加工表面残余压应力明显大于传统铣削;经过实验验证,所建立的数值模型可以有效地模拟材料去除过程和0°、90°纤维的断裂形貌;为2.5D C/SiC复合材料的高效低损伤加工提供了理论依据和指导。

二维C/SiC复合材料低速冲击损伤特性的表征研究

为研究二维C/SiC复合材料的低速冲击损伤性能,采用落锤式冲击试验机进行低速冲击试验,并利用声发射技术对试验进行动态监测以及冲击后试样的检测。结果表明:冲击能量的大小是造成C/SiC复合材料损伤模式不同的主要因素,同时,声发射参数可以很好地表征C/SiC复合材料的损伤模式和损伤演化过程。在较低冲击能量下(3 J以下),材料的低速损伤主要是基体开裂;介于3 J到9 J之间的冲击作用下,基体开裂和分层是材料损伤的主要模式;冲击能量一旦超过9 J,材料中出现大量纤维断裂。

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。

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%.

制备工艺对C／C-SiC复合材料滑动摩擦特性的影响

分别采用熔渗硅(MSI)、前驱体裂解(PIP)技术制备4种C/C-SiC复合材料。在M2000型实验机上测试材料的摩擦磨损特性。结果表明:采用MSI制备的2种C/C-SiC摩擦因数高、不稳定,摩擦因数在0.404～0.906之间波动;随载荷增加,MSI-SiC质量分数为40.9%的材料B的摩擦因数变化幅度低于SiC质量分数18.9%的材料A的摩擦因数,但其随时间延长的波动幅度大;随时间延长和载荷增加,采用PIP制备的2种C/C-SiC材料的摩擦因数变化小,在0.08～0.14之间波动;其中,随载荷增加,PIP-SiC质量分数为18.0%的材料C的摩擦因数波动幅度稍大于SiC质量分数为6.0%的材料D的。EDAX分析表明:材料A的部分磨损表面未发现碳元素;而材料C磨损表面的碳硅摩尔比大于1,使其有足够的炭形成自润滑膜,从而降低材料的摩擦因数。SEM形貌表明:MSI技术制备的材料摩擦表面粗糙,未形成完整的摩擦膜,而采用PIP技术制备的材料摩擦表面较完整且致密。

超高速撞击作用下C/SiC薄板抗冲击特性研究

针对空天飞行器热防护系统抗冲击性能,基于已得实验结果对冲击载荷作用的平纹编织C/SiC复合材料薄板碎片云团结构定性建模及分析,获得C/Si C碎片云中特殊轴向柱状高能区。基于Autodyn正交各向异性材料模型推导材料参数并与实验对比,验证模型及参数的合理性。据C/SiC碎片云团特点选取弹丸剩余速度、碎片云轴向平均速度及分散角作为主要特征参数,并以球形Al弹丸薄板撞击模型为对象,对超高速撞击多种工况C/SiC面板的抗冲击性能进行规律分析及评估。

考虑材料初始损伤随机特性的C/SiC蠕变寿命估计

C/SiC复合材料作为航空发动机材料,长期服役于高温氧化环境,蠕变断裂是其主要失效形式。材料蠕变行为和材料内部结构有很大关系,由于复合材料存在初始缺陷,在服役时会导致氧化气氛扩散,造成材料蠕变断裂失效。但是,由于复合材料制备工艺的不稳定性,每个试件存在差异较大的初始损伤,在C/SiC蠕变断裂寿命估计时应该充分考虑初始损伤不确定性给材料带来的随机特性。本文通过统计学分析和蠕变损伤机理结合,在C/SiC高温蠕变实验的基础上,以位移作为主控变量,研究蠕变位移规律,建立了考虑材料随机特性的C/SiC蠕变寿命估计模型。

冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响

利用Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)装置,对炭化铪含量为2wt%的C/C复合材料进行了载荷峰值为137MPa的动态冲击损伤,采用氧乙炔烧蚀装置研究了冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响,并结合扫描电镜讨论了冲击损伤对样品烧蚀机理的影响.研究结果表明:与未受冲击的C/C复合材料相比,冲击损伤后,复合材料的质量烧蚀率增加了40%,线烧蚀率增加了118%.

第一壁材料SiC/C功能梯度材料的制备

以硼、碳为助烧剂 ,选择适当的成分组成 ,用热压法制备出块体SiC/C功能梯度材料。该材料无微观裂纹 ,梯度趋势明显 ,抗热冲击性能良好 ,辐照实验结果显示辐照前后材料组织结构无明显变化。

C/SiC复合材料与抗氧化陶瓷涂层的优化匹配

目的快速筛选与C/SiC复合材料界面热应力最低匹配的抗氧化涂层材料。方法在原用于单层陶瓷材料热冲击计算模型的基础上改造建立了一个简易但能合理解释热冲击下抗氧化涂层失效的解析模型。采用有限元模型对解析模型得到的界面热应力加以验证,二者结果基本一致。结果当裂纹长度小于30μm时,裂纹对涂层-基体界面热应力的影响几乎可以忽略,然而,当涂层表面预制长度大于30μm的微裂纹或增加涂层中的微裂纹密度均能够有效降低涂层-基体界面的热应力,提高涂层在服役条件下的断裂临界温差,改善涂层材料的抗热震性,提高涂层的使用寿命。利用该解析模型计算出各温度下涂层-基体体系具体的断裂临界温差,并预测涂层-基体体系最危险的工作温度区间。结论解析模型可以用来方便地计算涂层材料的热应力和断裂临界温差,从而筛选出热应力最小匹配的涂层材料。C/SiC复合材料的抗氧化涂层中预制长度大于30μm的微裂纹,可有效提高涂层抗热震性能。

3D针刺C/SiC断裂韧性缺口敏感性及破坏研究

碳化硅陶瓷基复合材料是高超声速飞行器及高推重比发动机等发展所需的关键材料之一,对冲击断裂韧性、缺陷及裂纹的敏感性有较高要求。采用夏比冲击试验测定3D针刺C/SiC复合材料的断裂韧性,研究其处于U型、V型缺口分别在与针刺平行、垂直的不同分布方向时对冲击断裂韧性的影响,并通过扫描式电子显微镜及光学显微镜等手段详细分析断口形貌。结果表明:U型试样的断裂韧性较V型试样对缺口线与针刺相对位置更为敏感,且缺口线与针刺纤维束平行时断裂韧性最差;针刺纤维束与0°和90°无纬布铺层交叉部位相对薄弱,原材料抗剪能力削弱。

动态冲击损伤对炭/炭复合材料压缩行为的影响

本文在利用split Hopkinson pressure bar装置对碳毡增强的炭/炭(C/C)复合材料进行动态冲击损伤的基础上,利用CSS44000电子万能试验机测定了其冲击后的压缩性能,探讨了动态冲击损伤对C/C复合材料横向压缩破坏行为的影响。研究结果表明:C/C复合材料具有较强的抗动态冲击损伤能力;未受冲击损伤复合材料的压缩破坏具有剪切失效特征,而冲击损伤后其压缩破坏具有剪切与分层失效特征。

二维C/SiC复合材料在冲击拉伸下的损伤过程

利用分离式霍普金森拉杆实验装置(SHTB)和超高速照相机,对二维C/SiC复合材料进行了冲击拉伸力学性能实验研究,同时结合其宏观力学行为,分析了在冲击拉伸载荷作用下的损伤破坏过程。结果表明:材料的应力-应变曲线呈明显的非线性特征,其内部损伤破坏和裂纹扩展过程分为四个阶段:损伤积累于第一阶段,裂纹起源于第二阶段,屈服失效于第三个阶段,快速扩展于第四个阶段。

陶瓷涡轮叶片

涡轮叶片是燃气轮机的一个重要部件，原由昂贵的材料制作。近来，海外利用韧性和抗冲击性更高的陶瓷基复合材料如SiC／SiC复合材料制陶瓷涡轮叶片获得成功。这种陶瓷涡轮叶片最大工作温度可达1500℃，应用可靠性大幅提高。目前，为使陶瓷涡轮叶片的应用具有更高的可靠性，正对长时间循环荷载和高温腐蚀环境下的力学性能展开进一步研究。