2.5D C_(f)/SiC复合材料微尺度磨削试验研究

为提高2.5D C_(f)/SiC复合材料在微磨削加工中的表面质量,使用500#金刚石磨粒、直径为0.9 mm的电镀微磨具对其进行3个因素5个水平的微磨削正交试验.通过极差与方差分析微磨削速度v_(s)、磨削深度a_(p)和进给速度v_(w)对磨削性能评价参数(磨削力、表面粗糙度、表面形貌)影响的主次顺序;通过不同水平下的试验结果分析磨削性能评价参数随工艺参数的变化规律.结果表明,磨削深度对磨削性能影响最大,进给速度影响最小;当增大磨削深度与进给速度时,表面粗糙度及磨削力逐渐增大,表面缺陷较多;当增大微磨削速度时,表面粗糙度及磨削力逐渐减小,表面形貌平整均匀,缺陷较少.

高孔隙率C_(f)/SiC复合材料铣削试验和仿真研究

C_(f)/SiC复合材料是一种碳纤维增强的SiC基复合材料,具有优异的高温热力学性能和组织稳定性,被广泛用于制造航空航天领域中热防护系统和动力系统的关键零部件。C_(f)/SiC复合材料兼有SiC基体的硬脆性、碳纤维的强韧性以及两相结合的非连续特性,给切削加工带来极大挑战。为此,针对一种高孔隙率C_(f)/SiC复合材料的高效加工开展基础试验研究,采用TiCrN+Al 2O 3+TiN涂层硬质合金立铣刀铣削C_(f)/SiC复合材料表面,研究铣削参数对加工表面质量和刀具磨损的影响规律,结合仿真分析研究加工表面形成机理,为C_(f)/SiC复合材料的低损伤切削工艺研究提供基础试验数据和指导。

基于单颗金刚石划擦的单向C_(f)/SiC复合材料去除机理

为研究单向C_(f)/SiC复合材料划擦去除机理,采用单颗金刚石磨粒开展准静态划擦试验,分析不同压痕载荷下划擦材料的声发射信号变化,结合SEM形貌分析材料的去除行为和划擦去除机理。试验结果表明:声发射信号强度随着压痕载荷增加而增强,相同参数下SB方向信号值更大,信号波动更剧烈。结合声发射信号与SEM形貌分析,得出材料在不同方向的划擦去除行为,材料以脆性去除为主,SA方向纤维以拉伸断裂和纤维拔出为主,SB方向纤维主要断裂方式为弯曲断裂和剪切断裂。根据SEM形貌分析,阐述去除行为的形成过程,即解释材料划擦去除机理。

浆料涂刷-热压法制备2D C_(f)-ZrB_(2)-SiC复合材料的力学与烧蚀性能

连续碳纤维增强ZrB_(2)-SiC复合材料以其优异的抗氧化、抗烧蚀性能在航天飞行器热防护结构材料领域备受关注。本文采用浆料涂刷−热压法制备2D C_(f)-ZrB_(2)-SiC复合材料,探索运用微米级粉末浆料制备2D C_(f)-ZrB_(2)-SiC复合材料的可行性,研究烧结温度对材料微观结构与力学性能的影响,并测试材料的抗烧蚀性能。结果表明:采用微米粉末浆料涂刷−热压法制备的2D C_(f)-ZrB_(2)-SiC复合材料于2000℃烧结后具有最高的致密度与抗弯强度,开孔率达到8.01%,抗弯强度达到191.3 MPa;复合材料表现出较好的抗烧蚀性能,材料表面响应温度达到2600℃,经300 s等离子火焰烧蚀后线烧蚀率为3.51μm/s。

三维编织C_(f)/Al复合材料T型件振动疲劳性能

采用真空压力浸渗法制备的三维编织C_(f)/Al复合材料具有良好的力学性能,在航空航天等领域的应用上具有较大潜力。本工作以三维编织C_(f)/Al复合材料为研究对象,对其在不同加载应力下进行振动疲劳实验,并观察疲劳实验后其断口处的微观结构。结果表明:加载应力越大,达到疲劳稳定阶段时T型件的固有频率降幅百分比也越大,即对T型件内部结构的破坏也越显著;对不同加载应力下的疲劳数据进行拟合,绘制S-N曲线,得到T型件振动疲劳损伤演变规律的数学模型,可用于预测三维编织C_(f)/Al复合材料的疲劳寿命;对实验后T型件进行断口处的宏观和微观分析,发现实验后的T型件呈现典型的脆性断裂特征。

C_(f)/SiC复合材料铣削特性的三维有限元分析及试验验证

碳纤维增强碳化硅(C_(f)/SiC)复合材料具有高强度、耐磨损和各向异性等特点,导致材料加工非常困难。本文开展了聚晶金刚石(PCD)刀具铣削C_(f)/SiC复合材料的三维有限元仿真和试验,研究了复合材料的切削特性;研究了加工参数对切削力的影响,以及不同纤维切削角下的材料去除机理。通过用户自定义的子程序在ABAQUS/CAE软件中建立了有限元切削仿真模型,仿真分析了加工参数对切削力的影响,并开展了验证试验。结果表明,有限元仿真和试验得到的X和Y方向的切削力具有良好的一致性。随着切削速度的增加,切削力降低;随着每齿进给量的增加,切削力升高。当沿着纤维方向进行切削时,刀具刃口的应力最小;随着纤维切削角的增大,刃口应力升高。本文可为C_(f)/SiC复合材料切削特性研究提供指导。

反应熔渗制备C_(f)/C-ZrC-SiC复合材料微观结构及抗烧蚀性能

通过反应熔渗(RMI)方式,以缝合碳纤维预制体和Si-Zr合金作为反应物,制备得到C_(f)/C-ZrC-SiC复合材料,并利用SEM-EDS和XRD系统分析了复合材料的微观结构,可以明确SiC-ZrC陶瓷基体在材料内部分布比较均匀且致密度较高。得益于上述基体结构,C_(f)/C-ZrC-SiC复合材料的弯曲强度和模量分别达到323.2 MPa和46.6 GPa,表现为韧性断裂。采用氧乙炔实验进行抗烧蚀测试,在表面温度为1800~1900℃下,ZrC含量较多的C_(f)/C-ZrC-SiC复合材料质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.263 mg/s和2.367μm/s,ZrC含量较少的C_(f)/C-SiC-ZrC复合材料分别为2.056 mg/s和5.067μm/s,C_(f)/C-ZrC-SiC复合材料表现出更加优异的抗烧蚀性能。

压力−速度因素对C_(f)/PF-Cu复合材料载流摩擦磨损性能的影响

采用模压法制备了一种新型的炭纤维混杂铜网增强树脂基复合材料(C_(f)/PF-Cu复合材料),并在销盘式载流摩擦磨损试验机上进行了试验。在电流分别为0 A和50 A条件下,研究压力(p)−速度(v)因素(简称pv因素,数值分别为5、10、15、20、25、30和35 MPa∙m/s)对C_(f)/PF-Cu复合材料载流摩擦磨损性能的影响。结果表明:在非载流条件下,摩擦因数随pv值的增加呈逐渐下降趋势,质量磨损率则呈缓慢增加趋势,变化均非常小。在载流条件下,摩擦因数随pv值的增加变化不大,而质量磨损率则变化剧烈;当pv值在15~35 MPa∙m/s范围时,质量磨损率随pv值的增加而急剧增加。在载流摩擦磨损过程中,随着pv值的增加,摩擦磨损机制逐渐由磨粒磨损转变为黏着磨损,在pv值达到35 MPa∙m/s时则表现为显著的氧化磨损和熔融喷溅。

C_f/ZrC-SiC复合材料抗氧化性能及机理分析

采用有机前驱体转化法制备C f/ZrC-SiC复合材料,探讨其抗氧化性能及机理,研究界面、氧化时间及氧化温度对材料抗氧化性能的影响。结果表明,有PyC沉积层的复合材料的抗氧化性能最好,纤维表面的玻璃相明显较多,能更好地保护纤维不被氧化;随着氧化时间(10 min、15 min和30 min)和氧化温度(1 500℃、1 600℃和1 700℃)的增加,玻璃相逐渐增加,材料表面被氧化形成的ZrO2和SiO2覆盖,能阻止外部氧的进入,提高材料的抗氧化性能。

200NC_(f)/SiC复合材料推力器研制

为了研制C_f/SiC复合材料推力器,对C_f/SiC复合材料物理性能进行了试验研究,测试了C_f/SiC复合材料在空间复杂环境下的适应性及力学性能;采用化学气象沉积法制备抗氧化涂层;采用自动缠绕成型工艺制备C_f/SiC复合材料喷管;采用Ti-Ni复合钎料进行了高温钎焊试验,获得了最优的钎焊工艺参数,完成了C_f/SiC复合材料与金属铌的钎焊连接;制备了试验样机并进行了热试车考核。结果表明,C_f/SiC复合材料在经历各种空间环境后,仍可保持良好的力学性能,涂层具有较好的抗氧化能力。热试车过程中,稳态试车室压平稳,脉冲工作时,推力器响应迅速,脉冲一致性好;燃烧效率达到设计要求,钎焊缝结构完好,C_f/SiC复合材料喷管无明显烧蚀,热试车圆满成功。

基于深度学习的平纹C_(f)/SiC复合材料原位拉伸损伤演化与断裂分析

为揭示平纹C_(f)/SiC复合材料的拉伸损伤演化及失效机理,开展了X射线CT原位拉伸试验,获得材料的三维重构图像,利用深度学习的图像分割方法,准确识别出拉伸裂纹并实现其三维可视化。分析了平纹C_(f)/SiC复合材料损伤演化与失效机理,基于裂纹的三维可视化结果对材料损伤进行了定量表征。结果表明:平纹C_(f)/SiC复合材料的拉伸力学行为呈现非线性,拉伸过程中主要出现基体开裂、界面脱黏、纤维断裂及纤维拔出等损伤;初始缺陷易引起材料损伤,孔隙多的部位裂纹数量也多;纤维束外基体裂纹可扩展至纤维束内部,并发生裂纹偏转。基于深度学习的智能图像分割方法为定量评估陶瓷基复合材料损伤演化与失效机理提供了有效分析手段。

服役参数对C_(f)-Al_(2)O_(3)/Cu复合材料摩擦磨损性能的影响

为探究不同服役条件下C_(f)-Al_(2)O_(3)/Cu复合材料的摩擦磨损性能,采用QG-700型摩擦磨损试验机对其进行了在不同载荷和线速度条件下的摩擦磨损实验,分析了C_(f)-Al_(2)O_(3)/Cu复合材料的摩擦磨损性能和磨损机理。结果表明:载荷和线速度对C_(f)-Al_(2)O_(3)/Cu复合材料的摩擦磨损特性有显著影响,在实验范围内,在载荷为10 N及线速度为0.59 m/s条件下,5C_(f)-Al_(2)O_(3)/Cu复合材料的摩擦磨损性能最佳,其摩擦系数和磨损率分别为0.45和1.488×10^(-5)mg/m。摩擦过程中在复合材料摩擦表面产生的机械混合层有利于摩擦副之间的润滑。随着载荷增大,机械混合层减少,C_(f)-Al_(2)O_(3)/Cu复合材料的磨损加剧,基体塑性变形程度增大;随着线速度的增大,机械混合层厚度增加,润滑状况得以改善,C_(f)-Al_(2)O_(3)/Cu复合材料的摩擦系数减小。

料浆刷涂针刺法制备C_(f)/C-ZrB_(2)复合材料及其力学性能

以天然石墨粉、ZrB_(2)粉末、醇溶性酚醛树脂粉末及炭纤维毡、炭纤维无纬布为原料,采用料浆刷涂、针刺、温压固化、高温碳化工艺,结合化学气相沉积工艺,制备C_(f)/C-ZrB_(2)复合材料。通过阿基米德排水法测试密度及孔隙率,采用扫描电镜分析及力学性能测试等手段,研究料浆固含量对C_(f)/C-ZrB_(2)多孔坯体中基体粉末分布的影响,以及对C_(f)/C-ZrB_(2)复合材料力学性能的影响。结果表明:料浆固含量增加,坯体中基体粉末分布的均匀性提高,材料力学性能随浆料固含量的增加呈现先升后降的趋势,当料浆固相体积分数为15%时,材料抗弯强度达到121.86 MPa。

激光辅助高速微车削C_(f)/SiC陶瓷基复合材料切削力影响因素试验研究

C_(f)/SiC陶瓷基复合材料作为一种新型耐高温材料,在航空航天领域具有广泛的应用前景,但难加工特性带来了新的挑战。采用激光辅助高速微车削机床在C_(f)/SiC陶瓷基复合材料上进行外圆切削加工,以主切削力F_(z)为目标,优化C_(f)/SiC陶瓷基复合材料的切削参数。分别采用单因素试验与多因素正交试验研究工件转速n、切削深度a_(p)、进给速度v_(f)与功率密度q对x、y和z 3个方向切削力的影响规律,通过方差分析法指出各加工参数对F_(z)影响的主次顺序及最优参数组合。试验结果表明:与常规高速微车削相比,激光辅助高速车削技术能够改善各个方向切削力大小,切削力最大降低81.436%;各试验因素对F_(z)的影响从大到小依次为q>n>a_(p)>v_(f);最优加工参数组合为:q=400 W/mm^(2),n=4 000 r/min,a_(p)=20μm,v_(f)=20 mm/min时,F_(z)最佳为1.831 N。

2.5D机织C_(f)/Al复合材料热残余应力与热变形细观力学分析

采用细观力学数值模拟与热性能实验结合的方法,研究2.5D机织C_(f)/Al复合材料降温热变形行为和热残余应力分布。根据解析法计算的纱线轴/横向热膨胀性能和纱线空间分布结构,建立复合材料细观力学有限元模型,计算得到的宏观热应变-温度曲线与热变形实验曲线吻合较好。复合材料制备后经纱和纬纱主要处于残余压应力状态,且纬纱表现出较高的残余应力水平;基体合金则主要处于残余拉应力状态,最大拉应力出现在经纱界面处并导致经纱与纬纱之间的区域出现局部界面脱粘,降低热残余应力是改善复合材料力学性能的重要技术手段。

浆料注射法制备C_(f)/SiC-ZrC复合材料的力学和抗氧化性能

以SiC粉和ZrC粉为原料,配制固含量体积分数为30%的水基陶瓷浆料,分别采用浆料注射法和真空浸渍法将浆料引入到密度为0.2 g/cm^(3)的碳纤维预制体中,结合化学气相渗透和反应熔渗工艺制备C_(f)/SiC-ZrC复合材料。观察分析素坯和C_(f)/SiC-ZrC复合材料的形貌与组织结构,测定复合材料的密度、开孔率、抗弯强度和抗氧化性能等。结果表明,相比真空浸渍法,浆料注射法能一次将SiC粉和ZrC粉均匀引入碳纤维预制体中,坯体体积一次填充率为37.3%。注射法制备的复合材料平均密度为2.91 g/cm^(3),中心和外层的抗弯强度相差较小,分别为41.12 MPa和43.90 MPa,材料的断裂方式均表现为假塑性断裂。样品在空气中氧化120 min后,表面形成较连续致密的氧化层,氧化趋于平衡稳定,表现出较好的抗氧化性能。

树脂基多孔碳孔结构对C_(f)/SiC复合材料连接性能的影响

连接技术是实现大尺寸以及复杂构型C_(f)/SiC复合材料制备及工程化应用的关键技术。本工作使用酚醛树脂作为碳源,通过反应连接法实现了C_(f)/SiC复合材料的稳定连接,研究了多孔碳坯的体积密度和孔径对接头连接性能和微观结构的影响,讨论了惰性填料含量对接头连接性能和显微组织的影响。研究表明:树脂基多孔碳素坯的体积密度和孔径分别选定在0.71~0.90 g·cm^(-3)和200~600 nm比较合适,随着多孔碳素坯孔径增加,游离硅尺寸逐渐增大;当孔径为190nm时,连接件强度最大为(125±12)MPa。添加SiC惰性填料可以明显减小多孔碳素坯的体积收缩,当SiC惰性填料质量分数为50%时,连接件强度最高达到(216±44) MPa,基本与基体材料强度相当。总体而言,本研究为实现C_(f)/SiC复合材料稳定连接提供了理论指导,对实现复杂形状或大型C_(f)/SiC复合材料的制备和工程应用具有重要意义。

快速制备C_(f)/SiC复合材料的组织与力学性能

以SiC粉末、醇溶性酚醛树脂粉末以及炭纤维毡、炭纤维无纬布为原料,采用料浆刷涂-针刺-温压固化-高温碳化工艺,在料浆中酚醛树脂的体积分数分别为10%和15%、温压固化压力分别为8 MPa和20 MPa条件下制备C_(f)/SiC多孔预制体,然后通过化学气相渗透法沉积SiC,快速制备C_(f)/SiC陶瓷基复合材料。观察和分析复合材料的形貌和组织结构,测定材料的密度、孔隙率、抗弯强度和断裂韧性等性能。结果表明:料浆中的酚醛树脂体积分数较低时,C_(f)/SiC复合材料的性能较好,并且随固化压力增加而提高。在酚醛树脂体积分数为10%、温压固化压力为20 MPa条件下得到开孔隙率为13.1%的高致密C_(f)/SiC复合材料,该材料的基体较致密,且纤维束和基体之间基本没有孔隙;当材料受到外加载荷时,通过纤维拔出、纤维脱粘和裂纹偏转来提高复合材料的强度和韧性,断裂方式为假塑性断裂,抗弯强度和断裂韧性都较高,分别为570 MPa和18.6 MPa·m^(1/2)。

3D-C_(f)/Al复合材料的微观组织与剪切性能

研究了真空压力浸渗法制备的两种3D-C_(f)/Al复合材料的微观组织,测试了在25、350及400℃时的剪切性能并分析了剪切失效机制。结果表明,三维五向与三维正交C_(f)/Al复合材料的致密度分别为97.8%和99.2%,两种复合材料都存在少量微孔缺陷,由于三维五向较三维正交结构而言,纤维束间的交织点数量多、纤维丝间的间隙小以及浸渗过程中铝液受到多个方向纤维束作用而导致的微孔缺陷要多;三维五向C_(f)/Al复合材料25、350和400℃的剪切强度分别为90.8、55.1和43.6 MPa,三维正交C_(f)/Al复合材料的则为27.3、33.7和25.2 MPa。造成两者复合材料剪切强度差异的原因主要是由于两者预制体中纤维承载方式不一样。其中,两种复合材料剪切破坏产生于“V”型口铝合金与碳纤维界面损伤处,剪切断口呈近似45°破坏,纤维束的受力变形导致两种复合材料剪切行为失效。

采用Ag-Cu-Ti钎料真空钎焊SiO_(2f)/SiO_2复合陶瓷与C/C复合材料

分别在880℃/10min和880℃/60min规范下,采用Ag-Cu-Ti活性钎料实现了SiO2f/SiO2复合陶瓷与C/C复合材料的真空钎焊连接,通过电子探针(EPMA)、能谱仪(XEDS)和X射线衍射仪(XRD)分析了接头微观组织,室温下测试了接头的抗剪强度。结果表明:两种规范下所得接头界面结合良好,接头中靠近两侧母材均形成了一层扩散反应层,钎缝基体主要由均匀的共晶组织组成。880℃/10min规范下钎焊接头界面产物依次为:SiO2f/SiO2→Ti4O7→Ti5Si4+Cu(s,s)+Ag-Cu共晶合金→TiC→C/C;对于880℃/60min规范下的接头,界面组织结构与保温10min的接头基本类似,但是不存在Cu(s,s),并且接头反应层明显增厚。880℃/60min条件下所得钎焊接头剪切强度平均值为16.6MPa。