SiC纤维增强复合材料基体裂纹偏移机理的有限元分析

运用基于能量的裂纹偏移准则,分别建立了两相和三相复合材料基体裂纹偏移/穿透的轴对称有限元模型,考察了纤维体积分数、描述材料特性弹性失配的Dundurs参数α和相对裂纹扩展长度ad/ap对相对能量释放率Gd/Gp的影响。将两相复合材料的有限元结果与He等人的结果进行对比,进一步考察了三相复合材料界面层厚度和Dundurs参数α1和α2对Gd/Gp的影响。分别将碳涂层SiC纤维增强复合材料SiC/C/Ti-6A1-4V和碳涂层陶瓷基增强复合材料SiC/C/SiC运用于有限元分析中,结果表明,所建立的模型能够准确地预测和比较基体裂纹偏移的机理。

SiC纤维增强Ti基复合材料界面反应化学动力学研究

通过建立SiC纤维增强Ti基复合材料界面反应化学动力学模型,运用量子化学理论计算速率常数和活化能,揭示SiC纤维增强Ti基复合材料界面反应机理.研究显示,原子Ti,C,Si分别从Ti基体和SiC纤维分解反应的第一步骤为动力学控制步骤,其活化能远远大于界面反应产物生成的第二步骤的活化能,理论预测与实验结果吻合很好.

SiC纤维增强钛合金基复合材料界面热稳定性研究

本文利用扫描电镜和能谱分析手段，对连续SiC纤维增强钛合金基复合材料的界面热稳定性和界面反应机制进行了分析和研究。

SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料与40Cr钢的连接

采用Ag-Cu-Ti钎料对化学气相渗积方法制造的SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料与40Cr钢进行了真空钎焊。对接头的微观组织进行了观察,研究了不同钎料厚度及中间层对接头的影响。结果表明,利用Ag-Cu-Ti钎料可以实现二者的连接;中间层Cu以及钎料中的Ti、Ag、Cu有利于提高连接强度;不同钎料厚度影响连接强度,加两层钎料时,接头具有最高室温强度。

连续SiC纤维增强钛基复合材料高温变形研究

采用单轴拉伸的方法测试了Si C纤维增强钛基(Si Cf/Ti)复合材料横向高温变形的应力-应变关系,研究了温度、应变速率对应力-应变关系的影响规律,分析了复合材料的高温变形机制。研究表明,在应变速率为1.0×10-4~5.0×10-3s-1,温度为880~940℃条件下,延伸率为150%~200%。在高温变形过程中,复合材料主要的变形机制是纤维/基体界面剥离和基体的超塑性变形。

SiC纤维增强TiAl基复合材料残余应力的调控

武器装备的轻量化设计以及更苛刻的高温服役要求,对材料提出了更高的要求。连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti复合材料)具有良好的比强度和综合力学性能,成为了备受关注的轻质高温结构材料。但受局限于SiCf/TiAl复合材料的工艺特点,在成型过程中不可避免的会引入热残余应力而引起材料内部缺陷,对材料的力学性能带来不利影响。研究表明,SiCf/TiAl基体中具有较高的残余张应力,是SiCf/TiAl复合材料基体缺陷产生的主要原因。当SiC纤维体积分数(V_(f))为40.54%时,TiAl基体中最大残余张应力为1083.7 MPa(高于TiAl室温断裂强度)。为了调控SiCf/TiAl复合材料内部残余应力,采用有限元分析法计算了不同位置引入不同厚度的钛合金涂层,获得涂层的位置、厚度以及钛合金种类对SiCf/TiAl复合材料热残余应力的影响,从而获得SiCf/TiAl复合材料的残余应力的优化方案。对于SiC纤维V_(f)为40.54%的SiCf/TiAl复合材料而言,采用引入5μm(内)/1μm(外)涂层时,相比原始SiCf/TiAl复合材料,TiAl基体中最大残余张应力可降低约10%(低于TiAl室温断裂强度),从而在一定程度上降低复合材料中基体开裂等缺陷产生的风险。

纤维类型对纤维增强SiC基复合材料性能的影响

对比了采用先驱体浸渍法制备的三种不同纤维增强 Si C基复合材料的性能差异 ,并从材料的微观结构特征入手分析了差异产生的原因。通过研究发现 ,采用 Hi- Nicalon纤维增强的 Si C基复合材料具有较好的性能 ,单向复合材料弯曲强度达到 70 3.6 MPa,断裂韧性达到 2 3.1MPa· m1 /2 ;采用国产吉林碳纤维 (JC)制备的 Si C基复合材料也具有较好的性能 ,弯曲强度为 5 0 1.1MPa,断裂韧性为 13.8MPa· m1

纤维增强SiC陶瓷基复合材料加工技术研究进展

纤维增强SiC陶瓷基复合材料具有密度低、强度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优点,在航空航天及其他高温条件使用领域具有广泛的应用潜力。然而难加工特点制约了这类材料的广泛使用。由于存在硬度高、脆性大和各向异性特点,高精度低损伤加工成为其工程应用必须解决的关键技术之一。本文主要综述了近年来纤维增强SiC陶瓷基复合材料加工技术研究进展,综合分析了不同加工方法的加工原理、理论模型构建、工艺参数优化、表面质量控制与损伤形成机制等,讨论了当前存在的主要问题,对未来研究方向提出了发展与展望。

纤维增强钛基复合材料研究新进展

用强度超过4500MPa的SiC纤维增强常规钛合金所制成的复合材料(TMC),具有比常规钛合金更高的比强度、比刚度,可满足未来航空航天所需可耐更高温度、更高负载的要求,尤其适合于新一代航空涡轮发动机对高温机械性能的追求。本文综述了美、英、法、德各国在SiC纤维增强钛基复合材料研究方面的现状和取得的成果,已有的研究结果表明,该材料在基础研究、制备研究、应用研究等方面都取得了长足的进步,尤其是制造成本大幅度地降低,直接推动了纤维增强钛基复合材料应用的步伐。

连续纤维增强陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用

阐述了连续纤维增强陶瓷(SiC)基复合材料的优势与存在的问题,重点介绍了国内外对与其相关的增强纤维、构件制备工艺、构件制备的研究进展。

纤维拔出时界面分离能释放率的应力函数分析

当引入应力平衡方程、边界条件和连续性条件时,提出了一个描述纤维拔出过程中、分离界面伴随摩擦时的弹性应力传递理论模型。根据最小势能原理,获得了纤维和基体中所有应力的求解和考察界面断裂特性的分离能释放率G的表达式,且当引入一个界面分离准则G≥iΓ时,提供了一个确定临界分离长度的方法。对纤维增强复合材料SiC/Ti-6Al-4V进行了数值计算,且和shear-lag(剪滞)理论结果作比较。

伴随纤维断裂的界面分离能的研究

考虑到Poisson效应和分离界面上摩擦应力的作用,建立了伴随纤维断裂时分离界面摩擦滑移的弹性应力传递模型,分别获得了纤维和基体界面分离和结合区域内的弹性应力解．基于能量平衡,推导出纤维断裂后界面分离需要克服的界面分离能的表达式．就SiC纤维增强复合材料对影响界面分离能的多种因素作参数化的数值计算,且结果和shear-lag结果作比较．结果表明,Poisson效应、剪切效应和摩擦应力能增大界面分离能值,抑制界面分离；而纤维断裂减小了界面分离能值,加速了界面分离．

先驱体浸渍裂解结合化学气相渗透工艺下二维半和三维织构SiC/SiC复合材料的结构与性能

通过先驱体浸渍裂解工艺结合化学气相渗透工艺(PIP+CVI)制备了二维半(2.5D)和三维(3D)编织结构的碳化硅纤维增强碳化硅基(SiC/SiC)复合材料,对两者的密度、热导率、力学性能以及微观结构等进行了测试分析。结果表明,PIP+CVI工艺制备的SiC/SiC复合材料具有较低的密度(1.98~2.43g·cm-3)和热导率(0.85~2.08 W·m^(-1)·K^(-1)),初期CVI纤维涂层能够提高纤维-基体界面剪切强度(~141.0 MPa),从而提高SiC/SiC复合材料的力学性能,后期CVI整体涂层明显提高了2.5DSiC/SiC复合材料的密度、热导率和力学性能,对3DSiC/SiC复合材料性能的影响不明显。

碳纤维及其复合材料的发展

综述了碳纤维的发明、发展、市场和应用的现状,通过对碳纤维性能的介绍,讨论了碳纤维在制作高性能陶瓷材料方面的进展,并展望了其新的应用领域。

高推重比航空发动机用新型高温钛合金研究进展

综述了我国航空发动机用高温钛合金材料体系的发展状况。针对未来高推重比航空发动机对新型轻质耐高温结构材料的需求,重点介绍了TiAl合金和SiC纤维增强钛基复合材料2种关键的新型高温钛合金国外研究进展和应用情况。目前我国航空发动机主要应用的是α+β型钛合金,工作温度均在500℃以下,在更高温度使用的近α型钛合金(如600℃高温钛合金)尚处于研发阶段。国外对TiAl合金的研究已近20年,在航空发动机领域已公开报导了10多种TiAl零部件,并且完成了地面装机试验,试验结果非常理想。SiCf/Ti复合材料在航空发动机上的典型应用是叶环类和轴类零件,美、英等国均研制出了多个零部件,并进行了发动机考核试验。TiAl和SiCf/Ti复合材料将是新一代高推重比航空发动机用的2种关键结构材料。

航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展

新一代高推重比航空发动机压气机和涡轮系统高温环境使用的叶片、盘、机匣、整体叶盘和整体叶环等构件设计通常选用先进高温钛合金材料。本文综述近年来我国600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、连续SiC纤维增强钛基复合材料及其应用技术取得的最新研究进展,并提出材料及构件设计、加工和使用亟待突破的关键技术,包括工业铸锭成分高纯化和均匀化控制技术、大规格棒材及特殊锻件制备技术、整体叶盘和整体叶环零件机械加工技术、材料性能评价及应用设计技术等。先进高温钛合金材料的不断应用将有力推动我国航空发动机技术发展。

热压工艺对SiC_(f)/Ti复合材料界面反应层生长影响的数值模拟

提出一个热-力-扩散-反应强耦合相场模型来研究热压烧结制备工艺对连续碳化硅纤维增强钛基复合材料中金属间化合物生长规律的影响。模拟结果表明,在两种不同温度下各个界面反应层(Ti_(3)SiC_(2)/Ti_(5)Si_(3)Cx/Ti_(5)Si_(3)Cx+TiC/TiC)的厚度生长与试验值吻合较好。增大外加压力能促进界面层厚度的生长,但对其中抗拉强度最低的Ti_(5)Si_(3)层的生长起显著的抑制作用,同时使各界面反应层由周向拉应力状态逐渐转变为压应力。温度的升高使断裂韧度最大的Ti_(3)SiC_(2)层厚度增大,但也使总界面层和Ti_(5)Si_(3)层的厚度增加。因此,在制备工艺上适当增加压力并选择合适的温度,得到厚度适宜的界面反应层的同时,尽可能使Ti_(5)Si_(3)层变薄和Ti_(3)SiC_(2)层变厚是提高SiCf/Ti复合材料力学性能的重要途径。

SiC_(f)/SiC与GH5188钎焊接头的界面产物及机制研究

使用CuTi+NbB_(2)活性钎料成功实现了碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_(f)/SiC)复合材料与GH5188钴基高温合金二者的连接,研究了钎焊温度对接头界面微观组织以及力学性能的影响,并对连接机制展开了分析。接头典型的界面结构为GH5188/Cu+(Ni,Co,Cu)3Ti_(2)+(Co,Ni,Cu)Ti_(2)/Cu_(4)Ti/Cu+Cu_(3)Ti_(2)+(Ni,Co)-Si+(Ni,Co,Cu)Ti_(2)/TiC+Cr-C/SiC+Cu/SiC_(f)/SiC。由于NbB2粉末的引入,导致形核点的增加,金属间化合物倾向于以小颗粒相的形态析出并弥散分布在钎缝中。而随着温度的升高,金属的溶解情况以及元素的互扩散以及反应情况均有所加强,但温度的改变基本上不改变各层的占比;同时,陶瓷侧的补充活性元素(Co,Cr,Ni)随着温度而增多,这在一定程度上有利于陶瓷与焊缝之间的连接。因此,在1050℃/10 min的情况下,接头的室温抗剪强度最高达到72 MPa。接头均沿钎缝和SiC_(f)/SiC复合材料的反应界面断裂。