连续吸波SiC纤维增强SiOC陶瓷基复合材料的高温吸波性能

利用带原位BN涂层的吸波SiC纤维为增强体,以硅氧碳(SiOC)陶瓷为基体,采用先驱体浸渍裂解(precursor infiltration pyrolysis,PIP)工艺制备SiC-BN/SiOC陶瓷基复合材料。在7个PIP制备周期后复合材料实现致密化,密度为2.05 g/cm^(3),孔隙率为4.28%。采用矢量网络分析仪测试介电常数,结合传输线理论对复合材料在8.2~18 GHz下室温至800℃的吸波性能进行计算优化。结果表明:SiC-BN/SiOC复合材料的室温介电常数呈现出明显的频散效应,使其具有良好的宽频吸波特性。当复合材料厚度为2.1 mm时,在X波段和Ku波段反射损耗优于-10 dB的最大频宽为5.7 GHz。此外,复合材料的复介电常数实部和虚部随着环境温度的升高而增大。在宽频反射损耗优于-5 dB的水平下,材料的最优厚度由2.3 mm(200℃)降至1.1 mm(800℃)。

SiC_(f)/Ti65复合材料的拉伸行为研究

采用磁控溅射先驱丝法结合热等静压工艺制备SiC_(f)/Ti65复合材料,研究了SiC_(f)/Ti65复合材料室温、高温拉伸行为,揭示了SiC_(f)/Ti65复合材料拉伸断裂机制。研究结果表明:SiC_(f)/Ti65复合材料的室温、高温抗拉强度相比于Ti65合金的抗拉强度分别提升29%和164%,验证了复合材料的增强效果。SiC_(f)/Ti65复合材料的室温拉伸断裂机制为反应层断裂、纤维/基体界面脱粘、基体脆性断裂、纤维断裂、包套韧性断裂;高温断裂机制为反应层断裂、纤维/基体界面脱粘、纤维断裂、W/SiC界面脱粘、基体和包套韧性断裂。

SiC/Ti-153复合材料界面与性能研究

对带(B4C+C)涂层的S iC纤维增强Ti-153复合材料的界面反应进行热力学分析,并对界面反应层做能谱成分分析及X-射线衍射结构分析。结果表明,界面反应层为TiC,TiB2和TiB相的组合物。采用不同的热压工艺制备复合材料并分别进行拉伸实验及扫面电镜观察,从而得出不同界面结合状态与拉伸性能之间的关系。对经不同时间的热处理具有不同界面反应层厚度的复合材料进行拉伸实验,结果表明,随着反应层厚度的增加复合材料性能下降。

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%。

SiC纤维增强高温合金复合材料界面问题研究进展

高温合金因其强度高、用量大,已成为先进航空发动机主干材料之一。但高温合金密度大,会给发动机带来结构超重、效率低下等问题。如何降低高温合金构件重量、提高发动机效率是新型轻量化耐高温结构材料的研究重点。SiC纤维增强高温合金复合材料在减重方面展现出了潜在优势,在航空航天领域具有广阔的发展前景。SiC纤维与高温合金的界面反应问题一直是复合材料研制过程中的关键难点。为了改善界面相容性,避免高温合金与纤维发生剧烈反应,最常采用的方法是在纤维与高温合金之间添加扩散阻挡层,但是涂层材料在成型过程中容易破裂,无法起到阻挡作用。多组元构筑是一种有效的妥协方法,能够降低界面数量,有效阻止纤维被侵蚀。本文立足于SiC纤维增强高温合金复合材料的研发进展,探讨了复合材料的界面问题,对界面改善方法进行了总结,并对复合材料的界面设计进行分析和阐述。

SiC/Ti基复合材料界面反应的热力学研究

通过建立热力学可能反应模型,分别计算了SCS-6SiC长纤维增强Ti3Al和TiAl金属间化合物基复合材料界面反应的Gibbs函数变值△rG,并用△rG判据推测了界面反应产物并与透射电镜实验结果进行了对比分析。研究表明,由于TiAl中原子结合力较强,因而SCS-6SiC/TiAl复合材料的界面反应较轻。所研究的2种复合材料界面反应的二元反应产物为TiC,Ti5Si3和Ti3Si,Ti-Si相图中的其它二元硅化物不可能形成。

SCS-6 SiC/Ti_2AlNb复合材料的界面反应及机理

运用量子化学计算理论,求出了有关化合物的热化学参数,并根据有关热力学模型,计算了金属间化合物Ti2AlNb中元素的活度,由此计算了SCS-6SiC长纤维增强Ti2AlNb金属间化合物复合材料界面反应的Gibbs函数变值ΔrG,用ΔrG判据推测了界面反应产物并与透射电镜实验结果进行了对比分析。研究表明,由于Ti2AlNb中原子结合力较Ti3Al强,因而SCS-6SiC/Ti2AlNb复合材料的界面反应较SCS-6SiC/Ti3Al轻。反应初期形成晶粒非常细小的TiC,Ti5Si3,晶粒较大的TiC和Ti3Si是由于元素扩散和反应所形成。在对复合材料的热暴露中,这些反应产物均进一步长大,并由于反应Ti3Al+C→Ti3AlC,在Ti2AlNb基体中形成一些三元反应产物Ti3AlC晶粒。

粉末布法制备SiC/Ti基复合材料

用粉末布法制备了低成本SiC/Ti基复合材料。结果表明,采用合适的轧制参数即可容易地获得厚度合适、均匀的粉末布;热失重分析和热解残余物分析指出用来制备粉末布的有机粘结剂的去除过程分成两个阶段,合理除气后,基本没有残余物。使用真空热压工艺制备的SiC/Ti基复合材料,纤维分布基本均匀,纤维与基体的界面结合良好。

SiC连续纤维增强Ti基复合材料界面反应扩散研究进展

介绍了目前研究Ti基复合材料界面反应扩散模型、界面反应的动力学和热力学、界面反应扩散控制机理,以及障碍涂层对界面反应扩散的影响。指出SiC纤维增强Ti基复合材料界面反应扩散的研究重点和发展方向。

连续碳化硅纤维增强钛基(SiC_f/Ti)复合材料的制备技术及界面特性研究综述

连续碳化硅纤维(SiCf)由于具有比强度、比模量高,耐磨性、热稳定性好等性能优点,常作为增强体制备SiC纤维增强钛基复合材料。与钛合金基体相比,其具有密度更低、强度更高、疲劳蠕变性能大幅提升等优点,但横向性能却明显下降。因此,该类材料常被设计制作成单向增强性部件,广泛应用在航空航天等领域,如发动机的传动轴、整体叶环、盘类及风扇叶片等多种复合材料的结构件。碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能主要由碳化硅纤维的性能、基体性能及纤维与基体之间的结合界面性能决定。目前批量生产的SiC纤维性能较差,界面结合状态与复合材料性能之间关系的研究开展较少,还不能为钛基复合材料构件设计提供足够的数据支持。因此,近年来研究者们主要从SiCf/Ti基复合材料力学行为的研究角度出发,探究不同基体及纤维类型、复合材料制备工艺方法、界面特性及产物对SiCf/Ti基复合材料界面结合力及破坏机制的影响,获得了大量有价值的数据,以期开发出成本低、产物稳定性好、可批量生产SiCf/Ti基复合材料的制造工艺方法。目前较为成熟的碳化硅纤维有英国DERA-Sigma公司提供的Sigma系列SiCf及美国Textron公司提供的SCS系列SiCf,后者强度最高达到6 200 MPa。SiCf/Ti基复合材料的制备工艺包括金属箔-纤维-金属箔工艺(FFF)、单层带工艺(MT)、基体-涂层纤维工艺(MCT)等,制备复合材料的工艺根据零部件的用途来定,FFF适用于制备板材等大尺寸构件,MCT适用于制备叶环、轴、管、叶片等复杂结构件。界面是增强体与基体之间的纽带和桥梁,界面结构设计、界面反应控制及反应产物均影响着界面的力学特性。在SiCf/Ti基复合材料的纤维和基体之间添加过渡层能够减缓它们之间的相互扩散及化学反应,过渡层选用反应层和惰性涂层组成的双层涂层较好。界面反应产物受涂层成分、基体组织、复合和热处理工艺、环境因素等的影响,增强纤维及基体性能、优选制备工艺、控制界面反应及产物有利于提高复合材料的力学性能。本文总结了连续SiC纤维(SiCf)增强钛基复合材料的应用研究现状,详述了SiCf/Ti基复合材料的钛合金基体材料、SiCf的种类及性能,SiCf与SiCf/Ti基复合材料的制备方法,分析了SiCf/Ti基复合材料界面结构设计及反应产物,阐明了界面力学特性与复合材料性能的关系,指出国内SiCf/Ti基复合材料发展的重点应放在高性能SiC纤维的研究与开发、界面层设计及界面与性能的关系以及复合材料分析检测手段三个方面,为SiCf/Ti基复合材料的制备及其今后的实际应用提供了参考。

Cu/Ti_3SiC_2复合材料的制备及其磨损性能研究

以Cu粉、Ti3SiC2粉末为原料,采用热压烧结技术,制备了不同体积分数的Cu/Ti3SiC2复合材料。用光学显微镜分析了该复合材料的微观组织,利用环块式摩擦磨损试验机测试了其磨损性能,采用SEM、EDS和XRD观察分析发该复合材料的磨损表面形貌及其组成。结果表明:Ti3SiC2在基体组织中分布均匀,随着其含量的增加,其在基体组织中的分布有聚集的趋势,材料的致密度逐渐下降;磨损质量损失在Ti3SiC2含量达到20vol%时最小;该复合材料的磨损机理以粘着磨损、磨粒磨损为主,同时伴随有一定量的氧化磨损,氧化产物为Cu2O。

SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料的界面研究(英文)

采用扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪研究了用中国制备SiC纤维增强的Ti-6Al-4V复合材料的界面反应,发现在SiC纤维的C涂层和Ti-6Al-4V基体之间形成的界面反应产物为细晶粒和粗晶粒的TiC,而无C涂层的SiCf/Ti-6Al-4V的界面反应产物,从SiC纤维到Ti-6Al-4V基体,依次为细晶粒的TiC+Ti5Si3、粗晶粒的TiC和Ti3SiC2。还测量了界面反应区厚度并讨论了界面反应机理。

C_f/SiC复合材料与Ti合金的AgCuTi-W复合钎焊

本文利用AgCuTi-W复合钎料作中间层,在适当的工艺参数下真空钎焊Cf/SiC复合材料与Ti合金,利用SEM,EDS,XRD分析接头微观组织结构,利用剪切试验检测接头力学性能。研究结果表明:钎焊时,复合钎料中的Ti借助Cu-Ti液相与Cf/SiC复合材料反应,在Cf/SiC复合材料与连接层界面形成Ti3SiC2,Ti3Si和少量TiC化合物的混合反应层。复合钎料中的Cu与Ti合金中的Ti发生互扩散,在连接层与Ti合金界面形成不同成分的Cu-Ti化合物过渡层。钎焊后,形成W颗粒强化的致密复合连接层,W颗粒主要分布在Cu-Ti相中。W的加入缓解了接头的残余热应力,C/SiC/AgCuTi-W/TC4接头剪切强度明显高于C/SiC/AgCuTi/TC4接头。

C_f/SiC复合材料与Ti合金的Ag-Cu-Ti-TiC复合钎焊

以Ag-Cu-Ti-TiC复合钎料为中间层,在适当的工艺参数下真空钎焊Cf/SiC复合材料与Ti合金。利用SEM、EDS和XRD分析接头的微观组织结构,利用剪切实验检测接头的力学性能。结果表明:钎焊时,借助液态钎料,复合钎料中的Ti与Cf/SiC复合材料反应,在Cf/SiC复合材料与连接层界面形成Ti-Si-C、Ti-Si和少量TiC化合物的混合反应层;复合钎料中的Cu与Ti合金中的Ti发生互扩散,在连接层与Ti合金界面形成不同成分的Cu-Ti化合物过渡层;钎焊后,形成TiC颗粒强化的致密复合连接层,TiC的加入降低了接头的残余热应力,Cf/SiC/Ag-Cu-Ti-TiC/TC4接头的剪切强度明显高于Cf/SiC/Ag-Cu-Ti/TC4接头的。

SiC_f/Ti复合材料的研制

概述了国外碳化硅连续纤维增强钛基复合材料的研制、性能及应用情况 ,并对箔压法制备 Si Cf/Ti复合材料的工艺及材料性能进行了研究。结果表明 ,本研究采用 FFF法制作的 Si Cf/Ti复合板材性能达到国外同类材料水平。此外 ,本研究还对 Si Cf/Ti复合材料各主要制作工艺进行了分析比较 ,认为真空等离子喷涂工艺是较有前途的。

SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料高温环境损伤原位监测研究进展

连续SiC纤维增强SiC(SiC_(f)/SiC)复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐照等优点,在先进航空发动机热端部件和核反应堆包壳等领域具有广阔的应用前景。SiC_(f)/SiC复合材料具有纤维、界面、基体等复杂的多尺度结构,其服役环境苛刻、损伤失效过程复杂,深刻理解与准确分析其在近服役环境下损伤失效模式对于材料和构件的可靠服役具有重要意义。传统的“事后分析”方法无法获取材料在复杂服役环境下的损伤失效过程数据,因此迫切需要发展面向高温服役环境的复合材料原位表征测试技术。本文介绍了基于扫描电子显微镜、数字图像相关、显微计算机断层扫描、声发射、电阻等原位监测方法的基本原理、优势与局限性,重点讨论了以上各种原位监测方法及多种原位监测方法联用在SiC_(f)/SiC复合材料高温环境力学表征中的最新研究进展。最后,总结了SiC_(f)/SiC复合材料高温环境原位监测技术存在的挑战,并对多种原位技术联用、太赫兹辐射等新型检测技术、复杂构件的损伤原位监测方法等未来发展方向进行了初步展望。

SiC含量对Ti_3SiC_2/SiC复合材料性能的影响

采用反应热压烧结法制备了Ti3SiC2/SiC复合材料,针对SiC含量对该复合材料致密化程度、力学性能以及应力-应变行为的影响进行了研究。结果表明:(1)随着SiC含量的增加,试样难于致密,试样需要在更高的温度才能达到较高的致密度;(2)随SiC含量的增加,Ti3SiC2/SiC复合材料弯曲强度和断裂韧性提高,但SiC含量达到50%时,由于复合材料含有较多的孔洞,使强度和断裂韧性降低;(3)Ti3SiC2/SiC复合材料在常温下表现为非脆性断裂。

Ti_3SiC_2/SiC复合材料的抗高温氧化性研究

采用反应热压烧结法制备Ti3SiC2/SiC复合材料,针对不同SiC含量的Ti3SiC2/SiC复合材料在1100～1500℃下恒温氧化20 h的氧化行为进行了研究。结果表明:(1)适量SiC的引入能有效的提高Ti3SiC2/SiC复合材料的抗高温氧化性能;(2)复合材料的氧化膜分内外两层,外层成分为TiO2,逐渐向内层过渡为TiO2和SiO2的混合物。

SiC/Ti6Al4V复合材料界面反应扩散系数和微观扩散机理(英文)

采用三元体系半无限扩散偶的高斯方法,求解了SiC/Ti6Al4V复合材料界面反应层中相关元素的扩散系数,计算的浓度分布和实测值一致。碳原子通过反应层的扩散服从间隙扩散机制,硅原子的扩散为空位扩散机制。由于碳扩散的振动能最低并且跃迁距离最短,而供硅扩散的空位不足,碳和硅在反应产物TiCx中具有最小的内禀扩散系数,分别为8.9403×10-16和4.7747×10-16m2·s-1。研究表明,在SiC/Ti6Al4V复合材料界面反应的过程中,反应元素通过反应层TiCx的扩散是一个主要的控制步骤。

SiC纤维预制体结构对SiC_(f)/BN/SiC复合材料致密化和力学性能的影响

为了研究碳化硅(SiC)纤维预制体的结构对SiC基体的化学气相渗透(CVI)工艺致密化过程的影响,利用模拟计算方法分析了2D叠层、2.5D和3D正交三种编织结构SiC预制体在SiC致密化过程中的孔隙结构演变规律,并采用三氯化硼-氨气-氢气-氮气(BCl_(3)-NH_(3)-H_(2)-N_(2))混合气体和三氯甲基硅烷-氢气-氮气(MTS-H_(2)-N_(2))混合气体作为前驱体,利用CVI致密化工艺制备出三种预制体结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料。结果表明,SiC纤维预制体结构不同,SiC_(f)/BN/SiC复合材料的致密化效率不同,其中2.5D纤维预制体的致密化速率最快,3D正交预制体的致密化速率最慢。致密化120 h后,三种预制体结构的复合材料密度均达到2.3 g/cm~3以上,开孔率为10%左右。三种结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料拉伸强度为130~170 MPa。在层间剪切过程中,2D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料与2.5D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品都出现了XY面的纤维剥离现象,而3D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品发生了正交Z向纤维的断裂。由此可知,SiC纤维预制体结构影响了所形成复合材料的致密化过程和力学性能。