2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_(f)/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_(f)/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_(f)/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_(f)/SiC层间约束关系的复杂性;层间断面为结构性非完全损伤,发生了局部纤维桥连现象。

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。

管状C/SiC复合材料高温空气氧化行为与宏细观建模研究

氧化损伤是影响火箭发动机用C/SiC复合材料喷管寿命的主要因素之一。为准确评估C/SiC复合材料喷管的氧化损伤,本研究以近似喷管结构的管状C/SiC复合材料为实验对象,研究了管状C/SiC复合材料在高温(900~1300℃)空气环境下的氧化行为,包括其组成、结构及力学性能的演变规律,发现管状C/SiC复合材料在该高温空气环境下表现出受扩散控制的氧化特征,质量与剩余强度随时间呈幂函数下降趋势,下降速率与温度正相关。在此基础上,从氧化动力学与传质学理论角度出发,建立了管状C/SiC复合材料细观/宏观尺度氧化模型,模拟了管状C/SiC复合材料高温空气氧化过程,并预测了材料的质量与剩余强度。模型预测结果与实验数据拟合程度较高,可为C/SiC复合材料喷管的寿命评估提供参考。

环境温度对二维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响研究

为了研究环境温度对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响,在室温和800℃,1000℃,1200℃惰性气体保护环境下开展了二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸试验。采用数字图像相关技术采集了高温环境下试件的变形数据。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄了试件的断口形貌。结果表明:800~1200℃内,二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸应力-应变响应同样具有明显的双线性特征,初始线性段的弹性模量与室温测试结果相近,高温环境下第二线性段弹性模量低于室温环境;800~1200℃惰性气体环境下材料拉伸强度较室温环境低20%左右;温度主要影响材料中纤维与基体的结合状态和SiC纤维的强度。一方面,温度越高断口纤维拔出情况越严重;另一方面,温度越高SiC纤维强度越低,二维编织SiC/SiC复合材料强度也有所下降。

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。

聚晶金刚石刀具低温冷却铣削SiC/SiC复合材料磨损试验研究

采用超硬聚晶金刚石(PCD)刀具对SiC/SiC陶瓷基复合材料进行干式和低温液氮冷却铣削试验研究,获得PCD刀具在干式和低温液氮冷却铣削条件下的前刀面和后刀面磨损形貌;分析PCD刀具在干式和低温液氮冷却铣削条件下的主要磨损形式,测得PCD刀具在干式和低温液氮冷却铣削条件下的刀具使用寿命。研究表明:在干式铣削条件下,PCD刀具前刀面的主要磨损形式为刀尖磨钝和崩刃;而在低温液氮冷却铣削条件下,PCD刀具前刀面的主要磨损形式为刀尖磨钝和微剥落;与干式铣削条件相比,PCD刀具在低温液氮冷却铣削条件下寿命提高约71.4%。

热解温度对直写3D打印石墨烯/SiC_(p)/SiC复合材料性能的影响

通过在碳化硅前驱体聚碳硅烷(PCS)溶液中加入石墨烯/SiC_(p)复合粉末,获得石墨烯/SiC_(p)/PCS浆料,采用直写3D打印(DIW)和高温烧结相结合制备了石墨烯/SiC_(p)/SiC复合材料。PCS在不同热解温度下具有不同的产物与性能,本文研究了热解温度对石墨烯/SiC_(p)/SiC复合材料性能的影响。800℃时PCS转化为非晶SiCxOy,随着温度升高至1500℃,非晶SiCxOy逐渐生成导电性更好的β-SiC与游离碳,石墨烯/SiC_(p)/SiC复合材料的电导率从0.93 S·m^(-1)升高至670 S·m^(-1)。1200℃时,复合材料抗压强度和容积密度分别达到最大的12.3 MPa和1.49 g·cm^(-3)。该研究提供了一种基于PCS浆料的直写3D打印工艺制备高导电轻质多孔石墨烯/SiC_(p)/SiC复合陶瓷的方法。

C/SiC复合材料的人工孔发汗冷却性能分析及优化研究

C/SiC复合材料在热防护领域中应用广泛,但受制备工艺、成本等方面的限制,具有低孔隙率、小孔径的特征,在发汗冷却过程中这些微小孔隙难以支撑足够的冷却剂供应量且易发生堵塞,限制了冷却的进行。针对此问题,本文研究通过增加人工孔来改善C/SiC复合材料发汗冷却性能的可行性。建立了人工孔表征单元结构及等效模型,获得了打孔后复合材料内冷却工质的流量比及等效渗透率的变化情况,探究了打孔方式与工质流量对复合材料等效体换热系数的影响规律,并拟合了打孔后复合材料等效体换热系数经验公式。结果表明:渗透特性方面,冷却工质的主要流量分布于人工孔中;对于渗透率为1×10^(-16) m^(2)的低渗透率材料,打孔后复合材料自身工艺孔中的流量占比小于0.1%,其中的工质流动可忽略;在换热特性方面,可通过调节打孔方式改善复合材料的换热性能,相同渗透率下调节打孔方式可使体换热系数提升154%。

2D-C/SiC复合材料的面内剪切本构模型

为了表征2D-C/SiC复合材料的面内剪切行为,考虑基体开裂、界面脱粘、纤维桥连弯曲等损伤机制,提出宏细观两尺度下的含损伤体元模型;引入热失配应力的影响,在分别表征卸载弹性应变和残余应变的基础上,建立材料的温度相关面内剪切本构模型。开展室温单调加载和加卸载面内剪切实验,发现残余应变和弹性应变均随剪应力的增大逐渐增大,而卸载模量随剪应力的增大持续减小。将模型用于2D-C/SiC复合材料剪切行为的模拟,结果表明:模型对于弹性应变、残余应变、卸载模量和整体应力-应变曲线的预测值均与实验数据吻合,验证了分析模型的合理性与准确性;在此基础上,给出2D-C/SiC复合材料在不同温度下的面内剪切应力-应变关系曲线,为热结构设计提供参考。

C/SiC复合材料的烧蚀机理试验研究

C/SiC复合材料具有优异的热力学性能,在临近空间领域具有较好的应用前景。针对C/SiC复合材料的烧蚀机理理论方法开展研究,建立了C/SiC复合材料主/被动氧化烧蚀分析方法,并在传统主动和被动氧化烧蚀的基础上,对于更高温度条件则采用一种升华分解烧蚀模型。通过设计典型状态电弧风洞试验,验证了主/被动氧化模型烧蚀、升华分解烧蚀模型的准确性,试验结果表明典型状态下C/SiC复合材料无因次质量烧蚀率与理论值吻合,有关研究及结果可以为C/SiC复合材料防热设计分析提供参考。

基于空气环境下静态氧化试验的C/SiC复合材料氧化行为与机理研究

连续碳纤维增强碳化硅复合材料(C/SiC)具有优异的高温力学性能,在航空航天热防护领域具有广泛的应用前景。摸清C/SiC复合材料在不同温度,不同氧化时间下的氧化行为与机理是开展C/SiC复合材料热结构设计的前提。本文针对C/SiC复合材料开展静态氧化试验,系统研究了在400℃~1200℃范围内的静态氧化行为,获取了材料的氧化动力学参数。采用高温热重分析仪(TGA),获取C/SiC试样在不同温度下的连续失重曲线;基于氧化热重测试数据,给出了描述单位面积材料氧化速率的氧化动力学参量。通过显微观测、扫描电镜(SEM)测试、能量分散光谱(EDS)以及X射线衍射(XRD)测试等试验表征,研究了不同温度下材料的表面氧化形貌、氧化生成物;采用计算机断层扫描(CT)技术,研究了材料内部的氧化扩散模式,重构了试样内部的氧化形貌,揭示了材料的氧化机制,并对氧化后的试样进行剩余强度测试。

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。

SiC复合包壳在辐照后LOCA工况下的热力耦合行为及其影响机制研究

碳化硅(SiC)复合包壳的热-力学性能和抗辐照性能较强,是一种优异的轻水堆事故容错燃料包壳,其结构完整性对反应堆安全运行至关重要.本文综合考虑各层材料的辐照效应,开展了SiC复合包壳在轻水反应堆稳态运行1146天后发生失水事故(Loss of Coolant Accident,LOCA)期间的热-力耦合行为数值模拟,获得了CVD-SiC单质层的第一主应力分布和演化规律,并对应力演化的影响机制开展了分析.结果表明:LOCA期间内部CVD-SiC单质层的最大拉应力先迅速增加,后缓慢增加,存在开裂的风险;包壳外压降低是内部CVD-SiC单质层最大拉应力及复合材料层损伤因子快速增加的重要原因;内压随着温度的升高而增大,是内部CVD-SiC单质层最大拉应力及复合材料层损伤因子继续增加到峰值的原因;复合包壳管在稳态运行阶段存在较大的径向温差,由于LOCA初期温差的降低引起的热应力对内部CVD-SiC单质层的最大拉应力也产生了显著的影响,有望通过提高碳化硅纤维增强复合材料的热导率来降低复合包壳管的失效风险.

SiC/SiC复合编织管的抗热冲击性能与失效机理研究

以二维二轴编织的SiC/SiC复合编织管为研究对象,研究其抗热冲击性能及失效机理。自主搭建了基于石英灯辐照加热的循环热冲击试验平台,基于该平台开展了SiC/SiC复合编织管的循环热冲击试验考核,并对循环热冲击后的复合编织管进行了径向压缩测试,探究了复合编织管力学性能与破坏机理,拟合得到了热冲击强度退化经验公式。研究结果表明,搭建的循环热冲击试验平台能够模拟快速升降温的实际服役环境,最高升温、降温速率在试验过程中分别可达约40、60℃/s。随着热冲击循环次数的增加,SiC/SiC复合编织管环向拉伸强度下降,且降幅随之增大。热冲击产生的热应力导致纤维周围的基体产生微裂纹,弱化了纤维束与基体之间的连接,这是复合编织管强度降低的原因之一。拟合的强度退化经验公式能够准确描述强度退化规律,可以满足工程应用需求。

C/SiC复合材料单颗磨粒切削有限元仿真及磨削实验分析

为了探究C/SiC复合材料的去除机制,建立了三维C/SiC复合材料单颗磨粒微观切削有限元模型。借助Abaqus有限元分析软件,使用BrittlecCracking模型、Johnson-Holmquist 2模型和内聚力模型分别被用来模拟碳纤维,SiC陶瓷及界面层的材料属性,并以此建立三相微观切削模型来分析不同切削速度和切削深度下的材料加工变形规律和切削力变化趋势。同时参考C/SiC复合材料锥形电镀金刚石工具加工表面形貌实验进行辅助分析。结果表明:C/SiC复合材料的切削过程主要表现为碳纤维的脆性去除;随着切削速度的增加,界面层的破坏程度减少且切削力降低;随着切削深度增加,切削力增加且界面层损伤程度增大。这些结果为进一步了解碳纤维复合材料切削时的材料去除机理提供了一定的借鉴意义。

预制体结构对SiC_(f)/SiC复合材料力学和热性能的影响

本文采用化学气相渗透法制备了具有二维多层、三维角联锁机织和多轴三维编织三种预制体结构的SiC_(f)/SiC复合材料。在综合分析纤维排列、SiC基体和孔隙分布的基础上,详细讨论了预制体结构对SiC_(f)/SiC复合材料力学性能和热性能的影响。结果表明,复合材料的力学性能和热导率受纤维排列方式和复合材料密度的综合影响,而热膨胀系数主要受纤维排列方式的影响。此外,二维多层复合材料、三维角联锁机织复合材料和多轴三维编织复合材料的热导率可以分别用串联模型和平行模型来解释。多轴三维编织复合材料由于内部具有连续的可以作为热流快速通道的三维网状SiC基体层,因此具有较高的室温热导率。而随着温度的升高,SiC声子间的散射逐渐增强,SiC基体层在多轴三维编织复合材料中作为声子传播快速通道的作用逐渐减弱,热导率随温度降低的趋势更明显。

2.5D C/SiC复合材料铣削材料去除的实验研究

为了探究2.5D C/SiC复合材料铣削加工的材料去除特性,分别选用端铣刀和鱼鳞铣刀对2.5D C/SiC复合材料开展普通铣削和超声振动辅助铣削实验。分析了四种铣削工况下切削力、切削温度的变化规律,研究了0°、90°和z向针刺纤维的去除特性。结果表明,相比于传统端铣刀和普通铣削,鱼鳞铣刀和超声振动辅助铣削分别可以显著地降低切削力和切削温度。超声振动辅助铣削可以使纤维的整体去除变为破碎去除,减小表面缺陷。鱼鳞铣刀和超声振动辅助铣削的组合工艺方式可以较大程度地降低表面缺陷、切削力和切削温度,提高工件表面质量,为2.5D C/SiC复合材料低损伤铣削提供了可行性。

2.5D-C/SiC复合材料超声振动辅助磨削力研究

为探究2.5D-C/SiC复合材料超声振动辅助磨削去除机理和磨削力影响规律,首先通过试验分析了2.5D-C/SiC复合材料基体、纬向纤维、经向纤维和钉扎部分的去除机理;然后通过正交试验分析了磨削工艺参数(主轴转速n s、进给速度v_(w)、磨削深度a_(p)和超声振幅A)对法向和切向磨削力的影响主次;最后通过单因素试验分析了磨削工艺参数对法向和切向磨削力的影响规律。试验结果表明,材料的去除是基体碎裂、纤维断裂、纤维拨出、界面脱粘等因素的综合作用;法向磨削力的影响主次为:a_(p)>v_(w)>n_(s)>A;切向磨削力的影响主次为:v_(w)>a_(p)>n_(s)>A;磨削力与n_(s)和A成反比,与a_(p)和v_(w)成正比。

单颗金刚石磨粒划擦2D SiC_(f)/SiC复合材料实验

为了揭示2D SiC_(f)/SiC复合材料的磨削去除机理,根据2D SiC_(f)/SiC复合材料的编织结构特点,分别在2D SiC_(f)/SiC纤维的编织表面(woven surface,WS)和叠加表面(stacking surface,SS)沿0°、45°和90°方向开展单颗金刚石磨粒划擦实验,测量其划擦力和划痕深度,并观察划痕表面形貌。结果表明:在WS0(纤维编织表面的0°方向)上SiC_(f)/SiC材料的去除方式主要为纵向纤维(纤维轴向与进给速度方向一致)的剪切、拉伸、弯曲断裂和横向纤维(纤维轴向与进给速度方向垂直)的剪切、弯曲断裂;在WS45(纤维编织表面的45°方向)上主要为纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂;在SS0(纤维叠加表面的0°方向)上主要为法向纤维(纤维轴向垂直于划擦表面)的延性去除、剪切、弯曲断裂,纵向纤维的剪切、拉伸、弯曲断裂;在SS90(纤维叠加表面的90°方向)上主要为法向纤维的延性去除、剪切、弯曲断裂和横向纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂。由于SiC纤维的各向异性,不同方向、不同断裂形式有不同的力学性能,剪切断裂所需要的力最小,拉伸断裂所需要的力最大。在相同划擦深度下,因WS0、WS45、SS0、SS90方向上断裂形式的不同和剪切、弯曲、拉伸断裂所占的比例不同,其划擦力大小依次为FSS0>FWS45>FSS90>FWS0。且磨粒切入复合材料后随着裂纹的扩展和相互贯通,SiC基体会一起被剥离去除,部分基体受到挤压去除后再次被磨粒划擦去除形成延性划痕。2D SiC_(f)/SiC复合材料切削时宜选择WS0方向,而尽量避开SS0方向。