制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料

采用无压浸渗复合新方法和自行研制的专用工艺设备，低成本地制备了用作空间光机结构件的高体份（55％～57％）SiC／Al复合材料大尺寸坯锭，并对其微观结构特征、基本的力学及热物理性能和断裂机制予以表征。此外，还通过线切割、电火花成型等特种加工手段将该种复合材料制造成反射镜背板、焦面板等一系列空间光机结构用典型样件。研究结果表明，该材料既有优异的结构承载功能（弹性模量213GPa，而比模量则比铝合金、钛合金及钢高出近两倍），又有卓越的热控功能（其热膨胀系数比钛合金还要低，热导率接近纯铝，达到235W／m·K），若以其替代钛合金用于空间光机结构可望获得显著的轻量化效果并降低热控负荷、改善热控效果。

高体份SiC/Al反射镜在空间光学应用可行性的分析

简述了空间遥感器设计中反射镜材料选择的重要性及影响。对SiC和SiC/Al复合材料与常用光学材料的空间应用综合品质因子进行了比较,SiC材料的综合品质因子为8072.92,高体分SiC/Al复合材料的综合品质因子为1 687.50。并对高体分SiC/Al复合材料应用在反射镜上的光学性能进行了检测。检测结果得出材料的表面粗糙度能够达到1.49 nm,小于5 nm;反射率达到95%以上,能够满足反射镜的性能要求。对采用高体分SiC/Al复合材料作为反射镜和背板材料的相机结构进行分析。分析结果得出整体结构前三阶模态为115 Hz,120 Hz,203 Hz,满足空间遥感器大于100 Hz的技术要求,各反射镜的面形精度满足RMS≤1/50λ(λ=632.8 nm)的技术要求。各项测试数据和有限元分析结果表明,高体份SiC/Al复合材料作为反射镜在空间光学中应用是可行的。

空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计

为消除反射镜与支撑结构材料线胀系数差异产生的热变形对反射镜面形精度、系统成像质量的影响,采用高体份Si C/Al复合材料作为新型反射镜组件的材料。首先,通过合理的结构设计及有限元分析比较,确定了Ф600 mm口径反射镜结构参数,然后,对反射镜组件进行了静力学和动力学分析,在1 g重力载荷作用下,反射镜X、Y、Z方向去除刚体位移后的镜面变形RMS值分别为12.6,12.7,12.6 nm,达到了λ/50(λ=632.8 nm)。最后,为了验证高体份SiC/Al复合材料反射镜组件的结构性能及检验结构在振动条件下的抗干扰能力,对反射镜组件进行了力学试验,反射镜组件的一阶谐振频率为556.6 Hz。力学试验前后,反射镜镜面面形误差RMS分别为0.021λ、0.025λ,没有明显变化。实验结果表明:高体份SiC/Al复合材料反射镜达到了与SiC材料反射镜相同的设计指标要求,能够满足空间应用。

高压下SiC增强Al基纳米复合材料

采用高压技术合成了纳米尺寸ＳｉＣ颗粒增强Ａｌ基复合材料，针对合成中增强相与基体的化学反应行为、增强相与基体界面结合等问题进行了研究。Ｘ射线衍射、高分辨率、正电子湮没以及显微硬度结果表明：高压技术在合成ＳｉＣｐ／Ａｌ纳米复合材料中，具有抑制界面反应、提高致密度、改善界面结合等优点。

碳化硅体积分数对SiCp/Al-30Si复合材料组织与性能的影响

采用真空热压烧结法制备SiC颗粒体积分数分别为20%、25%和30%的SiCp/Al-30Si复合材料。利用扫描电镜对复合材料的微观组织进行表征,并检测其力学性能及物理性能,运用Turner、Kerner理论模型对材料的热膨胀系数进行计算,分析碳化硅体积分数对SiCp/Al-30Si复合材料组织及性能的影响。研究结果表明:随SiC含量的增加,复合材料的组织中会出现SiC颗粒的团聚,使材料的致密度及抗拉强度下降,在50～100℃之间的热膨胀系数降低,其平均值与Kerner模型计算值很接近。

高体份SiC/Al复合材料在星载遥感器中应用

高体份SiC/Al复合材料因其性能优良而成为新一代星载遥感器的理想结构材料。因星载遥感器设计中材料选择的重要性,对高体份SiC/Al复合材料与常用遥感器结构材料的空间应用综合品质因子进行了比较,高体份SiC/Al复合材料的综合品质因子为1 687.8,为传统遥感器结构材料的5~80倍。对遥感器的调焦机构支架进行力学分析和测试以及热分析,结果表明,高体份SiC/Al复合材料是星载遥感器理想的结构材料,为星载遥感器的设计提供了坚实的保障。

真空变压力浸渗法制备高体积分数SiC_p/Al复合材料

采用真空变压力浸渗法制备高体积分数SiCp／Al复合材料。结果表明，真空变压力浸渗法具有良好的渗流和凝固条件，避免了气体和夹杂物的裹入等问题；在压力为0．6MPa、保压时间为15min和温度为1073K的条件下，成功渗透了振实堆积的单一尺寸SiCp多孔体的最小粒径为17μm；而32μm的SiCp多孔体浸渗后的复合材料中SiCp体积分数达到了60％。在0．4～0．6MPa和1073K的条件下浸渗15min，可渗透的最小SiCp粒径达到了10μm，其体积分数为56％。经OM、SEM、XRD分析表明，铝液渗透均匀，内部组织致密，无明显的孔洞及夹杂等铸造缺陷，界面无脆性Al4C3相生成。

混料工艺对SiC_p/Al复合材料SiC颗粒分布均匀性的影响

采用元素粉末法制备体积分数为12%的SiCp/2024Al复合材料,利用三维高效混料机混料,研究了混料工艺对SiC颗粒在基体中分布均匀性的影响.实验结果表明:球料比、混料时间和颗粒尺寸对SiC颗粒在基体中的分布均匀性有重要影响;球料比1∶2时,由于输入的能量较低,难于实现SiC颗粒在基体中的均匀分布;球料比5∶1时,随着混料时间的延长,SiC颗粒分布均匀性逐渐提高,达到一定时间后不再提高;当球料比5∶1,混料时间20h时,尺寸为3.5μmSiC颗粒在基体中分布均匀性最好,0.8μmSiC颗粒在基体中的分布则存在团聚现象.

高速铣削高体积分数SiCp/Al复合材料表面形貌及切屑机制的研究

为了研究高体积分数SiCp/Al复合材料的切削机理及工件表面形貌,采用PCD刀具对干式切削和水溶性冷却液浇注冷却的湿式切削两种切削条件下的高速铣削进行了研究。结果表明,在对颗粒尺寸大、体积分数高的SiCp/Al复合材料进行高速铣削时,干式切削无论是在工件已加工表面形貌和微观结构,还是在切屑形成及形貌上,都好于湿式切削。两种切削条件下均可获得较理想的表面粗糙度。

高能球磨粉末冶金SiC_p/Al复合材料的界面结构

采用高能球磨粉末冶金技术制备了SiCp/Al复合材料 ,研究分析了该材料界面结构特点。结果表明 ,该材料的界面包括轻微反应型和干净界面两种 ,轻微反应型界面由SiC颗粒表面及其附近基体中的MgAl2 O4 组成 ,干净界面上无反应物。

高体份SiC/Al复合材料空间相机框架的拓扑优化设计

为了提高空间相机在力/热双重环境条件下的系统稳定性,同时能够实现系统的轻量化目标,在某型空间相机的研制过程中选用了具有高比刚度和热稳定性的高体份SiC/Al复合材料。采用整体式框架结构,将基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法应用到相机框架结构的初始设计中,通过设定相应的约束条件和目标函数,进行迭代求解,得到了相机框架分别在X、Y、Z三个方向重力作用下的结构拓扑优化结果,结合工艺要求,最终确定了空间相机框架的设计方案。通过与对比方案比较发现,经过拓扑优化所得到的框架结构在结构刚度及轻量化率上都有明显提高,实现了空间相机框架高刚度、轻量化的设计目标。

耐高温的SiC(Al)纤维

聚硅碳硅烷 (PSCS)与乙酰丙酮铝 (Al(AcAc) 3 )在一定条件反应制备了耐高温SiC(Al)纤维先驱体聚铝碳硅烷 (PACS)。PACS通过熔融纺丝、预氧化处理、低温烧成、高温烧结等一系列工艺过程制备了耐高温SiC (Al)纤维。SiC (Al)纤维的化学组成为Si1C1 15O0 0 2 6Al0 0 13 ,主要结构是平均晶粒为 95nm的 β SiC ,O和游离C含量均大大低于Nicalon纤维 (O >10wt% ,游离C >10wt% ) ,同时含有微量的Al和少量的 α SiC。纤维表层O含量和Si含量略高于纤维内部 ,表面光滑平坦 ,没有明显表面缺陷。SiC (Al)纤维的平均直径为 13μm ,平均强度为 2 3GPa ,14 0 0℃氩气中处理 1h ,强度保留率 95 %以上 ;180 0℃氩气中处理 1h ,强度保留率为 71%。纤维的高温稳定性高于Nicalon纤维 。

高体积比SiC_p/6013Al复合材料反应熔渗制备与热学性能

采用反应熔渗法在低压力下制备高体积比SiCp/Al复合材料 ,并研究其热学性能。临界熔渗压力与SiC颗粒尺寸及反应程度有关。Al熔体在无压或低压力下能渗入SiC预成形坯 ,制备出组织均匀的高体积比SiCp/Al复合材料 ,SiC颗粒体积分数约 5 0 %。界面反应对SiCp/Al复合材料的CTE的影响很小 ,但会降低SiC/Al的界面传热系数 ,影响材料的导热性能。降低熔渗温度和缩短保温时间可缓减界面反应程度 ,提高复合材料的热学性能 ,CTE在 10× 10 - 6 /K以下 ,复合材料的导热系数达到 164(W·m- 1 ·K- 1 )。

磨削高体积分数SiCp/Al复合材料表面形成机制

针对高体积分数SiCp/Al复合材料精密加工问题,研究了磨削加工高体积分数SiCp/Al复合材料表面形貌的形成机制.使用金刚石砂轮在干式和湿式两种磨削条件下对高体积分数SiCp/Al复合材料进行磨削实验研究,通过表面粗糙度仪对表面粗糙度进行测量,运用扫描电镜对磨削加工的表面形貌进行观测研究.结果表明:该材料磨削表面的主要缺陷为SiC颗粒拔出、破碎、压入和Al基体的涂敷等,SiC颗粒的破碎和脱落是磨削加工该材料表面形成的主要机制.两种磨削条件下工件进给速度对表面粗糙度的影响比磨削深度更显著,湿式磨削无论是在工件已加工表面形貌和微观结构还是表面粗糙度上都好于干式磨削.

星载激光通信载荷高体分SiC/Al主镜及支撑结构设计

为了降低激光通信载荷在轨工作中空间环境对于光学系统的影响,提高通信质量以及跟踪精度,使用综合性能较好的高体分Si C/Al作为主镜材料,并通过有限元分析确定了主镜结构的几个重要优化参数。提出了一种一体式主镜柔性支撑,该结构避免了使用不同材料支撑组件线膨胀系数不匹配而产生的应力集中,提高了主镜面形的温度稳定性,并在此基础上降低了主镜及其支撑的总体质量,实现了光学系统的轻量化。仿真分析表明,该结构在重力释放条件下,主镜面形误差PV值为λ/52,RMS值为λ/275。工作环境发生±4℃温度变化的情况下,主镜面形误差PV值为λ/11,RMS值为λ/71。主镜及其一体化支撑基频为208 Hz,主镜单独轻量化率为55.3%,进行一体化设计后主镜及支撑相比传统设计轻量化率为19.87%,能够满足总体指标要求。

SiC颗粒粒径对高压扭转SiC_P/Al复合材料致密度和拉伸性能的影响

采用高压扭转法(HPT)将不同尺寸的SiC颗粒和工业纯Al混合粉末直接固结成形制备SiC_P/Al复合材料。利用排水法测量复合材料的体积并计算致密度,再通过拉伸试验及拉伸断口扫描电镜观察,研究SiC颗粒粒径对复合材料致密度和拉伸性能的影响。结果表明,在200℃下,由于SiC颗粒含量一定,随着颗粒尺寸的增大,颗粒数量减少,比表面积逐渐减小,大颗粒受剪切作用而发生破碎的趋势加剧,结合不牢固的新生界面增加,导致复合材料致密度和抗拉强度呈先升高后降低的趋势;同时拉伸断口处韧窝尺寸逐渐增大,分布均匀性降低,韧窝处残留颗粒增加,复合材料韧性断裂特征减弱,脆性断裂特征增强。

不同体积分数SiC_p/Al复合材料精密磨削试验研究

对体积分数为40%和60%的SiCp/Al复合材料进行ELID精密磨削试验。分析了体积分数对加工材料物理化学性能的影响;运用正交试验和极差分析方法探究了磨削深度、砂轮线速度、电解电流及占空比对磨削加工表面质量和精度的影响规律,并得到优化工艺参数。采用相同优化工艺参数,对不同体积分数SiCp/Al复合材料进行ELID精密平面磨削试验,对所得到的加工样件表面质量、形貌和机械加工性能进行分析研究。试验结果表明:SiCp/Al复合材料ELID精密磨削加工表面质量和机械加工性能随着体积分数的增加而降低。采用ELID磨削技术可以实现对SiCp/Al复合材料的精密加工,加工样件的表面粗糙度为95nm和106nm。

高速火焰喷涂Fe-Al/SiC复合涂层耐热腐蚀性能研究

采用高速火焰喷涂技术制备了Fe-Al/SiC复合涂层,对涂层在650℃下的热腐蚀动力学规律进行了研究,并利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对涂层及腐蚀产物的成分和形貌进行分析。试验结果表明:Fe-Al/SiC复合涂层基体为Fe-Al相(Fe3Al、FeAl),SiC硬质相分布于涂层之中,呈现典型的层状特征。Fe-Al/SiC复合涂层具有较好的耐热腐蚀能力,经过150h涂盐热腐蚀后,Fe-Al/SiC复合涂层的腐蚀增重值只有基体20钢的30%左右,增重的原因是涂层表面铁的氧化物的沉积。

高体积分数SiCP／Al复合材料的细观结构设计及性能研究

根据细观结构设计理论,采用高压制粒-低压浸渗方法制备了铝颗粒增韧的SiCP-Al/Al复合材料(SiC在SiCP-Al团聚颗粒中的体积分数为62%,其总体积分数则为55%),并研究了其硬度、强度及韧性等机械性能。结果表明,SiCP-Al/Al复合材料与普通55%SiCP/Al复合材料相比,断裂韧性略有提高,硬度提高50%左右;与普通62%SiCP/Al复合材料相比,韧性提高33.7%。

固溶时效对高体积比SiC_p/6013Al复合材料导热性能及强度的影响

研究了固溶时效对高体积比 Si Cp/Al复合材料的导热性能及抗弯强度影响。研究发现 :热处理改变了复合材料 Si Cp/Al界面结合状况 ,提高了导热性能 ;同时强化了基体合金 ,改变了 Si Cp颗粒所受应力状态 ,提高了复合材料的强度 ,使高体积比 Si Cp/Al复合材料的导热系数达到 2 1 0 W/( m· K) ,抗弯强度达到 5 1 9MPa。