国外航空发动机用SiC_f/SiC复合材料的材料级性能测试研究进展

国外在航空发动机用SiC_f/SiC复合材料的研发和应用方面进展迅速,这得益于其开展了大量的材料级性能测试并借此建立的材料性能数据库。本文梳理了SNECMA,NASA,GE公司典型SiC_f/SiC复合材料牌号的基本物理性能和力学性能,探讨了制备工艺等因素对材料性能的影响,着重分析并讨论了复合材料的拉伸性能;同时综述了国外在该类材料使用性能方面开展的测试,主要包括高温抗氧化性、高温水/氧环境性能、疲劳及蠕变性能、抗热冲击性能以及抗外来物冲击测试等,并对材料在热、力、水、氧等不同环境因素下的损伤行为和失效机制进行了阐述。在此基础上,提出了我国在SiC_f/SiC复合材料后续性能测试研究方面的建议。

B_(4)C改性SiC/SiC复合材料自愈合机理研究

采用预浸料–熔渗工艺制备了B_(4)C改性SiC/SiC复合材料(SiC/SiC–B_(4)C复合材料),研究了SiC–B_(4)C改性基体在700℃、1000℃、1200℃、1350℃下氧化50 h的本征氧化行为及自愈合规律,有效观察到了基体的自愈合行为,同时考察了SiC/SiC–B_(4)C复合材料的抗氧化性能,通过材料重量变化和强度保持率衡量其在氧化环境中的损伤程度,揭示了氧化行为。研究结果表明,氧化初期B_(4)C开始发生氧化反应,此时的液态自愈合相主要成分为B_(2)O_(3)。随着温度的升高,氧化生成的SiO_(2)将与B_(2)O_(3)结合生成硅硼玻璃相,当温度进一步升高至1350℃时,由于硅硼玻璃分解加剧,导致自愈合效果减弱。此外,高温导致的硅硼玻璃黏度下降也将有利于氧化介质扩散。SiC/SiC–B_(4)C复合材料在1200℃氧化50 h后仍保持较好的力学性能,说明B_(4)C氧化后生成的B_(2)O_(3)、SiO_(2)等黏流态物质可以在一定程度上封填裂纹,赋予材料高温下自愈合机制。

2.5D机织复合材料V形缺口试样剪切测试方法研究

基于标准试验方法ASTM D7078/D7078M-12和ASTM D5379/D5379M-12对2.5D机织碳纤维增强树脂基复合材料V形缺口试样进行剪切试验,重点研究在两种V形缺口剪切试验方法和两种不同规格电阻应变计测试条件下的经、纬向剪切性能,对比试样不同面粘贴的应变计测量的剪切模量的差异,并对试样剪切后的表面损伤进行观察。结果表明:2.5D机织复合材料的V形缺口剪切应力-应变曲线总体呈现非线性特征,±45°方向的正应变曲线对称性良好;采用ASTM D7078/D7078M-12方法更适合2.5D机织复合材料剪切试验;大尺寸应变计测出的剪切模量高于小尺寸应变计;剪切破坏模式主要是表面树脂沿纬纱方向产生裂纹,随后出现纱线屈曲和界面脱粘。

航空发动机用连续SiC_f/SiC复合材料制备工艺及应用前景

介绍了连续碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(SiC_f/Si C)常见的3种制备工艺,即化学气相渗透(CVI)工艺、前驱体浸渍/裂解(PIP)工艺及熔渗(MI)工艺的不同特点,探讨了国外不同工艺制备的复合材料的基本性能,并简述了SiC_f/SiC陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用情况,以期为该材料在国内航空发动机领域的发展提供一定的参考。

航空发动机用树脂基复合材料应用进展与发展趋势

树脂基复合材料具有比强度和比模量高、疲劳性能和耐腐蚀性能好等优点,已经成为航空发动机冷端部件的应用和发展趋势。国外航空发动机用树脂基复合材料研究起步较早,已经在多型发动机的风扇叶片、风扇机匣、外涵机匣、短舱等部件得到成熟应用,并朝着结构形式更优、材料性能更好、制造成本更低、自动化程度更高的方向发展。国内树脂基复合材料发展基础良好,但与国外相比在发动机上应用比例不高,需要进一步提升设计、材料、制造、实验技术水平及工程化能力。本文重点论述国外航空发动机复合材料构件的结构、材料和工艺发展现状,分析发展趋势,从建立航空发动机用复合材料体系、加强应用研究和设计牵引、推进预研成果转化和自动化技术应用等方面提出相关建议。

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料及其制备工艺研究进展

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、抗氧化等特点,是应用于高温有氧环境的理想候选材料,在航空航天热端部件如发动机燃烧室、尾喷管等部位有着巨大的应用潜力。本文从氧化物纤维、陶瓷基体、复合材料设计以及制备工艺等方面综述了氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究进展。重点阐述了氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的设计方法,包括界面层的选择以及多孔基体的设计,详细介绍了复合材料的制备工艺,特别是预浸料工艺。最后对国外考核情况进行了简述,指出了其在航空发动机高温热端部件上的应用前景。

SiC_f/SiC复合材料氮化硼(BN)界面层及其复合界面层研究进展

SiC_f/SiC复合材料由SiC纤维、SiC基体和界面层组成。界面层可以传递载荷和偏转裂纹,同时防止SiC纤维受到材料制备和使用过程中的化学侵蚀,对于调节SiC_f/SiC复合材料的性能具有非常重要的作用。本文综述了氮化硼界面层的晶体结构、复合界面层的种类,介绍了化学气相渗透法制备氮化硼(boron nitride,BN)及其复合界面层的工艺条件,总结了先驱体气体比例、载气、沉积压力及温度等工艺条件对界面层沉积速率、微观形貌结构的影响。选择合适的工艺条件,制备理想结构的BN及其复合界面层,将是SiC_f/SiC复合材料界面层研究领域的重点和难点。

SiC/SiC复合材料失效行为研究进展

连续碳化硅(SiC)纤维增韧的SiC/SiC复合材料由连续SiC纤维、界面层和SiC基体组成,具有高强度、高韧性、低密度、耐高温、抗氧化等一系列优异性能,是理想的航空发动机和燃气轮机热端构件材料。在力、热、水、氧、燃气冲刷、异物冲击等多种因素的影响下,SiC/SiC复合材料具有复杂的断裂和腐蚀失效行为。随着SiC/SiC复合材料的广泛应用,针对其疲劳和蠕变失效机制的研究变得越来越重要。近年来,声发射、数字图像相关、电阻监测、原位CT和SEM等新的检测手段在SiC/SiC复合材料上的应用,有助于进一步阐明其在力学实验中裂纹萌生和发展过程以及发生最终破坏的机理。

NITE工艺制备SiC_f/SiC复合材料的研究进展

NITE(nano-infiltration and transient eutectic)工艺作为一种制备碳化硅纤维增强碳化硅基(SiCf/SiC)复合材料的新方法,具备周期短、工艺简单、生产成本低等优点,制备出的复合材料基体致密、孔隙率低、不含残余硅,适用于1400℃及以上高温长时服役环境应用。目前,日本、美国等国家基于其成熟的第三代碳化硅纤维,对该技术开展了较为深入的研究,并在核能工业热交换器、航空发动机燃烧室衬套等领域进行了应用验证。本文针对NITE工艺从基本概念、工艺流程、制备的SiCf/SiC复合材料和构件考核验证及前景展望四方面进行综合阐述,以期为国内该工艺的发展及应用提供一定程度的参考。

碳化硅陶瓷基复合材料界面层技术研究进展

碳化硅陶瓷基复合材料的常用界面层为热解碳界面层与BN界面层,热解碳界面层的制备技术已经相对成熟,但由于在高于400℃时易发生氧化而限制了其在高温氧化性气氛下的长时间使用;BN界面层的制备技术近年得到了快速发展,并且新型原材料及新型制备工艺层出不穷;界面层评价技术方面,尽管其对复合材料性能优化具有重要意义,但是目前存在样品制备困难及数据分散度大的难题。针对界面层在碳化硅陶瓷基复合材料中的作用、常见的界面层类型、界面层的制备方法、界面层的评价方法及界面层的发展趋势进行了综合阐述。认为在开发新型前驱体、开发新型制备工艺、提高原材料利用率方面,界面层研究有着广阔的发展空间,进一步提高材料性能及多层界面层设计是其未来发展趋势。对国内该领域的发展有一定的参考价值。

共熔法制备二硼化钛基复合材料的研究

采用共熔法制备二硼化钛基复合材料,两组样品初始组份分别为TiB2、SiC及鳞片石墨,TiB2、TiC、SiC与鳞片石墨。研究表明,共熔法制备的复合材料中各相分散均匀,产物中的石墨高度有序,石墨层间距分别为0.3385 nm与0.3367 nm,且微晶厚度分别为60.8 nm及46.7 nm;拉曼光谱峰形及参数表明石墨的网格结构中掺杂有硼元素;TiB2基复合材料样品中孔隙率分别为12.5%与13.8%,热导率分别为41.0 W/(m K)与52.9 W/(m K)。

SiC_(f)/SiC复合材料涡轮导向叶片的抗热冲击性能研究

SiC_(f)/SiC复合材料是新型航空发动机热端部件的标志性材料,涡轮导叶在发动机中的服役环境最为苛刻,其中,抗热冲击性能是考核导叶的关键性能之一。本文以不同铺层方式的SiC_(f)/SiC复合材料涡轮导向叶片的叶身典型结构为研究对象,针对不同SiC纤维铺层方式对叶身结构的成型缺陷、水淬热震性能等的影响进行了探索研究,结果显示:采用单向铺层制备的叶身质量均匀、内部致密,但是抗热冲击性能最差,仅仅十几个循环后便彻底开裂;采用正交铺层得到的叶身内部存在少量的孔洞和分层缺陷,抗热冲击性能可达到30次以上;要获得较好的抗热冲击性能,叶身环向纤维比例应大于1/2。

中温固化松香基环氧树脂碳纤维增强复合材料性能

以生物质松香基马来海松酸酐(MPA)作为固化剂固化石油基E-54、AG-80和014U三种环氧树脂混合物,研究松香基环氧树脂基体及其复合材料的热性能和力学性能,评价其作为先进树脂基复合材料应用在航空飞行器主承力结构件的可能性,拓宽生物质环氧树脂应用领域。结果表明:固化后的环氧树脂具有较高的力学性能和热失重温度,配方F2树脂固化后玻璃化转变温度为156℃、拉伸强度为82.6 MPa、拉伸模量为3.05 GPa、断裂伸长率为4.2%、5%热分解温度约为370℃;以F2/U3160预浸料制备的复合材料层合板干态玻璃化转变温度为158℃,湿态玻璃化转变温度为123℃,干态力学性能与已经应用于直升机旋翼系统的3261/HT3复合材料性能相当,并具备较高的湿态力学性能保持率。

高温固化松香基环氧树脂碳纤维增强复合材料性能研究

为了响应我国碳达峰和碳中和的环境目标,本文将生物质马来海松酸缩水甘油酯环氧树脂、石油基双酚A型环氧树脂E-54和固化剂DDS复配,研究高温固化松香基环氧树脂及其复合材料的热和力学性能。结果表明:固化后的环氧树脂具有较高的力学性能和热失重温度,配方DGE树脂固化后玻璃化转变温度为207℃,拉伸强度为87.3 MPa,拉伸模量为3.52 GPa,断裂伸长率为4.38%,5%热分解温度约为297℃;以DGE/CCF300预浸料制备的复合材料层合板干态玻璃化转变温度为207℃,湿态玻璃化转变温度为170℃,干态湿态力学性能与已经应用于飞机结构件的基于5222/HT3复合材料性能相当。

纤维织物增强磷酸盐透波复合材料研究

研究了石英纤维织物和氧化铝纤维织物增强磷酸盐复合材料的成型工艺、介电性能及力学性能,并分析了影响力学性能高温稳定性的主要原因,获得了可分别在300℃、700℃下长期稳定使用的石英、氧化铝纤维织物增强磷酸盐透波复合材料,在8 GHz~18 GHz范围内,介电损耗均小于0.015,具有宽频低介电损耗的特点,是一类性能优异的耐高温透波复合材料。

界面层对CVI-mini SiC_(f)/SiC复合材料力学性能的影响

利用化学气相渗透法(CVI)在束丝SiC纤维表面沉积BN和BN/SiC两种界面层,并将其制备成mini碳化硅复合材料。应用扫描电镜(SEM)观察了界面层和mini复材的表面和断口形貌,应用原子力显微镜(AFM)表征了界面层的表面粗糙度。采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对界面层结构进行表征,利用电子万能试验机对mini复材的拉伸性能进行分析。结果表明,CVI方法制备的BN表面光滑,为层状-岛状生长,与基体结合较弱,其mini复材拉伸强度为970 MPa。热处理后的BN结晶度增强,表面粗糙度增大,与基体的结合略微增强,其mini复材拉伸强度有所提升,为1050 MPa。BN/SiC界面层表面粗糙,为岛状生长,与基体的结合较强,其mini拉伸强度最高,为1720 MPa。

共熔法制备超高温陶瓷基复合材料

首次采用共熔法制备超高温陶瓷基复合材料,三个样品初始组分分别为ZrB_2与鳞片石墨,ZrB_2、TaB_2、SiC及鳞片石墨,ZrB_2、MoSi_2与鳞片石墨。研究结果表明,共熔法制备的复合材料中各相分散均匀,产物中的石墨高度有序,石墨层间距分别为0.335 4、0.335 9与0.337 7 nm,且三者的微晶厚度分别为63.4、51.5及68.7 nm,拉曼光谱结果表明硼已经掺杂进入了石墨的网格结构。所制得的超高温陶瓷基复合材料样品中均存在一定的孔隙率,且制备的超高温陶瓷基复合材料的热导率较低。该方法为一种新型、快速、一步法制备超高温陶瓷基复合材料工艺。

C/C复合材料表面等离子喷涂ZrO_(2)/SiO_(2)涂层的组织结构及抗烧蚀性能

为了提高C/C复合材料的抗氧化性能,采用大气等离子喷涂(APS)法在C/C表面制备ZrO_(2)/SiO_(2)复合涂层,选用氧乙炔在1450,1700,2000℃下对涂层进行烧蚀考核,并对团聚粉体以及烧蚀前后涂层的成分及组织进行分析。结果表明:大气等离子喷涂虽然可以实现C/C基体表面ZrO_(2)/SiO_(2)复合涂层的制备,但是由于2种材料熔点差异较大导致粉体熔融不充分,涂层孔隙率为40.12%,涂层结合强度为12.1 MPa。ZrO_(2)/SiO_(2)复合涂层抗烧蚀性能表现较好,其防护机理随温度的增加可以分为2个阶段:低温阶段,SiO_(2)熔化并起到封填愈合作用,提高了致密度,ZrO_(2)逐渐形成骨架,支撑液态SiO_(2);高温阶段,SiO_(2)逐渐蒸发损耗,涂层中仅剩ZrO_(2)并且发生烧结,继续起到抗氧化烧蚀的作用。

碳纤维/环氧树脂复合材料高速冲击性能

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备碳纤维/环氧树脂复合材料,通过空气炮冲击实验研究树脂韧性和碳纤维类型对复合材料抗高速冲击性能的影响,并对高速冲击后的试样进行压缩性能测试,研究高速冲击损伤对复合材料剩余压缩性能的影响。结果表明:树脂的韧性可以降低复合材料遭受高速冲击时的内部损伤程度,大幅提高复合材料的抗高速冲击性能和冲击后剩余压缩性能;T700S碳纤维增强复合材料抗高速冲击性能优于T800H碳纤维增强复合材料;复合材料的破坏模式与冲击速率有关,冲击速率较低时,复合材料弹击面出现圆形凹坑,背弹面出现鼓包;冲击速率较高时,复合材料弹击面出现圆形通孔,背弹面出现沿纤维方向撕裂断口。

石墨烯改性碳纤维树脂基复合材料的制备和性能评价

以石墨烯预浸料作为功能层,铺贴在碳纤维预成型体表面,通过热压罐共固化成型的方法,制备石墨烯改性碳纤维树脂基复合材料。利用超声扫描、金相电镜、四探针、矢量网络分析仪和万能材料试验机等测试手段研究石墨烯预浸料对复合材料内部质量、电磁屏蔽性能和力学性能的影响。实验结果表明:石墨烯预浸料的加入,并不会影响到复合材料的内部质量,并且石墨烯功能层和碳纤维结构层之间具有良好的界面相容性。在此基础上,石墨烯预浸料作为功能层,利用其优异的导电性能,可以使得复合材料的电磁屏蔽性能显著提高。当加入G105/3234石墨烯预浸料时,复合材料的电磁屏蔽效能由27.7 dB提高到64.7 dB。与此同时,改性后的碳纤维树脂基复合材料仍然可以保持良好的力学性能。