高导热金刚石/Cu复合材料的研究进展

随着大数据、人工智能等信息技术的飞速发展,电子元器件逐渐向便携、轻量、高性能等方向发展。金刚石/Cu复合材料具有热导率高、热膨胀系数与电子元器件匹配度高等优点,目前已成为第三代先进电子封装材料。综述了国内外金刚石/Cu复合材料的制备方法、影响金刚石/Cu复合材料热导率的因素,尤其是界面改性对热导率的影响。此外,还对金刚石/Cu复合材料的未来发展方向进行了预测,为金刚石/Cu复合材料的研制提供参考。

三种典型发动机用材料疲劳极限应力集中敏感性及喷丸的影响

针对发动机用C250钢、TA29钛合金和FGH96粉末合金,开展应力集中系数K_t=1和K_t=1.7条件下疲劳曲线研究,并研究喷丸对应力集中条件下疲劳极限的影响。结果表明:当应力集中系数由K_t=1提高到K_t=1.7时,C250钢、TA29钛合金和FGH96粉末合金的107周次疲劳极限分别从757 MPa,366 MPa和566 MPa降低到526 MPa,240 MPa和465 MPa,说明上述三个高强度合金都存在明显的疲劳极限应力集中敏感性;喷丸强化后,K_t=1.7条件下的疲劳极限提高至597 MPa,297 MPa和530 MPa,说明喷丸有助于从工艺角度缓和高强度合金的疲劳极限应力集中敏感性;随着应力集中系数增加,TA29钛合金和FGH96粉末合金的10~5周次和10~7周次对应疲劳强度差也随之减小,喷丸处理能够使疲劳性能数据的分散性有所降低。

厚截面复合材料层间剪切性能的尺寸效应

针对厚截面玻璃纤维增强树脂基复合材料,开展数字图像相关技术辅助的短梁剪切实验,获得不同厚度单向复合材料层间剪切行为随厚度的变化规律。为了探索材料层间剪切力学行为的尺寸效应机制,通过试样切片扫描电镜照片,观察不同厚度试样的孔隙微观特征。采用图像处理,获得不规则孔隙轮廓,提出定量表征微观特征的参数。随机生成包含纤维、基体、纤维/基体界面和孔隙的三维代表体元(RVE)模型,并通过数值分析研究不同尺寸和分布的不规则孔隙对复合材料层间剪切强度的影响。短梁剪切实验结果表明单向复合材料的层间剪切力学行为与试样厚度无关,但剪切强度随着试样厚度的增加下降。图像分析结果可见不同厚度试样孔隙的分布规律,大小,集中和不规则程度存在显著差异。RVE的数值分析结果表明:损伤是由于靠近孔隙的纤维与基体界面破坏引起的,且随着在相同孔隙率的情况下最大孔隙尺寸的增加,厚截面复合材料的层间剪切强度下降。同时孔隙集中度、孔隙率也对材料层间剪切强度有明显的影响。上述实验与分析结果表明厚截面复合材料层间剪切强度尺寸效应与材料孔隙的微观特征参数有关,随复合材料厚度增加,孔隙率、最大孔隙尺寸和集中程度变大,剪切强度下降,因此不同厚度材料孔隙微观特征的差异性是导致了材料层间剪切强度下降的重要机制之一。

半透明性对闪光灯激励红外热像检测的影响

为了揭示玻璃纤维增强复合材料层合板的半透明性对闪光灯激励红外热像检测的影响机制,本文首先对玻璃纤维增强复合材料层合板的光学特性进行了定量测量和研究,发现该类材料具有明显的半透明性,依据反射比和透射比的测量结果,推算出吸收比和全吸收厚度。然后,针对分层缺陷和脱粘缺陷进行半透明模型和常规模型的建模对比分析,依据仿真结果明确了半透明性有可能减弱可检缺陷信号的强度,改变其变化规律,导致漏检。

复合材料Ⅱ型分层ENF试验数据处理方法对比分析

Ⅱ型分层是复合材料层板结构中常见的一种层间裂纹扩展模式,因此Ⅱ型层间断裂韧性是评估材料层间性能以及复合材料结构设计、分析不可或缺的力学性能参数。复合材料Ⅱ型层间断裂韧性测试有多种试验方法,其中以基于端部缺口梁三点弯曲(ENF)的试验方法最广泛。鉴于ENF试验中Ⅱ型分层驱动机制的复杂性和众多的影响因素,国内外研究人员提出了许多Ⅱ型层间断裂韧性的数据处理方法,在同一个ENF试验中采用不同的数据处理方法可能得到不一致的Ⅱ型层间断裂韧性测试结果。为了便于工程人员深入理解不同Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的差异,本文首次系统地梳理了现存的各种基于ENF试验的Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的力学原理、简化条件、推导过程,讨论了不同Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的精度和适用范围,可为复合材料研制、测试、设计人员提供有用的指导。

声速差计算方法及其在对外加非均匀应力评价中的应用

为了研究超声波对7050铝合金非均匀应力场的响应规律,利用Abaqus有限元软件计算不同应变状态下试样中的非均匀应力场,再根据声弹性理论计算得到该模型中试样复杂应力场对应的声速极差。为验证仿真的准确性,对7050−T7451铝合金试样施加同等程度应变的的外加应力,通过超声扫查获得超声速度分布图。结果发现,仿真和超声法获得的应力分布结果都符合应力分布的一般规律,超声法表征结果与仿真表征结果具有相关性,但是由于超声法评价的是样品全厚度方向应力的叠加效果,所以二者又存在一定的差异性。非均匀应力场仿真所得声速极差与实测较为一致,声速差异与外加变形量具有非线性递增关系,二者所得的变形量与声速极差曲线基本一致。

GO掺杂对TA1钛合金等离子体电解氧化涂层硬度和耐磨性能的影响

本研究在掺杂氧化石墨烯(简称“CO”)的硅酸盐电解液中对TA1钛合金进行等离子体电解氧化处理,旨在获得较高硬度的等离子体电解氧化陶瓷涂层(PEO)。通过表征涂层的物相组成、表面与截面形貌、粗糙度、显微硬度、摩擦因数以及结合力等参数,分析了CO浓度对涂层性能的影响。研究结果表明,CO参与涂层的形成过程,能够有效地减小微孔和裂纹尺寸,表面粗糙度降低。涂层厚度虽然略有降低,但致密性显著增加。与未掺杂GO的PEO涂层相比,当GO掺杂量为0.6g·L^(-1)时掺杂GO的PEO涂层显微硬度提升18.54%,摩擦系数降低84%,临界载荷强度提高32.59%。

粉末涡轮盘夹杂缺陷的超声检出概率

缺陷的检出概率是零件损伤容限设计和寿命预测的重要基础数据。针对发动机中的关键转动件——粉末涡轮盘中的夹杂缺陷,进行了超声检出概率研究。制作了不同埋深不同孔径的平底孔人工缺陷试样,模拟粉末盘中的非金属夹杂缺陷。采用6组探头的超声水浸分区聚焦检测工艺对上述人工缺陷试样进行检测,获得了不同缺陷的超声检出概率数据,并绘制出缺陷检出概率(POD)曲线。结果表明,采用特定的检测工艺,在95%的置信水平下,以90%概率检出的缺陷当量尺寸为0.167mm。

分层界面角度对CFRP层板Ⅱ型分层的影响

Ⅱ型层间断裂韧度是复合材料结构损伤容限设计的关键力学参数。针对5种具有不同预置分层界面的国产T300复合材料端部缺口弯曲(ENF)实验件,开展Ⅱ型分层测试,获得预嵌薄膜末端开裂的Ⅱ型层间断裂韧度 G Ⅱc,NPC 和预开裂裂纹处扩展的Ⅱ型层间断裂韧度 G Ⅱc,PC 。结果表明:5种分层界面下 G Ⅱc,NPC 均比 G Ⅱc,PC 高,并且对于 G Ⅱc,NPC 值,0°/0°分层界面的最高,0°/90°分层界面的最低;而对于 G Ⅱc,PC 值,0°/45°分层界面的最高,0°/90°分层界面的最低。同时,采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)模拟不同分层界面处的Ⅱ型分层扩展,获得了分层扩展过程中分层前缘应变能释放率分布,结合实验结果分析了分层界面角度对Ⅱ型断裂韧度测量值的影响。

任意跨宽比三点弯曲梁断裂力学参数的权函数法求解

利用有限宽板边缘裂纹的Wu(吴学仁)-Carlsson解析权函数,结合无裂纹应力分布的Filon解析解,计算任意跨宽比(S/W)三点弯曲梁的高精度应力强度因子(SIF)和裂纹嘴张开位移(CMOD)。基于解析权函数法给出的裂纹面幂函数分布应力下的SIF和CMOD解析表达式和表格数值,能够快速确定裂纹面在多项式应力作用下的SIF和CMOD,所得结果与文献中使用完全不同的解法给出的数据高度一致。讨论了利用解析权函数法确定黏聚断裂韧度的问题,为任意跨宽比三点弯曲梁的断裂力学分析提供了高效和高精度的解析计算方法。

冷挤压GH4169合金孔结构疲劳性能与断口分析

对G H4169合金中心孔板材进行冷挤压强化,研究其挤压前后825MPa/600℃/R=0.1疲劳寿命,分析挤压前后表面粗糙度变化和疲劳过程中的残余应力场演化,并细致观察两件挤压试样不同寿命(分别为25105周次和10719周次)断口以分析表面完整性对疲劳过程的作用.结果表明:相比原始试样,冷挤压强化后试样中值疲劳寿命估计量提高了1倍,挤压后较低的表面粗糙度和疲劳过程中稳定的残余应力场是疲劳寿命提高的主要原因.同时,挤压后疲劳寿命标准差增大.由断口定量分析可知,两件试样距疲劳源区0.1mm之后的扩展寿命相当,而萌生寿命(分别为18786周次和5915周次)却相差巨大.造成孔挤压后寿命分散性大的原因是0.1mm以内的裂纹萌生寿命差别.为提高孔结构疲劳性能稳定性,挤压时应注意近表层表面完整性的控制.

2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测

石英纤维增强树脂复合材料常用于多物理场耦合环境下,为保证足够的层间性能,常采用2.5D机织的结构形式。本文对一种浅交弯联2.5D机织石英纤维增强双马树脂复合材料的三维力学性能进行全面测试,对比分析了材料在不同方向的拉伸性能和压缩性能,以及面内、面外剪切性能。测试结果表明,该复合材料的纬向拉伸、压缩模量略高于经向,而拉伸、压缩强度远高于经向,导致经向和纬向拉、压破坏模式差异显著,拉伸时弯曲的经向纤维被拉断,平直的纬向纤维劈裂,压缩时平直的纬向纤维压断,弯曲的经向纤维屈曲。同时,该种材料具有较高的面内、面外剪切变形能力。此外,本文基于混合定律,提出了一个2.5D机织复合材料经、纬向模量估算公式。基于材料微观结构特征,以包含经纱和纬纱的一个单胞作为代表性体积单元,建立有限元模型,预测该2.5D机织复合材料经向模量,预测结果与试验结果吻合很好。本文的研究对2.5D机织石英纤维/双马树脂复合材料的研发具有一定的指导意义。

称量定容-ICP-AES法测定纯铁中痕量铝、铬、铜、锰、镍和硅

纯铁样品5. 000 g用HCl(1+1)溶液9 mL和3 mL硝酸溶解,采用称量定容方法定容至50 g。采用电感耦合等离子体发射光谱法测定其中痕量铝、铬、铜、锰、镍和硅元素,选择的分析谱线依次为Al 396. 152 nm,Cr 267. 716 nm和359. 348 nm,Cu 324. 754 nm和327. 396 nm,Mn293. 306 nm和257. 610 nm,Ni 221. 647 nm和351. 505 nm,Si 212. 412 nm和288. 158 nm。通过样品标准加入法求出样品中杂质元素含量后重新建立工作曲线,上述元素的质量分数在0. 0005%～0. 01%之间与其发射强度呈线性关系,方法的检出限在0. 00002%～0. 0002%之间,以空白样品为基体进行加标回收实验,所得回收率在84. 0%～121%之间,相对标准偏差(RSD)在0. 6%～30%之间。测定了纯铁标准物质中质量分数在0. 003%～0. 44%的分析元素,测量值与标准值基本一致,相对标准偏差(RSD)在1. 0%～15%之间。

2.5D机织复合材料经向和纬向振动疲劳行为对比

2.5D机织复合材料抗分层、耐冲击,在航空发动机结构上具有巨大的应用前景。本文对一种2.5D机织碳纤维增强双马树脂基复合材料经向和纬向试件,开展了不同名义应力水平下的一阶弯曲共振疲劳试验。试验结果表明:经向试件的振动疲劳性能优于纬向试件,随着应力水平的提高,经向和纬向试件的寿命明显缩短,而固有频率下降百分比增加,试件内部的损伤严重程度和损伤扩展速度都随之提高。2.5D机织复合材料经向和纬向试件在共振疲劳试验过程中的主要失效模式是纱线与基体之间脱粘造成的结构完整性丧失,从而导致试件的刚度持续下降。试件内部损伤的三维电子计算机断层扫描(Computerized tomography,CT)重构图像表明,损伤散布于试件工作段区域,应力水平越高,2.5D机织复合材料经向和纬向试件内部损伤范围越大,损伤程度越高,而且纬向试件内部损伤状态比经向试件严重。利用双对数线性寿命模型,对经向和纬向试件在不同名义应力水平下的共振疲劳试验数据进行拟合,得到2.5D机织复合材料经向和纬向试件共振疲劳应力-寿命(Stress-life,S-N)曲线的数学模型,得到的S-N曲线可用于预测2.5D机织复合材料的寿命。

采用不同金属材料铆接修补碳纤维复合材料板的性能对比

随着复合材料在主承力结构上的应用,复合材料修理技术已经成为复合材料服役周期内的重要一环,其中利用金属的铆接修补方法在快速修补技术中具有重要应用。采用中心挖跑道形孔法模拟碳纤维复合材料损伤,分别使用不锈钢板与钛合金板对复合材料损伤件进行铆钉修补,对损伤件和两种修补件进行轴向拉伸试验,并采用应变计监测复合材料孔边及金属板中心应变。试验结果表明:采用不锈钢和钛合金与复合材料损伤件以铆接方式得到的修补件可承受的最大载荷相同,与未修补的相比提升了65.2%,说明对复合材料损伤板使用金属材料铆接修补具有一定补强效果,并且与使用不锈钢和钛合金材料进行修补的效果相当;在修补件拉伸过程中,碳纤维复合材料先于修补用金属材料失效;2种金属铆接修补件的破坏应变比无修补的损伤件的破坏应变略有增加但影响不大。