航空航天先进结构材料技术现状及发展趋势

先进材料技术是航空航天高新装备的发展先导,是支撑现代工业的关键基础技术,渗透到国防建设、国民经济和社会生活等方方面面,已成为世界各国争相发展的技术高地和国防重点。本文梳理分析航空航天先进结构材料近年来的技术现状及发展趋势,在高性能高分子材料及其复合材料、高温与特种金属结构材料、轻质高强金属及其复合材料、先进结构陶瓷及其复合材料四方面进行重点阐释,明确我国航空航天结构材料的研发与生产仍面临着跟踪研仿多、自主创新少、技术封锁严重、技术瓶颈亟待突破等困境。同时,本文对航空航天结构材料未来研究和发展提出展望,点明建立“产-学-研-用”完整技术体系的重要性。

随机源对颗粒增强金属基复合材料力学性能影响的多尺度分析及实验验证

20%(体积分数)SiC_(p)/2009Al复合材料的准静态拉伸实验结果表明,其失效应变等力学参数具有明显的分散性。采用多尺度有限元的方法研究了两类随机源对20%SiC_(p)/2009Al宏观力学性能的影响。通过对一系列含随机源的细观多颗粒代表体积单元模型进行准静态拉伸模拟,得到了材料失效应变和断裂能各自的随机分布特征及两者之间的相关性特征,然后结合宏观试样模型,实现了实际材料内不同区域材料性能随机性的表征。研究表明,宏观有限元结果与实验数据的吻合性较好,且由于考虑了随机源的影响,宏观有限元结果还能够很好地模拟失效应变等的分散性特征。

SiC颗粒增强铝基复合材料缺陷的无损检测

针对粉末冶金工艺生产的挤压态SiC颗粒增强铝基复合材料(SiC_p/Al),对其超声检测检出的典型缺陷开展了X射线照相检测和工业CT检测试验,并进行金相解剖,得到了典型缺陷的无损检测显示特征,对比分析了缺陷实际尺寸与不同无损检测方法定量结果的差异。结果表明,SiC颗粒团聚是SiC_p/Al复合材料中的主要缺陷形式之一,工业CT检测的定量结果更接近缺陷实际尺寸,超声检测定量结果仍存在一定误差。分析结果对于颗粒增强铝基复合材料制件的质量控制具有一定参考意义。

发动机材料高周疲劳P-S-N曲线优化处理方法

材料的高周疲劳P-S-N曲线是发动机强度设计的重要依据。根据航空发动机材料高周疲劳P-S-N曲线的数据处理要求,提出拟合模型的选用判据以及中/高寿命区之间临界点的判别方法,并基于此进一步提出高周疲劳PS-N曲线的优化处理方法;随后以航空发动机中常用的两种钛合金材料为对象,利用本方法实现批处理,获得不同条件下的高周疲劳P-S-N曲线,最后比较与传统方法在处理时间上的差异。结果表明:该数据处理方法不但适用于常规高周疲劳性能数据处理,还适用于超高周疲劳性能数据处理,其处理效率显著提升。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定石墨烯增强铝合金中13种元素

建立测定石墨烯增强铝合金中Mg、Cu、Si、Mn、Zr、Zn、Ga、Ni、Cr、Ti、Fe、V、Be的电感耦合等离子体原子发射光谱方法。称取0.2000 g样品,用盐酸溶液和硝酸溶液溶解,定容后用中速滤纸过滤掉黑色残留物,在优化的仪器工作条件下对基体匹配的混合标准工作溶液进行测定。13种元素的质量分数在0%~0.100%范围内与光谱强度具有良好的线性关系,相关系数均不小于0.993,检出限为0.00001%~0.015%。测定结果的相对标准偏差为1.76%~10.21%(n=6),样品加标回收率为95.0%~110.0%。该方法适用于石墨烯增强铝合金中多种元素的测定。

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。

金属基复合材料微观损伤行为的研究进展

综述了近年来颗粒增强、连续纤维增强和石墨烯增强金属基复合材料微观损伤行为的研究进展,分析了上述3类金属基复合材料在不同载荷条件下发生损伤的模式及其微观机理,并对目前金属基复合材料微观损伤行为的研究中存在的问题进行了分析,对未来的研究方向进行了展望。

金属材料损伤分析中的物理冶金分析技术

综述了金属材料损伤分析中常用的五类物理冶金分析技术:组织结构分析技术;物理性能分析技术;化学成分分析技术;残余应力分析技术及原位分析技术。基于各类分析技术在金属材料损伤分析中的应用展开了详细讨论,并详细对比分析了各类分析技术在损伤分析应用中的优势和局限性,同时针对损伤分析过程中各类分析技术的选择和使用提出了基本的思路。

石墨炉原子吸收光谱直接法测定镍基高温合金中镉含量

采用硝酸、氢氟酸溶解镍基高温合金试样,建立石墨炉原子吸收光谱法测定镍基高温合金中镉元素含量。采用灰化温度500℃,原子化温度1200℃,对镍基高温合金试样进行测定。镉元素质量分数在0.1~20.0μg/g范围内与其吸光度线性关系良好,相关系数均大于0.99。通过标准物质对照和加标回收试验验证方法准确度,方法检出限和定量限分别为0.0029、0.01μg/g,样品加标回收率为91.8%~107.8%,相对标准偏差小于4.5%(n=11)。该方法灵敏度高,准确性好,适用于镍基高温合金中镉元素的质量控制。

湿热环境对AC318/S6C10-800玻璃纤维复合材料压缩力学性能影响分析

制备了一批AC318/S6C10-800玻璃纤维复合材料压缩试样,并根据ASTM D6641《聚合物基复合材料压缩性能标准试验方法》对AC318/S6C10-800复合材料进行压缩试验,测量了压缩强度和压缩模量等力学常数。采用DOT/FAA/AR-03/19《聚合物基复合材料体系的材料认证(取证)和等价性:已更新程序》对AC318/S6C10-800玻璃纤维复合材料压缩试样进行吸湿状态处理,分析了湿热环境对AC318/S6C10-800玻璃纤维复合材料压缩力学性能影响。研究结果表明,低温干态环境下强度性能数据相对室温环境略高,70℃湿态环境下强度性能最低,为AC318/S6C10-800玻璃纤维复合材料结构设计及工程应用提供重要参考。

湿热环境对AC318/S6C10-800复合材料拉伸性能的影响

拉伸性能是复合材料层合板的基本力学性能,研究湿热环境对玻璃纤维复合材料拉伸性能的影响可以为复合材料工程应用提供重要参考。开展了不同湿热环境下的AC318/S6C10-800复合材料拉伸性能研究,分析了环境对AC318/S6C10-800复合材料弹性模量及拉伸强度的影响。研究结果表明,低温干态环境下强度性能数据相对室温环境略高,70℃湿态环境下强度性能最低,随着试验温度的升高,0°拉伸强度、90°拉伸强度基本呈线性下降趋势。研究结果为AC318/S6C10-800复合材料工程应用提供参考。

岩棉纤维增强SiO_(2)气凝胶复合隔热材料加速老化后的结构和性能

在600℃、不同时间(1~15d)下对岩棉纤维增强SiO_(2)气凝胶复合隔热材料进行加速老化试验,研究了其老化后的微观结构、压缩性能和导热性能。结果表明:随老化时间延长,填充在岩棉纤维网架空隙中的气凝胶发生团聚,纤维断裂程度增加,老化时间为15d时,气凝胶呈烧结状态,结构致密;未老化试样的应力随应变呈线性变化,老化试样的应力增大速率大于未老化试样的,老化15d时,应力随应变的增大速率最大;随老化时间延长,试样的热量传输路径变短,导热系数增大。

熔融渗硅对石墨材料微观结构及性能的影响

选用四种不同孔隙结构的石墨进行熔融渗硅(简称熔渗)反应,采用扫描电镜、X-射线衍射、压汞、CT等方法表征了熔渗前后材料的微观形貌、物相及孔隙结构。结果表明,熔渗后的材料由石墨、硅及碳化硅三种物相组成,且硅及碳化硅的分布与石墨孔隙结构相关。熔渗后样品孔隙率均<1%,体积密度提高21.08%~35.94%。熔渗后材料强度及模量均有明显提高,强度是原石墨样品的1.7~6.2倍,模量是原石墨样品的2.4~7倍,提高幅度与石墨孔隙结构及晶粒尺寸相关。理论计算结果表明,石墨样品熔渗过程主要受扩散-反应控制。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定镍基高温合金中铁

建立ICP-AES法测定镍基高温合金中铁元素的分析方法,铁含量范围为0.02~20.00%。进行了功率条件试验、雾化器流量试验、光谱干扰试验,优化了仪器测定条件。称取0.10 g样品,采用盐酸、硝酸、氢氟酸溶解样品,采用定容至50,100,250 mL 3种容量瓶的方法,将Fe元素的质量浓度控制在0.5~100μg/mL范围内。在选定的试验条件下,采用分析线为259.94 nm,铁的含量在0.5~100μg/mL范围内与光谱强度具有良好的线性关系,相关系数大于为0.9999,检出限为0.0001%。用该方法测定标准物质对方法的精密度、准确度进行考察,测定结果的平均值与标准值接近,RSD<5%(n=8)。该方法简便、快速、准确,可用于镍基高温合金中铁元素含量的测定。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定镍基高温合金中铂、钯含量

试样采用盐酸、硝酸和氢氟酸溶解,用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定镍基高温合金中铂(Pt)、钯(Pd)元素。本工作中优化了仪器工作参数,对待测元素分析线进行了选择试验,考察了高温合金基体和共存元素对待测元素的影响,最终确定了分析线分别为Pt 214.424 nm、Pd 340.458 nm,选定的待测元素分析线不受基体和共存元素的干扰,基体的其他影响可以通过在校准曲线溶液中进行匹配而消除。对高温合金中铂、钯元素测量的准确度、精密度和加标回收率进行了研究,回收率在96%~110%之间,RSD≤6%。

电感耦合等离子体发射光谱法测定高纯铝中硅

建立电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)法测定高纯铝中硅元素的分析方法。样品采用碱溶法进行预处理,以氢氧化钠溶液溶解,再加入盐酸、硝酸酸化。选取了硅251.611 nm分析谱线进行分析。硅的质量分数在0.001%~0.01%范围内与光谱强度具有良好的线性关系,线性相关系数为0.9991。该方法检出限为0.00012%,测定结果的相对标准偏差不大于10.2%(n=8),加标回收率为93.2%~104.2%。该方法操作简便,测定结果准确、可靠,适用于快速检测高纯铝中硅元素,具有推广价值。

微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定PtRh-10合金中微量金和铁

建立微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定PtRh-10合金中微量金和铁的方法。以王水为消解剂,用微波消解仪对样品进行快速消解,采用电感耦合等离子体发射光谱法进行测定,分析线为Au 267.594 nm、Fe259.940 nm。金和铁元素的质量浓度在0~2.0μg/mL范围内与信号强度呈良好的线性关系,相关系数为0.999 9,检出限分别为0.000 2%和0.000 1%。金、铁测定结果的相对标准偏差分别为2.74%和3.56%(n=6),样品加标回收率分别为109.8%~112.7%和99.7%~100.0%。该方法满足PtRh-10合金中微量金、铁的测定要求,可用于批量样品检测。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定高温合金中镉

建立电感耦合等离子体原子发射光谱法测定高温合金中镉的方法。采用盐酸、硝酸和氢氟酸溶解试样,优化了仪器工作参数,确定了待测元素分析谱线为226.504 nm,考察了高温合金共存元素和基体对待测元素的影响。结果表明,选定的待测元素分析线不受共存元素干扰,基体的其它影响可以通过背景校正而消除。方法检出限为0.00002%。样品加标回收率为94%~116%,测定结果的相对标准偏差小于5%(n=10)。该方法能够用于镍基高温合金中镉元素的测量。

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定粉末高温合金中硅镁元素

介绍了采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定粉末高温合金中硅镁元素的方法,采用盐酸、硝酸、氢氟酸溶解样品,控制溶解温度不超过60℃防止硅损失,选择为Si251.611,Mg279.553nm为分析线。考察了合金基体和共存元素对待测元素的影响,工作曲线系列溶液进行基体匹配,在选定的分析线适当位置处扣背景的方法消除基体的影响,优化了仪器工作参数,确定了仪器最佳工作条件,实现了用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定粉末高温合金中硅镁元素的含量的方法。进行了标准物质对照试验和加入回收试验,回收率在101～113%之间,方法的检出限是0.003～0.01μg/mL,相对标准偏差小于14%。

电感耦合等离子体发射光谱法测定石墨烯中5种杂质元素

建立电感耦合等离子发射光谱法(ICP–OES)测定石墨烯中铝、锰、硅、铁和钾元素的分析方法。称取0.1 g样品于铂金坩埚中,采用160℃干燥2 h、300℃灰化2 h、1000℃灼烧2 h,然后用盐酸–氢氟酸混酸溶解残留氧化物的前处理方式,采用ICP-OES法测定溶液中的5种杂质元素含量。在实验条件下,铝、锰、硅、铁和钾元素的质量浓度分别在0.5~5.0、5.0~60.0、0.5~5.0、0.1~1.5、0.1~1.5 mg/L范围内与发射强度线性关系良好,相关系数均大于0.999,检出限不大于0.003%。石墨烯中5种杂质元素含量测定结果的相对标准偏差为0.6%~9.9%(n=12),两种浓度水平的加标回收率为91%~108%,满足方法验证学的要求。该方法快速、简便、稳定性好,满足石墨烯中杂质元素含量的测定需求。