C/SiC复合材料表面SiC过渡层的包埋法制备与性能

[目的]碳/碳化硅(C/SiC)复合材料是航空航天领域最有发展前景的高温热防护结构材料之一,但其表面由于制备过程中化学气相渗透而造成粗糙度低、与涂层间结合强度差的问题有待解决。[方法]以Si粉、C粉和少量Al_(2)O_(3)粉为原料,通过包埋法在C/SiC基体表面制备了SiC涂层。[结果]该涂层与基体之间具有较好的化学亲和性,热膨胀系数匹配度高,表面状态改善情况好。SiC涂层的表面粗糙度(Ra)相较于C/SiC基体实现了从1.732μm到5.531μm超2倍的提升,且涂层与基体结合良好,平均抗拉结合强度达到了4.946 MPa。[结论]该方法处理后的C/SiC复合材料满足了后续制备功能化涂层的要求。

石墨烯增强钛基复合材料研究进展

非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)具有高比强度、低密度、优异的耐蚀性等诸多特性,在航空航天、国防工业、交通运输等领域具有广泛的应用前景。石墨烯具有良好的本征物理和力学性能,是近年来的二维碳纳米“明星”材料,被视为极具潜力的DRTMCs纳米增强体。国内外研究者聚焦DRTMCs设计与制备,突破了低温快速成型和界面改性等关键技术,初步实现了界面精细调控和微观构型,获得石墨烯在钛基体中的本征增强,制备出强塑性匹配较好的DRTMCs。简要综述近些年来石墨烯增强钛基复合材料的设计方法和制备工艺,探讨界面反应、界面结构、微观构型等关键因素对复合材料力学性能和失效机制的影响规律,并提出石墨烯增强钛基复合材料未来的发展方向。

航空发动机环境障涂层：材料及性能

硅基非氧化物陶瓷及其复合材料具有优异的物理性能和高温力学性能,在航空发动机高温热端部件上展现出了巨大的应用潜力。但在发动机工作环境下,硅基非氧化物陶瓷易与水蒸气反应生成挥发性的Si(OH)4,导致其性能退化。在航空发动机上应用需解决其燃气腐蚀问题,必须使用环境障涂层的保护以提高陶瓷基体的表面稳定性。因此,对环境障涂层的抗高温水氧腐蚀性能的研究近年来得到了广泛关注。本文在介绍传统环境障涂层抗水氧腐蚀现状的基础上,明确了水蒸气侵蚀涂层的化学反应过程,总结了传统环境障涂层的失效机制,并阐述了新型环境障涂层材料系列性能的研究进展,以期为未来航空发动机用环境障涂层材料的选择和高温水氧腐蚀的防护提供有益参考。

基于机器学习的梯度点阵材料优化设计

点阵材料具有轻质、抗冲击、高能量吸收等特性,因而在航天飞行器承载部件设计等领域有广阔应用前景.通过对点阵材料内部杆径进行合理的梯度设计,可以提高点阵材料在高速冲击载荷作用下的动态力学性能.利用仿真模拟数据,基于随机森林模型实现了梯度点阵材料的动态力学响应预测和结构参数优化.以面心立方(face center cubic,FCC)结构梯度点阵材料为研究对象,通过对杆径参数的调整实现点阵材料密度的梯度化设计.通过LS-DYNA软件计算了密度分布不同的梯度点阵材料受到冲击载荷作用时的动态力学响应,包括冲击端面与支撑端面接触应力随时间的变化曲线.基于随机森林模型,以各层胞元的相对密度为输入,实现对点阵材料端面峰值应力的预测,并基于Gini指数分析出对不同端面处峰值应力影响最大的胞元层.将网格搜索算法与训练好的随机森林对接,分别以两个端面上的峰值应力最高作为优化目标,获得点阵材料各层胞元相对密度的最优值.模型对梯度点阵材料端面峰值应力的预测误差在5%以内.数值模拟验证结果表明,优化后所得梯度点阵材料相应端面上的峰值应力高于仿真数据集内任何结构.

轧制温度和压下量对Ti_(2)Ni/TiNi砖砌复合材料的影响

Ti_(2)Ni/TiNi砖砌复合材料由TiNi水泥和分布在其中的Ti_(2)Ni砖块组成,可以通过热轧Ti_(2)Ni/TiNi叠层复合材料进行制备。轧制温度和压下量分别对砖块宽度和间距有重要的影响。当压缩方向垂直于堆叠方向时,所有的样品均出现分层断裂,力学性能大幅降低。当压缩方向平行于堆叠方向时,太大的砖块宽度和太小的砖块间距都会促进Ti_(2)Ni和TiNi之间发生分层的现象。在700℃进行压下量为60%的轧制,砖砌复合材料得到最高的强度((1923.11±70.78)MPa)和最大的断裂应变(0.190±0.017),这是由于合适的砖块宽度和间距阻碍分层失效并促进裂纹的偏转。由此可见,通过优化砖块宽度和间距,可以进一步提高力学性能。

聚氨酯基防护材料的制备与辐照效应分析

随着激光技术的快速发展,激光防护材料的重要性日益增加。烧蚀型激光防护涂层因耗散能力强而受到了广泛关注,但目前基于有机体系的烧蚀型防护材料主要聚焦于高残炭率树脂,而低残炭率树脂作为激光防护材料的研究报道较少。本文制备了聚氨酯-氧化锆(PU–ZrO_(2))激光防护材料,并使用高能连续激光进行了辐照试验。在激光功率密度500 W/cm^(2)的条件下,该材料具备10 s的防护能力,背表面温度低于100℃。另为探索其在复合材料中的应用,利用玻璃纤维(GF)制备了PU–ZrO_(2)–GF体系材料,它在500 W/cm^(2)的激光功率密度下具备5s的防护能力,背表面温度低于30℃。

玄武岩纤维布增强不同树脂基体复合材料的制备与力学性能

利用3种不同的制备工艺,成功制备了相同玄武岩纤维布含量但5种不同树脂基体的玄武岩纤维布增强树脂基复合材料.5种树脂基体包括热固性的环氧树脂、乙烯基酯、热塑性尼龙6、聚碳酸酯及ABS树脂.所制备的5种复合材料组织均匀致密,玄武岩纤维布分布特征相同.研究了玄武岩纤维布增强树脂基复合材料准静态拉伸和3点弯曲力学性能,探讨了树脂基体种类的变化对力学性能的影响规律.在此基础上,通过微观分析研究了玄武岩纤维布增强树脂基复合材料在准静态拉伸和3点弯曲加载条件下的破坏机制,并揭示了树脂基体种类的变化对力学性能影响的机理.

研究金属材料高温动态拉伸性能新方法

采用自行设计带有小型加温装置的改进的分离式Hopkinson拉杆装置测试了金属材料在高温条件下的动态拉伸性能,并用修正的Johnson-Cook模型作为材料的本构关系,提出了一种拟合金属材料在弹性及塑性阶段应变率及温度相关的损伤模型,并拟合出参数.结果表明:改进装置能够精确控制加温速率及温度,减小杆端软化的影响,测试结果相对误差小于1.5%;金属材料304不锈钢的屈服应力及断裂应变具有明显的正应变率效应的温度软化效应,但材料弹性模量具有负应变率效应和负温度效应;在293—625K之间计算结果和试验结果吻合较好,表明可用这种方法测试及估算材料高温动态力学性能,并用于工程分析.

低层错能CrCoNi基(中)高熵合金的强化方法研究

低层错能的CrCoNi基(中)高熵合金在室温或低温下具有优异的断裂韧性。同时,在冲击条件下变形机理的多样性使CrCoNi基(中)高熵合金具有优异的抗变形能力,有望作为抗冲击结构材料被应用于极端环境中。然而,金属材料“强度-塑性”的倒置关系在CrCoNi基(中)高熵合金中依然存在,低的屈服强度限制了CrCoNi基(中)高熵合金的潜在应用。因此,选择合适的强化方法,提高CrCoNi基(中)高熵合金的屈服强度,同时保持高塑性,成为目前高熵合金研究的热点。本文从固溶元素、晶内缺陷、相结构3个方面介绍了目前应用在CrCoNi基(中)高熵合金中的强化方法,从固溶原子、间隙原子、位错、孪晶、相变、梯度结构等多方面讨论了强韧化机制,并以CrCoNi基(中)高熵合金的变形机理为切入点,分析了不同方法对合金性能的提升机理,为低层错能高强韧合金的设计提供了思路。

Ti6321合金TIG焊接接头组织与动态力学性能研究

采用钨极氩弧焊(TIG)焊接双态组织的Ti6321合金,对未焊接母材、近热影响区母材、热影响区和焊缝区进行显微硬度及静动态力学性能测试,并对焊接接头动态压缩前后的组织结构进行观察。结果表明:Ti6321合金经TIG焊接后,热影响区组织为等轴初生α相与β相+针状马氏体α'相构成的近双态组织;焊缝区为大块α相与针状马氏体α'相构成的网篮组织,且晶粒较为粗大。在显微硬度与静动态抗压强度方面,焊接接头热影响区最高,母材与近热影响区母材次之,焊缝区最低。母材、近热影响区母材和热影响区冲击吸收功相近,焊缝区低于前三者。热影响区因形成致密细小的针状马氏体α'相,其硬度与动态抗压强度较高,变形协调能力弱,塑性较低。焊缝区粗大的晶粒使动态塑性与动态强度都较低。在2100~2900 s^(-1)动态压缩应变率范围内,母材、热影响区与焊缝区随着应变率增大,发生了明显的塑性变形。母材与热影响区中的等轴α相由压缩前分布均匀的椭球状转变为方向不一的长条状,转变程度随着应变率的增大而增大。

陶瓷材料动态断裂韧性测试

为了测试陶瓷材料动态断裂韧性,利用Hopkinson压杆实验原理和改装的Hopkinson压杆装置,并将试件加工成单边切口梁进行了三点弯曲动态试验.利用改装的Hopkinson压杆装置可直接测得透射应力波,从而直接得到试件变形过程中作用在试件上的支反力.本文定义了无量纲挠度和挠度变化率,给出了几种陶瓷材料在不同挠度变化率下的时间-动态应力强度因子曲线,并分别给出其动态断裂韧性.测试结果表明,陶瓷材料的动态断裂韧性具有挠度变化率效应.

Ni添加量对Al/Fe_(2)O_(3)能量释放特性的影响研究

为探究Ni添加量对Al/Fe_(2)O_(3)能量释放特性的影响,采用球磨工艺制备了Ni质量分数为10%,20%,30%,40%的4种Al/Fe_(2)O_(3)/Ni高热剂,试验研究了Ni含量对高热剂反应热值、自蔓延燃烧性能、反应压力性能的影响,并对反应产物形貌和物相组成进行了分析。结果表明:随着Ni的质量分数由10%增加至40%,高热剂的反应热值从3.5 kJ·g^(-1)降至2.1 kJ·g^(-1),燃烧速率从0.35 m·s^(-1)降至0.04 m·s^(-1),反应压力峰值从0.16 MPa降至0.05 MPa。因此,通过调节Ni添加量,可以实现Al/Fe_(2)O_(3)/Ni高热剂燃烧特性在一定范围内的平稳调控。

固溶温度对Ti6321钛合金组织及显微硬度的影响

本文对Ti6321板材进行固溶处理,并对固溶处理后的组织进行显微硬度测试。研究了固溶温度对组织形貌及相含量的影响,分析了显微组织与显微硬度的关系。结果表明,随固溶温度升高初生α相含量明显下降,Ti6321钛合金热轧板材的显微组织发生由等轴组织到双态组织,再到魏氏组织的转变;未热处理的Ti6321钛合金显微维氏硬度为317.2HV,随固溶温度升高,显微维氏硬度先增大随后基本保持不变,在固溶温度为900℃时显微维氏硬度达到最大值338.6HV。

Ti6321钛合金焊接接头高温-中应变率力学性能及微观组织

采用Gleeble热模拟试验机对焊接接头不同区域进行了高温-中应变率压缩试验,研究了焊接接头不同区域组织对其力学性能的影响,分析了温度和应变率对其变形过程的影响。结果表明,在高温-中应变率压缩时,热影响区强度最高,母材区较差,焊缝区强度最差。高温下(350℃和550℃),随应变率增加(1s^(-1)和10s^(-1)),变形主导因素由应变硬化效应转变为热软化效应。母材绝热剪切敏感性较低,在高温-中应变率压缩变形时沿剪应力最大方向发生大范围晶粒协调变形。由于热影响区组织均匀,应变率的增加相对于温度的增加,更能促进热影响区绝热剪切带的生成。焊缝区压缩时,应力易于在晶界处集中,此时温度对其压缩变形时绝热剪切带的生成更为有利。

放电等离子烧结制备NiCoV中熵合金微观结构与力学性能研究

NiCoV面心立方(FCC)单相中熵合金展现出卓越的强度和延展性,是一种极具应用潜力的结构材料。本研究采用放电等离子烧结(SPS)技术制备NiCoV合金,这一技术以其快速加热、低烧结温度和高产品致密度等优点而著称,特别适合于快速制备具有细小晶粒的高性能合金。通过对粉末进行球磨处理,消除了合金制备过程中的孔隙缺陷。在随后的热轧处理中,合金中沿晶界分布的硬质相得以重新排布,形成了具有大量位错亚结构、纳米孪晶和均匀分布硬质相的复合微观结构。这种结构有别于传统熔铸方法得到的均匀FCC单相结构的NiCoV合金。SPS工艺结合热轧处理所产生的复合微观结构,通过位错、析出相、纳米孪晶和晶界的多维度协同强化作用,使得合金的屈服强度达到1 360 MPa,抗拉强度达到1 593 MPa,同时保持了18.7%的均匀延伸率,实现了优异的强塑性匹配。这项研究不仅优化了NiCoV合金的微观结构和力学性能,还为高性能中熵合金的制备提供了一种新途径。

SPS制备SiC-TiB_2复相陶瓷材料结构和性能研究

本文以SiC为基体,TiB_2为第二相,YAG为液相助烧剂,通过等离子放电烧结(SPS)工艺,在1700℃、50 MPa条件下制备不同成分的SiC-TiB_2复相陶瓷材料,采用XRD、SEM、TEM、EDS对试样的物相和显微结构进行了分析,结合弯曲强度、硬度及断裂韧性等力学性能的表征对其结构和性能进行了研究。研究发现,SPS烧结制备的SiC-TiB_2陶瓷晶粒细小均匀,SiC平均粒径约为1μm。TiB_2的加入对于复合陶瓷的致密烧结起到了阻碍作用。由于TiB_2原始粉末表面少量的氧化物TiO_2同SiC的反应,从而引入了TiC;由于大颗粒的TiB_2的切削作用,粉料在球磨过程中引入磨球的成分YSZ。TiB_2的加入促使液相助烧剂更倾向于以非晶的形式存在,从而改变了晶粒间的结合形态,提高了晶间结合强度,进一步提高断裂韧性。SiC-TiB_2复相陶瓷材料的弯曲强度和断裂韧性随TiB_2含量的增加先增加后减小,在TiB_2含量为15%时弯曲强度和断裂韧性达到最大值,分别为662 MPa和8.84 MPa·m^(1/2)。

Ti6321钛合金在Taylor杆冲击下的动态断裂微观组织观测

通过固溶处理获得近α型Ti6321钛合金的双态和魏氏组织,研究不同组织对材料在Taylor杆冲击条件下动态损伤和断裂行为的影响。利用Taylor杆对材料进行动态加载,弹体的撞击速度范围为146~228 m/s,结合光学显微镜、扫描电子显微镜和定量金相表征方法对其微观组织演化进行观察分析。结果表明:双态组织的Ti6321合金具有更好的抗冲击性能;双态组织和魏氏组织试样在加载后的显微组织均发生了明显变化,随着冲击加载速度的增加,双态组织的初生α晶粒尺寸由25.3μm减小至16.7μm,次生α相和β相在载荷作用下变形、碎化;对于魏氏组织钛合金,次生α相沿受力方向显著拉长;观察断口可以发现,两种组织试样的断口均可以分为光滑熔融区和韧窝区,两个区域之间的界限并不明显;两种组织试样均发生了绝热剪切破坏,相比于魏氏组织,双态组织Ti6321合金具有较低的绝热剪切敏感性。

激光熔覆制备TC4基复合药型罩材料的力学性能

为了提高TC4药型罩的侵彻性能,将激光熔覆制备工艺用于TC4复合药型罩材料的制备。选用TA15+30%(质量分数,下同)TiC粉、TA15+20%Cr_3C_2粉和TA15+15%B_4C粉作为TC4基体的熔覆材料。采用XRD、扫描电镜和显微硬度测试、准静态压缩实验、SHPB动态压缩实验以及3点弯曲实验方法,研究熔覆层与基体界面处微观形貌、熔覆层硬度变化情况以及3种复合材料的力学性能。结果表明:TC4基体与3种材料都能形成完全冶金结合,TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr_3C_2)和TC4-(TA15+B_4C)材料的强度均高于TC4基体材料,塑性略差;TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr_3C_2)材料的抗弯强度分别为168 MPa,101 MPa,均高于TC4基体材料的45 MPa。

SiC/Al双连通复合装甲材料抗侵彻性能宏–微观跨尺度模拟

SiC/Al双连通复合装甲材料所具有的复杂三维微结构特征对其宏观抗侵彻性能具有重要影响。本文建立了从宏观靶试模型中SiC/Al靶板的典型微区提取动态边界条件,并作用于相应微观组织模型的跨尺度数值模拟方法,研究了SiC/Al靶板在抗侵彻过程中不同典型局部微区内的动态微结构损伤及失效过程。研究表明:在弹着点正下方位置,多个裂纹源萌生于两相界面处靠近陶瓷相一侧,随后沿与弹道平行的方向扩展并形成轴向主裂纹;在与弹体轴线呈45°位置,裂纹除了在靠近界面处的陶瓷相一侧萌生外,在陶瓷相内部也出现了与弹道方向垂直的多条水平裂纹,界面裂纹与水平裂纹进一步扩展并桥连成多个锥形主裂纹。相关模拟方法为将来该类材料的微结构优化提供了一种新的技术途径。

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。