PIP工艺制备SiC晶须增强SiCf/SiC复合材料的性能

以不同界面层厚度的SiC纤维为增强相,采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备SiC_f(PyC)/SiC复合材料,并在复合材料基体中引入SiC晶须,对其性能进行研究。结果表明:热解碳(PyC)界面层厚度约为230 nm时,SiC纤维拔出明显,SiC_f/SiC复合材料拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别达到192.3 MPa、446.9 MPa和11.4 MPa?m^1/2;在SiC_f/SiC复合材料基体中引入SiC晶须后,晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等增韧机制增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗,使复合材料的断裂韧度和弯曲强度分别提高了22.9%和9.1%。     

SiCp/Al复合材料低损伤表面切削加工研究与进展

SiC_p/Al复合材料属于典型的难加工材料,其SiC颗粒增强相的存在使得切削加工时材料已加工表面极易出现基体撕裂、微裂纹、微空穴等缺陷。为了实现SiC_p/Al复合材料的高效低损伤加工,从切屑形成机制、表面完整性和刀具磨损等方面总结SiC_p/Al复合材料切削加工性能及其影响因素,研究表明,该材料增强相颗粒去除方式和去除机理对表面形成过程影响显著;探讨了SiC_p/Al复合材料塑性域加工机理和塑脆转换临界条件获取方面的研究进展,综述了表征SiC_p/Al动态力学性能的宏微观建模方法,分析了多尺度多相耦合切削加工有限元仿真的热点和难点问题;指出了低温微切削、超声辅助微切削、激光辅助微切削等是实现SiC_p/Al复合材料协调变形和塑性域加工工艺条件的发展方向。     

单向SiC/SiC复合材料拉伸行为模拟研究

理解单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的损伤破坏机制对掌握SiC/SiC复合材料的力学行为有着至关重要的意义。本文构建了一个单向SiC/SiC复合材料微观二维有限元模型,基于强度判定模拟纤维随机断裂过程;基于内聚力模型模拟界面脱粘现象;特别针对基体裂纹现象,通过均匀质方法和断裂能释放率建立了基体的连续介质损伤模型。结果显示,模型成功模拟了单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的微观破坏机制和宏观力学行为。基体裂纹、纤维断裂、界面脱粘这3种微观破坏机制之间共同作用、相互影响,最终造成了材料整体的失效。本文中获得的结果将有助于进一步理解单向SiC/SiC复合材料拉伸行为,有利于材料性能的提高。     

SiCp/A356复合材料的细观损伤及混联失效模型

采用SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘本体取样,对SiC颗粒增强铝基复合材料在室温和高温条件下的细观损伤断裂机制进行研究。在试样断口上,通过扫描电镜观察到裂纹的萌生和扩展,SiC颗粒和裂纹扩展面的改变对裂纹生长的阻滞作用和以SiC颗粒为中心的辐射状疲劳条纹。提出一种颗粒增强复合材料的细观损伤混联模型,用于解释材料细观裂纹的萌生和扩展。     

连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展

连续SiC纤维增强钛基(SiC_f/Ti)复合材料具有比强度高、比模量高、耐高温等特点,在航空航天领域具有重要的应用前景。本文总结了SiCf/Ti复合材料的应用、制备、性能调控和检测技术,并提出了SiCf/Ti复合材料未来需要突破的瓶颈问题。SiC_f/Ti复合材料单向性能优异,在环类转动件(叶环、涡轮盘等)、杆件(涡轮轴、连杆、紧固件等)以及板类构件(飞机蒙皮等)具有明显应用优势。常用的SiC_f/Ti复合材料的制备方法有箔压法和基体涂层法,箔压法适合制备板类结构件,基体涂层法适用于缠绕形式的结构件,如环、盘以及杆等。SiC_f/Ti复合材料的性能主要取决于SiC纤维、钛合金基体以及纤维/基体界面。SiC纤维微观结构和性能对制备工艺具有较强的敏感性,通过反应器结构和沉积条件调控获得性能稳定的SiC纤维是研究重点之一。钛合金基体可通过物理气相沉积的方法涂敷到纤维表面,制备出钛合金先驱丝,这是后续制备出高质量构件的关键。界面微观结构、热稳定性、力学性能与纤维表面的涂层密切相关,因此涂层种类和结构调控是SiC<...     

SiCf/TC17复合材料制备方法对界面反应层生长动力学的影响

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_f/Ti复合材料)具有良好的比强度和综合力学性能，是新一代装备研制备受关注的轻质高温结构材料。SiC_f/Ti复合材料可采用箔压法(FFF)和基体涂层法(MCF)进行制备，为对比两种工艺方法对其界面反应生长的影响，采用FFF和MCF分别制备SiC_f/TC17复合材料。对两种工艺制备的SiC_f/TC17复合材料在高温下(800～900℃)进行热暴露处理，通过扫描电镜对其微观结构及界面反应层厚度进行分析，获得界面反应层在高温下的生长速率，并进一步获得不同制备工艺状态下材料的界面反应动力学参数。结果表明：相同温度下MCF法制备的SiC_f/TC17复合材料界面反应速率大于FFF法制备的复合材料，前者的反应速率因子k₀为4.942×10^-3 m/s^1/2，反应激活能Q为276.3 kJ/mol，后者的界面反应速率因子k₀为8.149×10^-3 ...     

单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

等离子喷涂(RE–Al)TaO4钽酸盐环境障涂层性能研究

陶瓷基复合材料作为广泛应用于航空航天领域的先进结构材料,在实际服役环境中依赖于环境障涂层的保护作用,钽酸盐以其优异的高温热–力学性能和与陶瓷基复合材料适配的热膨胀系数((3.5～5.5)×10^–6 K^–1)成为极具潜力的环境障涂层材料。通过大气等离子喷涂(Atmospheric plasma spraying,APS)工艺在碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(SiC_f/SiC)表面成功制备了(AlTa_x)B_2–2xO₄/(RE–Al)TaO₄复合涂层,探索了涂层的最佳热处理工艺条件,同时对不同涂层结构方案的复合材料涂层试样进行1300℃热疲劳考核和弯曲强度测试,筛选出具有最优抗热疲劳性能的涂层结构,并通过XRD、SEM以及金相显微镜对涂层的表面形貌、裂纹扩展及元素分布进行了分析表征,相对于传统材料涂层,钽酸盐复合涂层以其在高温下优越的综合性能成为极具潜力的环境障涂层。     

环境温度对二维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响研究

为了研究环境温度对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响，在室温和800℃，1 000℃，1 200℃惰性气体保护环境下开展了二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸试验。采用数字图像相关技术采集了高温环境下试件的变形数据。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄了试件的断口形貌。结果表明：800～1 200℃内，二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸应力-应变响应同样具有明显的双线性特征，初始线性段的弹性模量与室温测试结果相近，高温环境下第二线性段弹性模量低于室温环境；800～1 200℃惰性气体环境下材料拉伸强度较室温环境低20%左右；温度主要影响材料中纤维与基体的结合状态和SiC纤维的强度。一方面，温度越高断口纤维拔出情况越严重；另一方面，温度越高SiC纤维强度越低，二维编织SiC/SiC复合材料强度也有所下降。     

超高温陶瓷改性C/SiC复合材料的制备及其性能

以碳纤维为增强体,聚碳硅烷和聚烷基铪为前驱体,采用前驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备C/Si C-HfC复合材料,将其与同种工艺所得C/SiC复合材料进行对比评价分析。发现C/SiC-HfC复合材料具有较低密度和较好的高温力学性能,且在1 650℃静态氧化实验中,含有HfC的基体对纤维具有更佳保护效果。C/SiC-HfC密度约为1.92 g/cm~3,常温弯曲强度为345 MPa,1 800℃高温无氧环境弯曲强度可达424 MPa。C/SiC-HfC复合材料表现出更加优异高温力学性能是由于HfC组分的添加抑制了SiC晶粒的生长,降低了基体内部较大裂纹产生的概率。在1 650℃空气环境下,含有HfC的基体对纤维具有更佳保护作用,主要是由于HfC组分的添加使材料表面的SiC及时氧化成SiO_2,SiO_2在纤维和基体表面形成包覆层,防止了材料内部的进一步氧化。     

C/SiC复合材料的制备及加工技术研究进展

碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料由于其强度高、硬度大、耐磨损,被广泛应用于工业、航空航天等领域,然而C/SiC复合材料难以被稳定地去除加工。本文综述C/SiC复合材料的常见制备方式及其材料的性能特点。概述C/SiC复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工等加工方法,分析了各种加工方法的材料去除机理、加工精度、常见缺陷及加工过程中存在的问题。传统的机械加工需进一步优选切削刀具材料;超声辅助加工需探究超声振动的刀具与材料之间的耦合作用机制、振动作用下的材料去除机理;激光加工要进一步研究2.5维及3维C/SiC复合材料的激光加工去除机理。在这些研究的基础上进一步采用复合加工的方法,探寻C/SiC复合材料高效、精密、稳定和无损加工的可能性。     

复合材料界面对其断裂过程影响的有限元研究

采用了有限元方法研究了裂纹在陶瓷基复合材料中扩展和偏转过程,探讨了界面对陶瓷基复合材料失效模式的影响.采用的界面模型考虑界面的分离势和基体与纤维间的摩擦.结果表明,在界面结合强度一定的条件下,随着基体弹性模量的不断增大,材料的断裂功也随之增大,材料的韧性和抗热震性能也就随之提高.     

进给速度对MI工艺制备SiCf/SiC复合材料加工损伤的影响

采用超声辅助磨削对MI工艺制备的SiC_f/SiC复合材料表面进行磨削加工，研究了进给速度对复合材料性能的影响。结果表明：采用超声辅助磨削加工SiC_f/SiC复合材料表面时，加工区域出现纤维脱粘、断裂、破碎及基体裂纹和脱落现象，且纤维与基体界面会有裂纹产生。当进给速度提高时，复合材料表面损伤加重，导致其比例极限强度和最大载荷降低。进给速度由400 mm/min提高至1 000 mm/min时，SiC_f/SiC复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别降低4.7%和20.6%。     

石墨填料对浸渗热解-熔融浸渗方法制备的C/SiC复合材料结构和性能的影响

采用石墨树脂浆料浸渍三维针刺碳毡增强体,热解后得到C/C多孔体,并采用反应熔体浸渗法制备C/SiC复合材料。研究了石墨填料对C/C多孔体的结构以及C/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明,石墨树脂浆料浸渍时树脂填充束间小孔形成结构致密的亚结构单元,而石墨可以有效填充胎网层等大孔隙,一次浸渍热解后碳产率有效提高。所得C/SiC复合材料包括C、SiC和Si三相,由于亚结构单元的存在,熔融Si并未渗入纤维束内部,束内碳纤维未受损伤。片层石墨的存在使碳基体/石墨和纤维结合强度提高、纤维脱粘拔出阻力增大,从而使材料强度提高;而且石墨可以使裂纹在扩展时发生偏转,从而避免了复合材料脆性断裂,使其呈现出类似金属的伪塑性断裂行为。制备出的C/SiC复合材料的弯曲断裂强度为118 MPa,最大应变可达1.0%。     

Ti2AlNb切削切屑形成过程近场动力学仿真及试验研究

利用非局部作用思想的近场动力学理论,可以通过求解空间积分方程描述物质点运动规律,准确描述切削过程材料剧烈塑性变形导致的裂纹扩展和断裂破坏行为。本文基于常规态基近场动力学方法构建Ti₂AlNb弹塑性本构模型,融合材料失效和接触准则,求解离散处理的近场动力学基本运动方程,建立了适用于Ti₂AlNb切削仿真研究的态型近场动力学数值模型,模拟分析了Ti₂AlNb直角切削切屑形成过程。通过试验验证,表明近场动力学仿真可以准确模拟Ti₂AlNb切削切屑形成过程中材料变形和损伤演化规律。本方法预测的切屑形成剪切角40.23°与试验结果 38.89°相比,误差为3.45%;定义损伤空间分布的半峰宽值(FWHM)为切削第1变形区宽度,其预测值为0.06mm,预测误差小于7%。     

3DC／SiC复合材料基体裂纹间距分布规律

采用χ~2拟合优度检验方法对不同界面层厚度的3D C/SiC复合材料基体中裂纹分布进行了研究,结果表明,3D C/SiC复合材料纤维束间基体裂纹间距服从正态分布,而且这种分布是由3D复合材料的编织方式决定的。     

不同纤维束下SiC陶瓷基复合材料拉伸强度及拉伸行为研究

为了探究C纤维和SiC纤维对SiC陶瓷基复合材料力学性能的影响,采用化学气相浸渗法(CVI)制备了纤维束复合材料Mini-C/SiC和Mini-SiC/SiC,测试了C纤维束、SiC纤维束、Mini-C/SiC和Mini-SiC/SiC复合材料的拉伸强度,利用两参数Weibull分布模型研究了强度分布,并观察了复合材料的断口形貌。结果表明:两参数Weibull分布可有效合理地表征强度分布,并准确地进行强度预测。Mini-C/SiC复合材料的拉伸强度高于Mini-SiC/SiC复合材料,且C纤维束和Mini-C/SiC复合材料拉伸强度的分散性低于SiC纤维束和Mini-SiC/SiC复合材料。C纤维束发生韧性断裂,SiC纤维束发生脆性断裂。当基体裂纹达到饱和状态时,Mini-C/SiC复合材料继续变形直至断裂,而Mini-SiC/SiC复合材料随即发生断裂,Mini-C/SiC复合材料的断口主要以纤维丝和纤维簇的拔出为主,而Mini-SiC/SiC复合材料的断口主要以纤维丝的拔出为主。该实验结果将为SiC陶瓷基复合材料的设计与制备提供参考与借鉴。     

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

SiC/SiC复合材料MI工艺制备技术

以碳化硅纤维或其他无机纤维复合陶瓷基体的新型材料兼具纤维与陶瓷的优点,具备高比强度、高比模量、抗氧化、耐烧蚀等优势,是下一代商用航空发动机耐热结构件的理想材料。以连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料为代表的CMC,作为热端部件首选的复合材料,与传统的高温合金相比,其优势在于拥有更低的密度和更高的耐温能力。     

纤维增强SiC陶瓷基复合材料加工技术研究进展北大核心CSCD

纤维增强SiC陶瓷基复合材料具有密度低、强度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优点,在航空航天及其他高温条件使用领域具有广泛的应用潜力。然而难加工特点制约了这类材料的广泛使用。由于存在硬度高、脆性大和各向异性特点,高精度低损伤加工成为其工程应用必须解决的关键技术之一。本文主要综述了近年来纤维增强SiC陶瓷基复合材料加工技术研究进展,综合分析了不同加工方法的加工原理、理论模型构建、工艺参数优化、表面质量控制与损伤形成机制等,讨论了当前存在的主要问题,对未来研究方向提出了发展与展望。