熔融渗硅工艺制备的SiCf/SiC复合材料微观结构与性能

SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料（SiC_f/SiC复合材料）在航空发动机热端部件方面具有重要应用。本文以第二代碳化硅纤维为增强材料,采用熔融渗硅工艺制备出SiC_f/SiC复合材料,测试复合材料的基本物理性能及常规力学性能,并利用Micro-CT、SEM对试样的微观结构和断面进行了表征分析。结果显示：SiC_f/SiC复合材料的体积密度为2.78 g/cm³,开气孔率小于2.0%,基体较为致密,1 200 ℃时热导率（厚度方向）为14.30 W/（m?K）,室温~1 200 ℃厚度方向和面内方向的线胀率分别为0.59%、0.56%,平均热胀系数分别为5.02×10^-6、4.73×10^-6/K;室温面内拉伸强度典型值为317 MPa,SEM显示试样断面具有明显的纤维拔出效应,弯曲强度和层间拉伸强度典型值分别达794和49 MPa。     

反应熔渗制备Cf/C-ZrC-SiC复合材料微观结构及抗烧蚀性能

通过反应熔渗（RMI）方式，以缝合碳纤维预制体和Si-Zr合金作为反应物，制备得到C_f/C-ZrC-SiC复合材料，并利用SEM-EDS和XRD系统分析了复合材料的微观结构，可以明确SiC-ZrC陶瓷基体在材料内部分布比较均匀且致密度较高。得益于上述基体结构，C_f/C-ZrC-SiC复合材料的弯曲强度和模量分别达到323.2 MPa和46.6 GPa，表现为韧性断裂。采用氧乙炔实验进行抗烧蚀测试，在表面温度为18 00~1 900 ℃下，ZrC含量较多的C_f/C-ZrC-SiC复合材料质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.263 mg/s和2.367 μm/s，ZrC含量较少的C_f/C-SiC-ZrC复合材料分别为2.056 mg/s和5.067 μm/s，C_f/C-ZrC-SiC复合材料表现出更加优异的抗烧蚀性能。     

加工工艺对C/ SiC 复合材料性能的影响

采用普通磨削和超声辅助磨削工艺对C/Si C复合材料进行加工,对不同加工工艺参数获得的C/Si C复合材料进行表面状态表征及力学性能的测试。结果显示在磨削深度0.05 mm,进给速度600 mm/h,转速1 600 r/min,超声频率14 k Hz的工艺参数匹配条件下,所得到的C/Si C复合材料的表面粗糙度最小,弯曲强度最大。表明超声辅助磨削加工工艺对材料力学性能损伤较小。     

连续SiCf/TC17复合材料室温偏轴拉伸性能研究

采用磁控溅射法结合热等静压工艺制备SiC_f/TC17复合材料,通过SEM观察试样的断口形貌,研究了复合材料在室温的偏轴拉伸性能及断裂机制。结果表明：纤维偏轴角度在0°~2°间,复合材料轴向性能变化较小,拉伸强度稳定在1 960~1 987 MPa;纤维偏轴角度再增大时（＞2°）,材料拉伸强度近似呈单调线性降低,由1 870 MPa降至1 797 MPa。纤维偏轴角度较小时（≤2°）,平坦区基体与纤维断裂面平整,且两者的断裂面平行。纤维/基体界面没有明显的脱粘破碎迹象;纤维偏轴角度较大时（＞2°）,部分纤维存在“斜切断裂”,纤维拔出距离变长,且不再与基体的断裂面保持在同一平面,基体撕裂损伤严重。依据断口形貌结合局部承载模型,详细论述了SiC_f/TC17复合材料两种拉伸失效的断裂过程。纤维偏轴角度较小时（≤2°）,裂纹萌生于纤维间距较小的反应层,在界面处钝化或偏转进而形成不同截面的平坦区,当纤维超过承载能力极限,试样整体断裂;纤维偏轴角度较大时（＞2°）,“拉-剪”耦合效应导致C涂层与反应层间的界面脱粘破碎形成裂纹源,裂纹加速反应层受损或导致界面脱粘致使纤维断裂,当基体及剩余纤维超过承载能力极限,试样整体断裂。     

高体积分数SiCp/Al激光诱导氧化辅助铣削研究

为了解决高体积分数的SiC_p/Al复合材料在常规切削加工中存在切削力大、刀具磨损快、表面完整性差等问题。本文针对高体积分数SiC_p/Al材料开展激光诱导氧化辅助铣削技术研究，通过激光辐照铣削区域形成易于去除的疏松氧化层提高切削性能，同时开展氧化层调控策略及激光诱导氧化辅助下的铣削参数优化工艺研究，研究不同激光能量密度、辅助气体对氧化层质量的影响及铣削参数优化。结果表明随激光能量密度的增大热影响区宽度和烧蚀沟槽深度随之增加，在氧气辅助下易形成疏松且易于去除氧化层。选取较高的激光能量密度可获得较好的氧化效果，而使用PCD金刚石铣刀，主轴转速为10 000 r/min，在每齿进给量为7.5 μm /s可获得最佳表面质量。     

KMnO4对空间探测用SiC反射镜加工性能影响规律

SiC陶瓷作为新一代具有优异综合性能的反射镜材料,已在空间相机反射镜中得到了广泛应用。在SiC光学加工后期,需要进行表面改性以降低表面粗糙度提升表面质量,这将直接影响SiC反射镜的加工精度和周期,因此,有必要对其优化改进加工工艺。本文引入KMnO₄添加剂,分析了参与反应的化学反应机理,强氧化性在SiC试样表面发生化学反应,降低了金刚石微粉对SiC反射镜的磨削去量,实现了降低表面粗糙度的目的。通过工艺实验得以验证,系列金刚石微粉抛光Φ200 mm口径常压烧结SiC反射镜,添加KMnO₄后表面粗糙度相应减小,W7磨料达到了单独使用W3磨料抛光表面粗糙度的效果,W0.1磨料抛光后表面粗糙度S_q达到1.628 nm（4D,10×）,优于抛光表面改性SiC超光滑表面质量。KMnO₄添加剂的引入实现了SiC反射镜高效、高精度光学加工的目的。     

AFRP激光-铣削组合加工及其工艺参数优化研究

针对芳纶纤维增强复合材料（AFRP）加工中极易出现抽丝拉毛、烧蚀等问题，提出采用激光-铣削组合加工的工艺方法对AFRP进行试验研究，优化AFRP激光-铣削组合加工工艺参数。试验表明：与铣削加工相比，激光-铣削组合加工的切削温度更低，切削力以及毛刺因子更小，且在加工中切削力波动幅度小，铣削平稳；AFRP激光-铣削组合加工中的最佳激光工艺参数为：激光功率P=20 W，扫描速度v=3 mm/s，脉冲宽度L_f=60 ns，重复频率f=50 kHz；最佳铣削工艺参数为：主轴转速n=2 000 r/min，进给速度v_f=105 mm/min，切削深度a_p=0.5 mm。     

Al2O3/ZrO2(n)微纳米复合陶瓷超声振动精密磨削表面微观特征试验研究

 基于Al₂O₃/ZrO₂（n）微纳米复合陶瓷的“晶内型”微观结构，应用原子力显微镜(AFM)重点分析了微 纳米复合陶瓷二维超声振动磨削表面微观形貌。结合磨削表面X射线衍射定性分析与定量计算，研究了“晶内型”微纳米复合陶瓷材料超精密振动磨削表面变质层结构。X射线衍射分析表明：二维振动磨削和普通磨削表面均以α-Al₂O₃和四方相ZrO₂为主，存在少量单斜相ZrO₂，磨削表面无非晶相产生；磨削表层和基体之间的过渡层的X射线衍射峰具有半峰宽化现象。AFM分析结果表明：细粒度金刚石砂轮普通磨削和振动磨削表面均无微裂纹和断裂破碎，磨削表面粗糙度是由不同幅值的多种波形叠加的结果；AFM轮廓特征分析表明：二维超声振动磨削表面峰谷较均匀，磨削表面均匀一致性优于普通磨削表面；材料晶化过程中产生的固有缺陷是限制硬脆材料近纳米表面形成的重要因素。     

高体积比铝基SiC复合材料的铣磨试验研究

为了改善高体积比铝基SiC复合材料的可加工性,提高加工效率,本文对高体积比铝基SiC复合材料进行了平面铣磨加工试验研究.试验结果表明,高体积比铝基SiC复合材料在铣磨加工中主要表现为脆性材料的特性,电镀金刚石砂轮在磨削过程中不会出现磨屑粘附现象.SiC颗粒的破损程度是影响表面粗糙度的主要因素,并且在相同磨削参数和条件的情况下随着颗粒的破损程度、砂轮粒度的增大和进给速度vf的降低,磨削表面的粗糙度值会逐渐减小.在给定其他试验参数的情况下,120#的φ8mm电镀砂轮适合进行粗磨,并且磨削的材料去除率能够达到2400mm3/min,同时进给抗力Fz小于25N,磨宽抗力Fx和磨深抗力Fy小于15N.使用230#的φ8mm电镀砂轮进行精磨能够保证表面形成率达到6400mm2/min,并使表面粗糙度优于Ra0.4μm.     

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%。     

气氧/甲烷与气氢/气氧喷注器燃烧特性对比研究

为了获得气氧/甲烷与气氢/气氧两种推进剂组合燃烧特性的异同,将氢/氧气-气啧注器的设计经验用于气氧/甲烷气-气喷注器设计,在同一燃烧室中针对气氧/甲烷与气氢/气氧同轴剪切喷注器燃烧特性开展了数值仿真与试验研究.结果表明:在喷注器设计参数相似的情况下,气氧/甲烷喷注器尺寸与气氢/气氧喷注器尺寸相当;在相同的燃烧室设计压力、结构尺寸,以及两种推进剂组合均完全燃烧的情况下,要产生相同的推力,气氧/甲烷(混合比3.5)推进剂流量约为氢/氧(混合比6.0)推进剂流量的1.27倍,气氧/甲烷燃烧所需燃烧室特征长度约为氢/氧燃烧室特征长度的1.48倍,气氧/甲烷燃烧室壁面热载约为氢/氧燃烧室壁面热载的一半.     

g-C3N4/Fe2O3复合催化剂的表征及其对AP的催化作用

为了改善固体推进剂中高氯酸铵（AP）热分解性能,降低其热分解温度,利用SEM,XRD,FT-IR对原位制备的g-C₃N₄/Fe₂O₃复合催化剂的形貌和结构进行了表征,通过差示扫描量热法（DSC）考察了催化剂对AP 热分解的催化效果。结果表明：g-C₃N₄/Fe₂O₃复合结构完整,Fe₂O₃颗粒紧密负载在g-C₃N₄上;加入不同质量分数的复合催化剂,AP的低温分解峰和高温分解峰都明显降低,且随着催化剂加入量的增加催化效果增强;加入复合催化剂质量分数5%时,高温分解峰和低温分解峰分别降低到348.1℃和281.7℃,表明g-C₃N₄/Fe₂O₃复合催化剂可有效降低AP的热分解温度,改善其热分解性能。     

层状Ti3C2Tx/水性聚氨酯复合双层薄膜的制备及电磁屏蔽性能

采用交替真空抽滤制备Ti_3C_2T_x MXene/WPU复合双层薄膜,用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征了微观形貌,X射线衍射仪(XRD)测试了晶体结构,通过矢量网络分析仪测试了电磁屏蔽性能。结果表明,可以通过超声离心制备出少层Ti_3C_2T_x;复合双层薄膜具有高韧性、高导电性以及优异的电磁屏蔽性能,表面电阻为3.57Ω;电磁屏蔽性能结果表明,MWPU_(3:1)的复合薄膜屏蔽性能为37.9 dB。在X波段与K波段,MWPU_(3:1)复合薄膜性能较为优异,且复合薄膜是吸收型电磁屏蔽材料。     

Ti2AlC/TiB2/TiC复相陶瓷的制备及性能研究

采用SHS法合成了Ti_2Al C、TiB_2、TiC三相复合陶瓷粉体;应用SPS技术制备了Ti_2AlC/TiB_2/TiC块体复相陶瓷材料;采用XRD、SEM和EDS等手段对复相材料的相组成、微观形貌进行了分析。研究结果表明:在所制备的复相块体陶瓷中,Ti2Al C为基体相,TiB_2和TiC弥散分布于基体相中;复相块体陶瓷具有高的致密度,为99.6%;显微硬度平均为12.96 GPa;断裂韧性为45.28 MPa·m~(1/2),这为下一步研究其可加工性提供了实验依据。     

前驱体法制备Ta4HfC5超纯超细纳米粉体

利用实验室自制铪酸酯和钽酸酯为原料,经水解缩合后得到了含铪钽元素的聚合物PHT,引入酚醛(PF)作为C源,制备了Ta_4HfC_5前驱体,经固化、高温裂解后,获得了超纯超细Ta_4HfC_5纳米粉体。通过XRD、元素分析和SEM对不同工艺条件下陶瓷产物的晶相组成和微观形貌进行了表征;对陶瓷粉体进行了粒度分析。结果表明,合成的前驱体结构稳定,常温避光储存3个月后黏度几乎没有变化,对于复材加工的工艺适应性良好。在酚醛用量3.25 wt%(以PHT质量分数100%计算)、煅烧温度为1 450℃、保温时间为1.5 h的合成条件下,可以得到纯相的Ta_4HfC_5粉体,晶粒尺寸为25～50 nm,粒径分布在100～200 nm之间,Dv(50)=136 nm。     

透波性Si3N4陶瓷铣削加工表面边缘破损实验研究

针对透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工过程中易出现边缘破损现象,通过不同铣削深度实验研究了边缘破损类型、产生位置以及切深对边缘破损影响,并分析了边缘破损产生机理,最后提出了边缘破损控制方法。结果表明:当切深为0.4~0.8 mm时,边缘破损主要集中于出口棱边和入刀侧边;且脆性域加工过程中随着切深的增加,边缘破损程度呈现增大趋势;降低切深至≤0.3 mm且采用跟随周边走刀方式,并保证入刀处刀尖线速度方向与进给方向夹角不小于90°,可以有效控制边缘破损。研究为提高透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工表面质量提供了技术支撑。     

SiC/SiBCN-Si3N4复合材料力学性能研究

为了深入了解SiC/SiBCN-Si₃N₄材料微观形貌与高温力学行为,建立科学可靠的定量表征方法,本文使用多种表征手段对SiC/SiBCN-Si₃N₄材料进行定量观测,首先进行材料孔隙率及密度的测试,随后进行材料高温原位力学性能测试并对材料损伤机理进行了分析,最后基于试验数据构建了一种可解释的深度学习模型,实现了材料高温非线性本构关系预测。样件力学性能分析结果表明：平均应力预测误差为0.27%~0.59%、平均应变预测误差为1.96%~3.41%;同时通过量化分析明确了影响力学性能的因素依次为温度、偏轴角度、孔隙率及密度。本文实现了不同环境温度、偏轴角度与外载荷作用下SiC/SiBCN-Si₃N₄宏观力学性能的预测,可为陶瓷基复合材料高温本构模型的建立提供新思路。     

激光毛化对Cf/SiC与TC4钎焊接头组织及性能的影响

由于线胀系数差异大,Cf/Si C复合材料与TC4钛合金钎焊接头容易形成较大的内应力而开裂失效。为了进一步提高接头强度,应用激光毛化工艺在Cf/Si C表面烧蚀出微孔,采用银基钎料对Cf/Si C与TC4进行钎焊。焊后对接头力学性能进行测试,对接头界面及断口显微组织进行观察。结果表明:焊前对Cf/Si C表面进行激光毛化处理,钎料能够填充微孔并形成良好的钎焊界面,能够提高Cf/Si C与TC4钎焊接头的剪切强度。     

切削参数对SiCp/Al复合材料铣削棱边形貌的影响

针对20vol%的SiC_p/Al复合材料的棱边缺陷问题,利用单因素实验对其进行面铣,研究了切削参数对出口棱边形貌的影响。研究结果表明:出口棱边形貌受铣削速度变化的影响较大,在低速(40和80 m/min)和高速(200 m/min)时棱边形貌均较好;当进给量为0.02和0.04 mm/r时,出口棱边主要存在毛刺。随着进给量的不断增大,棱边出现了严重的缺陷和表层剥落,之后棱边又以少量的毛刺和缺陷为主。当只改变轴向切深时,出口棱边均会出现严重的缺陷,只改变轴向切深对改善棱边形貌质量效果不显著。因此,当铣削速度为低速或高速、进给量较小且轴向切深适中时,SiC_p/Al才能获得较好的出口棱边形貌。     

铣削加工参数对SiCp/Al复合材料表面粗糙度的影响

文摘SiC_p/Al复合材料在切削加工中存在严重的表面质量问题。本文设计单因素试验,采用硬质合金涂层刀具对SiC_p/Al复合材料进行铣削加工,研究了加工参数对表面粗糙度的影响。结果表明:表面粗糙度随切削速度的增大先增大后减小,随进给量、径向切深、轴向切深的增大而增大;使用较大的切削速度、较小的进给量和不大于4 mm的径向切深能获得较好的加工表面质量。