我国碳纤维增强SiC基复合材料抗烧蚀改性进展研究

碳纤维增强SiC基复合材料(C/SiC)因具有耐高温、抗氧化、高比强和高比模等优点,被认为是代替高温合金作为热结构材料最有潜力的备选材料之一。由于碳纤维抗氧化性能差以及SiC基体在超高温烧蚀环境下氧化产物易挥发等问题,需要对C/SiC复合材料进行抗烧蚀改性。目前,针对C/SiC复合材料抗烧蚀改性的途径主要有优化碳纤维预制体结构和增加复合材料的致密度、采用超高温陶瓷改性SiC基体以及在复合材料表面制备抗烧蚀涂层。综述了国内关于C/SiC复合材料抗烧蚀改性的研究工作,同时提出了抗烧蚀改性制备工艺过程中面临的关键问题,为C/SiC复合材料抗烧蚀改性研究提供了思路。     

C／SiC复合材料与Nb的液相渗透连接

研究了不同编织方法的C/SiC复合材料与金属Nb的连接情况。采用液相渗透连接方法以Ni基连接剂为中间层在1300℃、保温时间45min、压力20MPa、真空条件下分别对二维、三维C/SiC复合材料与金属Nb进行了连接。结果表明二维C/SiC复合材料与金属Nb不能得到较好的连接,整个连接件在由连接温度降温到室温过程中已发生脱离现象;而三维C/SiC复合材料与Nb金属连接良好。     

C/SiC复合材料螺钉拉伸强度分布模型

C/SiC复合材料螺钉是在高超声速飞行器上应用越来越广泛的一类重要紧固件,但其拉伸性能存在较大散差,分布规律尚不明确,给材料选用和结构设计带来了很大困难。本文采用电子万能试验机对M8、M10、M12三种规格的平头C/SiC复合材料螺钉进行力学性能试验,并分析了拉伸强度的分布规律。在此基础上应用双参数Weibull模型对统计数据进行拟合,并对拟合结果进行了柯尔莫哥洛夫检验。结果表明:C/SiC复合材料螺钉的拉伸性能分布满足双参数Weibull模型,其特征强度β为212 MPa,形状参数α为9. 45,可以据此进行复合材料许用强度设计。     

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。     

C/C和C/SiC复合材料的夏比冲击性能研究

使用夏比摆锤冲击试验机对C/C和C/SiC两种复合材料进行了冲击试验,打击瞬时线速率为2.9 m/s,刀刃半径为2 mm.使用光学显微镜和扫描电子显微镜观察了试样断口形貌.结果表明:C/C和C/SiC两种复合材料的夏比冲击能量随着材料密度的增加而减小,冲击能量与密度基本呈线性关系.密度低的C/C和C/SiC复合材料冲击...     

C/SiC复合材料在空气中的氧化烧蚀

针对C/SiC复合材料进行了空气工作环境下的烧蚀研究。分析了C/SiC复合材料的氧化机理,研究了C/SiC材料的氧化烧蚀的影响因素。根据氧化机理,对不同温度下材料的氧化烧蚀进行了模拟,针对SiC材料建立了相应氧化剥蚀模型,并对平板材料的氧化情况进行了模拟计算,将计算结果进行剥蚀情况和非剥蚀情况下的比较讨论。计算结果表明,在不同的温度下C/SiC复合材料的氧化有不同的控制机理,SiO2层的剥蚀将导致SiC材料的氧化烧蚀率增加。     

SiC/SiC复合材料涡轮叶片结构设计及静强度评价

以高温合金低压涡轮叶片为原型，研究了采用SiC/SiC复合材料进行该型涡轮叶片结构设计的可行性。完成了SiC/SiC叶片的宏观设计、榫头设计和细节设计。计算分析了金属和复合材料涡轮叶片的变形和应力特点。对按设计制备的SiC/SiC叶片开展了拉伸强度测试，并在试验中监测了叶片的应变。计算结果表明：SiC/SiC叶片在额定状态下的伸长量低于原金属叶片；叶身叶根与缘板过渡处应力水平最高，但低于SiC/SiC复合材料的拉伸强度；榫头榫颈处有发生局部剪切破坏的风险。试验结果表明：该SiC/SiC叶片的断裂明显呈现出拉伸失效模式，以断裂转速计算的静强度储备系数约为1.3；所采用的SiC/SiC叶片结构设计方法可行，所制备的复合材料叶片也顺利通过了实验室条件下的静强度考核。     

冲压发动机针刺C/SiC喷管的烧蚀行为研究

为探索C/SiC喷管在固液冲压发动机上应用的可行性以及固液冲压发动机工作环境下的烧蚀行为,对冲压发动机针刺C/SiC复合材料喷管进行了研究.研究结果表明:针刺C/SiC复合材料喷管能够适应冲压发动机富氧、长时间的工作环境;C/SiC复合材料喷管入口段和扩张段存在轻微的氧化,喉部以热化学烧蚀为主,收敛段以热化学烧蚀和热机械侵蚀为主;收敛段为整个喷管的薄弱环节,应根据不同的工作条件和烧蚀机理,对C/SiC喷管的厚度进行分别设计.     

冲压发动机C/SiC喷管沉积特性研究

为了探索冲压发动机C/SiC复合材料喷管的沉积特性,从C/SiC喷管不同的型面结构、不同试验状态以及不同的燃烧室状态等方面进行了研究。研究表明:C/SiC复合材料喷管的型面结构对喷管固体颗粒的沉积影响较小,可以忽略;试验状态和燃烧室状态对C/SiC复合材料喷管固体颗粒的沉积影响较大,喷管不容易产生沉积;在高空状态、复合材料燃烧室状态下,喷管扩张段容易产生沉积,且当扩张段欠膨胀时,加剧沉积。      

碳／碳化硅复合材料摩擦磨损性能分析

采用化学气相渗透法制备了碳纤维增强碳化硅(C/C SiC)陶瓷基复合材料,得到不同密度和组分含量的C/C SiC刹车盘试样。对C/C SiC复合材料进行了摩擦磨损性能测试,平均摩擦系数达到 0 23,摩擦稳定性达到0 43,线性磨损率为 9 3μm/次·面,质量磨损率为 2 6mg/次·面。当C/C SiC复合材料的密度增大 (1 6g·cm-3→2 2g·cm-3 ),碳含量增大(35%→55% ),摩擦系数和稳定性提高(约 70% ),且摩擦系数随制动次数增加的波动幅度减小;SiC含量升高则反之。C/C SiC复合材料经过多次刹停测试,摩擦系数对制动次数不敏感,表现出良好的摩擦稳定性。经过连续刹车试验,摩擦系数不随表面的起始和最终温度升高而衰退,材料尚无热衰竭趋势。对C/C SiC刹车盘试样的磨损表面形貌及缺陷进行了观察,发现表面磨损质量在航标允许范围内。     

含缺陷C/SiC平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

采用APDL语言实现ANSYS的二次开发,建立含预制缺陷的纤维束截面卵圆形多尺度单胞模型。首先计算纤维束单胞的初始模量,强度以及最大应变;随后利用扫描电镜图中的缺陷建立单胞模型,并引入周期性边界条件,预测材料的初始各向材料常数。同时利用Linde提出的逐渐损伤准则,进行单轴拉伸力学行为的数值模拟,并阐述该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。该模型计算得到的最大拉应度为0.65%,强度为256.46 MPa。结果表明,该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好,证明了模型的有效性,为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。     

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。     

C／SiC复合材料与CVDSiC涂层的结合性能研究

采用先驱体转化法(PIP方法)制备C/SiC陶瓷基复合材料,通过调整多孔预制件的体积密度制备出不同组分比的C/SiC复合材料。结果显示,C/SiC复合材料的热膨胀系数随着复合材料中SiC含量的增加而增加,其与CVDSiC涂层之间的热匹配也相应增加,通过CVI方法制备梯度过渡层,在C/SiC复合材料表面制备出致密度较高的CVDSiC涂层。     

C/SiC复合材料AUAG加工机理及实验研究

对C/SiC复合材料沿纤维分布方向超声磨削加工AUAG展开研究,对超声加工C/Si C复合材料的表面微观结构以及机械性能进行了评估,对表面质量随加工参数的变化而变化展开了研究。结果表明通过AUAG超声磨削加工参数的优化设计,可以得到较好的表面质量。     

加热方式对C／SiC复合材料结构与性能的影响

利用化学气相浸渗法制备了 C/ Si C复合材料 ,研究了两种加热方式 (电阻加热和中频感应加热 )下 Si C沉积物形貌、沉积机制以及复合材料结构和性能。结果表明 :电阻加热时沉积单元为高温熔滴 ,Si C沉积物为卵石形貌 ;感应加热时沉积单元为 Si C固体粒子 ,Si C沉积物为粒状形貌。电阻加热时高温熔滴易于渗入纤维束内部 ,复合材料结构均匀 ,致密度高 ;而感应加热时 Si C固体粒子多以团聚体的形式沉积在纤维束表面 ,难于渗入纤维束内部 ,复合材料结构均匀性差 ,难以致密。沉积机制的差异导致两种复合材料的结构差异 ,使得复合材料的力学性能不同 ,电阻加热时复合材料弯曲强度、断裂韧性和断裂功较高 ;感应加热时复合材料性能较低     

先驱体转化法制备2D C/SiC-ZrC复合材料中ZrC含量对材料结构性能影响研究

针对高超音速飞行器、可重复使用运载器和下一代火箭发动机等超高温使用环境的工况要求,提出在2D C/SiC复合材料中引入耐超高温ZrC填料.采用先驱体转化法制备了不同ZrC含量的2D C/SiC-ZrC新型复合材料,考察了ZrC含量对材料力学性能、抗烧蚀性能和组成结构的影响.结果表明,材料的弯曲强度和弯曲模量随着ZrC含量的增加有一定程度的下降,材料的抗烧蚀性能明显提高,其中ZrC含量最高(33.3vol%)的试样S-50弯曲强度和弯曲模量均最低,分别为192.1MPa和27.5GPa;经氧乙炔焰烧蚀考核60s后,表面温度达到2123℃,试样表现出最低的烧蚀率,线烧蚀率为0.004mm/s,质量烧蚀率为0.006g/s.     

微量Al 掺杂对2D C/ SiC 性能的影响

以二维编织碳纤维碳布为预制体,采用聚铝碳硅烷(PACS)为聚合物前驱体,应用化学气相渗透(CVI)结合聚合物浸渗-裂解(PIP)工艺制备微量Al掺杂2D C/SiC复合材料。研究微量Al掺杂对C/SiC微观结构、力学、热膨胀和氧-乙炔焰烧蚀性能的影响。结果表明:掺杂微量Al未改变C/SiC的微观结构和热膨胀性能,也未降低其韧性和强度;但微量Al掺杂提高了C/SiC的抗烧蚀性能,含微量Al的SiC氧化形成微量Al熔于SiO2的固熔体,微量Al提高了SiO2的黏度和致密度,减小SiO2挥发,较未掺杂Al的C/SiC相比,线烧蚀率降低了26%。     

CSCVI法制备C布增韧SiC基复合材料及其微观结构

为了提高CVI法制备C/SiC复合材料的致密化速度 ,提出了连续同步CVI(CSCVI)法制备C布增韧SiC基复合材料的技术路线 ,制备了C/SiC复合材料 ,并观察了其微观结构。实验结果表明 ,在CSCVI工艺中 ,SiC基体沉积速度越快 ,材料的致密化程度越大且致密效果越好。同时 ,SiC基体沉积速度只由沉积温度与MTS(CH3 SiCl3 )流量控制 ,使工艺的可操作性增强 ,工艺参数可在较大范围内变动     

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。     

难熔金属化合物掺杂对先驱体转化2D C/SiC复合材料抗氧化性能影响

提出在2D C/SiC复合材料基体中掺杂难熔金属化合物ZrB2,TaC,ZrC,制备了2D C/SiC-ZrB2,2D C/SiC-ZrC和2D C/SiC-TaC新型复合材料,考察了难熔金属化合物的引入对材料力学性能、抗氧化性能和微观结构的影响.结果表明,ZrB2和TaC的引入,能明显提高2DC/SiC复合材料的抗氧化性能;ZrC的引入对2D C/SiC复合材料的抗氧化性能极其不利.这归结于高温下ZrB2和TaC有助于在复合材料表层氧化形成ZrO2,B2O3和Ta2O5保护膜,阻止了材料内部的进一步氧化,从而提高了复合材料的抗氧化性能.