隔热瓦/SiO2气凝胶复合材料的制备与性能

以莫来石纤维和玄武岩纤维为主要成分,以硅溶胶为黏接剂制备的隔热瓦作为增强体,真空浸渍SiO_2溶胶后经过凝胶、老化和超临界干燥工艺制备隔热瓦/SiO_2气凝胶复合材料,并对材料的微观结构、热稳定性和隔热性能进行了表征。结果表明:由于玄武岩纤维具有更细的直径和含有一定量的红外辐射抑制成分,随着隔热瓦中玄武岩纤维质量分数的增加,复合材料的室温热导率从63 mW/(m·K)降至47 mW/(m·K),在热面600℃持续15 min条件下的背面温度从200℃降至117℃,有效地提高了复合材料的隔热性能;但因玄武岩纤维的使用温度显著低于莫来石纤维,复合材料的高温线收缩率增大,热稳定性有所下降。     

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%。     

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%。     

编织方法对玄武岩纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响

纤维织物的编织方法对纤维增强的树脂基复合材料的力学性能有很大的影响。制备了平纹和斜纹的玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料,通过三点弯曲和拉伸试验机检测了弯曲性能和拉伸性能,并结合断面形貌观察,研究了其断裂机制。两种编织方式(平纹和斜纹)的玄武岩纤维对环氧树脂基复合材料影响的研究结果表明,斜纹纤维复合材料具有更优异的力学性能,其弯曲强度是平纹纤维复合材料的2倍以上,抗拉强度也优于平纹织物。在弯曲过程中,平纹纤维复合材料承受最大载荷后缓慢断裂,而斜纹纤维复合材料则很快发生断裂。断口形貌显示,平纹纤维复合材料断口区域的纤维拉出较长,且纤维之间的树脂已经剥离且消失,而斜纹纤维复合材料断口区域的纤维拉出较短,且纤维之间仍有部分树脂存在,这说明斜纹纤维复合材料具有更强的纤维—基体结合力。     

2. 5D 衍生结构SiO2 f / SiO2 复合材料的经向力学性能

以几种不同的2.5D衍生结构织物为增强体,制备了法向增强、经向增强及经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料,比较了上述材料与现有2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能,并研究了经法向增强2.5D结构复合材料中增强纱比例、纤维体积分数与材料性能之间的关系,对织物结构进行了优化。结果表明,经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能较现有2.5D复合材料有显著提高,该材料在较低密度下(1.6 g/cm3),经向拉伸强度与现有材料(1.65 g/cm3)持平,且经向压缩强度接近现有材料的4.3倍。     

C/SiC-SiO_(2)复合材料的制备及性能研究北大核心CSCD

采用溶胶凝胶和前驱体浸渍裂解混合工艺,制得了不同SiO_(2)/SiC比例的C/SiC-SiO_(2)复合材料,研究了SiO_(2)添加量对复合材料微观结构、力学性能的影响。结果表明:当添加SiO_(2)的质量分数约25%时,材料的拉伸强度和压缩强度与C/SiC材料性能相当;而当添加SiO_(2)的质量分数超过25%时,材料的强度与模量均随SiO_(2)含量的增加呈降低趋势。此外,SiO_(2)含量约25%的C/SiC-SiO_(2)复合材料的浸渍相成本较C/SiC材料降低约24%左右,这为C/SiC复合材料的快速低成本制备提供了新的技术支撑。     

浆料浸渍工艺制备高性能Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料

为了利于大型构件的制备,采用浆料浸渍工艺,以Nextel 720连续氧化铝纤维增韧,通过一次烧结过程制备了Al₂O₃/Al₂O₃陶瓷基复合材料。测试了复合材料的物理及力学性能,并采用光学显微镜、SEM对试样的微观形貌进行了表征。结果表明：复合材料的体积密度为2.64 g/cm³,显气孔率为26%,材料基体呈现典型的多孔结构特征;室温及1 200 ℃,复合材料厚度方向的热导率分别为3.49及2.04 W/（m·K）;200～1 200 ℃,复合材料面内方向的热膨胀系数为（4.7～7.1）×10^-6/K;复合材料室温、1 100及1 200 ℃拉伸强度分别为202.4、222.4及228.4 MPa,试样断面纤维拔出明显;室温弯曲强度为200.5 MPa,试样发生韧性断裂;层剪强度为21.0 MPa。制备的材料主要性能与美国ATK-COI陶瓷公司的同类型材料相当,部分力学性能更优异。     

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。     

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。     

SiO_(2f)/SiO_2织物复合材料变形及弹性常数研究

以溶胶-凝胶法制备的层状SiO_(2f)/SiO_2织物复合材料为研究对象,采用试验和数值方法研究了材料的变形机制和弹性常数。首先,采用试验方法测量了材料沿纤维方向的弹性模量;其次,采用代表性体积单元法建立材料的胞元模型,并基于周期性边界条件,得到材料的等效杨氏模量,与通试验结果相比较,验证有限元模型的可靠性;最后,通过有限元方法分析胞元在不同拉伸载荷、剪切载荷作用下的变形,从而得到材料的等效拉伸模量、剪切模量和泊松比共9个弹性常数。研究表明:基于周期性边界条件的代表性体积单元法解决了胞元变形不协调问题,可用于预测材料的弹性常数模量,分析结果与试验测试结果相吻合,能够正确反映SiO_(2f)/SiO_2复合材料的力学行为。研究结果可为材料的结构设计和优化提供参考。     

石英纤维增强聚酰亚胺复合材料超低温铣削实验

石英纤维增强聚酰亚胺复合材料是一种非均匀的各向异性材料,采用传统铣削方法对其进行加工时存在刀具磨损严重、切削力较大、加工效率低等问题。为此本文采用超低温冷却铣削方法对石英纤维增强聚酰亚胺复合材料进行铣削实验,并与传统干铣削方式进行了对比,分析了包括加工表面形貌、粗糙度、切削力和刀具磨损等切削性能。结果表明:两种工况下,表面粗糙度随主轴转速的提高而降低,随切深的增加呈先降低后增大趋势;相对于干铣削,不同切削速度下超低温冷却铣削有效抑制了低速干铣削纤维起毛、高速干铣削黏结剂烧蚀缺陷,表面质量都得到改善,刀具耐用度得到提高。超低温冷却引起的复合材料切削力增大,纤维断屑方式的改变以及切削热的有效降低是提高加工质量的主要原因。     

不同纤维预制体结构对SiC_f/PyC/SiBCN复合材料力学性能的影响

使用不同织造方式(二维机织,法向增强2.5维机织和三维五向编织)制备了3种SiC纤维预制体,采用树脂转移模塑(RTM)和聚合物浸渍裂解(PIP)工艺制备了SiC_f/PyC/SiBCN复合材料。观察复合材料的显微组织,测试弯曲强度、拉伸强度、压缩强度等力学性能,探究不同预制体结构对复合材料力学性能的影响行为。结果表明:同一预制体结构在不同方向的纤维分布不同导致材料力学性能的各向异性;不同预制体结构对材料力学性能有着显著的影响。     

Effect of boron doping on waterproof and dielectric properties of polyborosiloxane coating on SiO2f/SiO2 composites

A hydrophobic coating of the silica fiber reinforced silica composites (SiO_2f/SiO₂) was synthesized by sol-gel method using methyltriethoxy-silane (MTES) and boric acid (B(OH)₃) as raw materials. The relationship among boron doping, chemical structure of precursors and durability of hydrophobic coatings was discussed. The Si-O-B and methyl groups were successfully introduced in the gel precursors according to the FT-IR and XPS results. The resins were filled in the internal and surface holes of the SiO_2f/SiO₂ composites partially or completely, which is beneficial to reduce the physical adsorption of the moisture. In addition, hydroxyl groups of the SiO_2f/SiO₂ composites reacted with the resins and hydrophobic methyl groups were introduced, leading to the reduction of the chemical adsorption of water. Also, the boron doping was beneficial to enhancing the physical cross-linking between the coating and the SiO_2f/SiO₂ composites, and improved the adhesion of the coating to the substrate. The results show that the optimal hydrophobic coating with contact angle 130.33°, moisture absorption 0.33% and adhesion level 1 is obtained when the molar ratio of MTES to B(OH)₃ is 10:4. The real permittivity of M10B4 is constant in the range of 2.32–2.51 and the dielectric tangent loss is constant in the range of 5.5 × 10⁻⁴–8.7 × 10⁻³. The hydrophobic coating has excellent dielectric properties.     

碳纤维含量对Cf/SiO2复合材料组织与性能的影响

采用真空热压烧结工艺制备了碳纤维体积分数分别为20％、40％和60％的高致密Cf/SiO2复合材料，研究了碳纤维含量对其组织结构，力学性能、热膨胀特性和抗氧化性能的影响规律。结果表明：SiO2基体及20％Cf/SiO2复合材料中，SiO2仍保持非晶态，碳纤维含量为40％和60％时，SiO2发生部分析晶；Cf/SiO2复合材料的抗弯强度、断裂韧性和断裂应变，随碳纤维含量增加均呈现先降低后又增加的趋势，而弹性模量则先增后降；60％Cf/SiO2表现出明显伪塑性；碳纤维含量增大，使复合材料的热膨胀系数成倍增加，抗氧化性变差。     

SiC_(f)/SiC复合材料铣削加工表面质量北大核心CSCD

使用PCD立式铣刀对聚合物浸渍裂解法(PIP)制备的SiC_(f)/SiC复合材料开展单因素铣削试验,通过对加工中产生的切削力和加工后的表面粗糙度进行测量,分析了铣削工艺参数对其的影响;对加工表面、纤维断口进行SEM分析,讨论了SiC_(f)/SiC复合材料加工表面的形成。研究结果表明,表面粗糙度与切削力的变化趋势相同,高主轴转速和小切削宽度有利于得到表面粗糙度较小的加工表面;近孔洞区域与远离孔洞区域的材料去除方式不同;材料中纤维发生面内偏移和层间屈曲,纤维存在多种去除方式。     

单向陶瓷基复合材料单轴拉伸强度研究

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸强度进行研究.采用剪滞模型描述复合材料出现损伤后的细观应力场,结合基体随机开裂模型、断裂力学界面脱黏准则确定基体裂纹间距及界面脱黏长度.当基体裂纹达到饱和后,假设纤维强度服从威布尔分布,完好纤维和断裂纤维承载满足总体载荷承担法则,采用纤维随机失效模型确定继续加载过程中纤维断裂概率及断裂位置,当纤维承载达到最大时,复合材料失效.讨论了基体威布尔模量和特征强度、纤维/基体界面剪应力和界面脱黏能、纤维威布尔模量和特征强度对纤维失效,进而对复合材料拉伸失效强度的影响.与试验数据对比表明:提出的模型是有效的.      

纤维方向角对超低温冷却石英纤维复合材料铣削性能的影响

石英增强聚酰亚胺树脂基复合材料是一种非均匀的各向异性材料,其加工性能高度依赖于纤维铺层方向与加工进给方向所成角度,即纤维方向角。本文通过一系列不同纤维方向角的干切削和超低温冷却铣削实验,研究了纤维方向角对表面形貌、表面粗糙度、铣削力及刀具磨损的影响。结果表明:不同纤维方向角,剪应力形式不同,切削断屑形式也不同。纤维方向角为锐角时铣削表面质量均良好,但当纤维方向角增大到90°时,切削表面质量下降,切削力变化幅度增大。相同铣削时间内,在干切削工况下,刀具磨损严重,涂层脱落面积约为测量面积的70%;而在低温切削工况下,涂层未遭到严重破坏,刀具仍处于稳定磨损阶段,刀具耐用度优于干切削工况。     

Diamond wheel grinding characteristics of 3D orthogonal quartz fiber reinforced silica ceramic matrix composite

Fiber-reinforced silica ceramic matrix composites (SiO_2f/SiO₂) have gained extensive attention in recent years for its applications in aeronautics field such as radar radome and window. However, the machining properties and mechanism of the material remain unclear. The features and mechanical properties of the material itself have a significant influence on both its machining characteristics and surface integrity. Thus, a full-factor grinding experiment is conducted using a 3D orthogonal SiO_2f/SiO₂ aiming to obtain its machining characteristics. The effects of grinding parameters and tools on the grinding force, surface roughness, and material damage type are investigated using a dynamometer, Scanning Electron Microscope (SEM), and Acoustic Emission (AE) analysis. The AE frequency band is analyzed, and a semi-analytical force model is established to study the difference between a single grain and wheel grinding. It was found that the changes in surface roughness correlate with the changes in grinding force, with fiber fracture being the main reason behind the increase in grinding force. Finally, the material removal mechanism was studied based on the AE analysis. It was found that the removal mechanism is fiber fracture dominated with matrix crack and debonding, and the primary sources of energy consumption are fiber fracture and friction.     

玄碳混杂增强树脂基复合材料混杂比优化设计

对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强树脂基复合材料最优混杂比范围进行研究。以碳纤维与玄武岩纤维平纹织物为增强体,制备9种具有不同混杂比的混杂纤维复合材料(Hybrid Fiber Reinforced Polymer,HFRP)试样,并进行拉伸实验。依据平纹织物结构特点,计算得出平纹织物单胞性能参数,在ANSYS中,以SHELL181壳单元体建立HFRP有限元模型。该模型对试样刚度的模拟值与实验值近似。分析模型受力时的应力云图发现,存在将HFRP破坏形式分为一次破坏与二次破坏的临界混杂比。有限元模拟研究树脂含量为45%时,不同混杂比的HFRP刚度、强度和拉伸极限应变。当混杂比为60%时,可保证HFRP强度无折减的情况下,较玄武岩复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)刚度提高93.4%,较碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)拉伸极限应变提高11.3%。     

M40-T300／BADCy混杂复合材料的研究

利用单向铺层模压工艺制备了M40-T300/BADCy单向层内和层间混杂复合材料,研究了混杂方式、混杂比及铺层顺序对混杂复合材料的拉伸性能、弯曲性能及层间剪切性能的影响规律.结果发现,层内混杂复合材料的性能介于两种单一复合材料之间,T300纤维含量越高,强度越大,M40纤维含量越高,则模量越大.以T300纤维为芯层,M40纤维为外层的层间混杂复合材料([(M40)1/(T300)3]s)具有与M40/BADCy复合材料相近的弯曲模量及与T300/BADCy复合材料相近的层间剪切强度,适合作为航天飞行器结构材料使用.