碳纤维增强碳化硅基复合材料的低温铣削研究（英文）

碳纤维增强碳化硅基复合材料(C_f/SiC复合材料)是航空航天高端装备热端构建最具潜力的新型高温结构材料,但是其干切削存在切削温度高、刀具磨损快和加工损伤严重等问题。本文研究了C_f/SiC复合材料的液氮低温铣削特性,并开展了低温切削和干切削的对比试验研究。阐明了铣削用量和低温介质对切削温度、切削力、加工表面质量和刀具磨损的影响规律。结果表明,液氮低温铣削C_f/SiC复合材料的切削温度比干切削降低了40%—60%;低温铣削中,随着铣削用量的增加,切削力逐渐升高;低温铣削的加工表面质量优于干切削。C_f/SiC复合材料的去除机理主要包括纤维断裂、基体破坏和纤维与基体脱黏等。PCD铣刀的主要失效形式是后刀面磨损,液氮低温铣削中低温阻碍了PCD铣刀中粘结剂Co软化和金刚石相变,因此刀具寿命得到提高。     

C/SiC复合材料的氧化行为仿真分析方法研究

对C/SiC复合材料高温氧化过程的准确预示，是提升C/SiC复合材料热结构设计水平的关键技术之一。本文结合C/SiC复合材料氧化机理、多孔介质流动理论和Fick扩散定律，得到了不同温度作用下C/SiC复合材料的氧化动力学方程并建立了氧化失重的数学表达式。开发了氧化扩展UEL子程序，对典型C/SiC复合材料试件氧化过程中氧、碳元素的分布和氧化扩展过程进行了分析，分析结果显示不同温度下的氧化失重与试验数据可以很好吻合。     

二维编织C／SiC复合材料高温拉伸性能研究

对二维编织C／SiC复合材料在1300℃高温氩气、湿氧环境下拉伸性能进行了实验,结合断口观察分析了其在拉伸载荷下的损伤和破坏机理。试验结果表明,二维编织C／SiC复合材料在高温氩气、湿氧环境下表现为非线性特征,通过对比发现,由于氧化作用,高温氩气环境下拉伸强度、破坏应变和比例极限均高于高温湿氧环境。断口观察表明,基体开裂、层间分层以及纤维和纤维束的断裂拔出是材料拉伸破坏的主要形式。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

C/SiC复合材料铣削表面完整性研究

采用PCD刀具进行了C/SiC复合材料的铣削加工实验,通过观察加工表面/亚表面损伤,分析了C/SiC复合材料铣削加工表面形成机制,并结合切削力讨论了铣削参数对加工表面形貌和粗糙度的影响。研究结果表明,C/SiC材料以脆性断裂方式实现去除;加工表面存在纤维的层状脆断、拔出和纤维束断裂等现象;碳纤维区域粗糙度随铣削参数的变化规律与表面微观形貌基本一致;提高切削速度能改善表面质量,增大切深会使表面质量严重恶化,每齿进给量对表面质量影响较小。     

随机疲劳下复合材料剩余刚度-剩余强度关联模型及寿命预测

剩余刚度和剩余强度作为描述复合材料疲劳损伤程度最常见的方法,在应用过程中都存在各自的优缺点。刚度试验成本低,但缺少明确的失效判据使得其实际工程中的应用受到限制,强度虽然存在天然的失效判据,但破坏性试验导致试验成本较高。考虑复合材料结构大多在随机交变载荷下服役,如噪声、振动等。本文通过复合材料常幅疲劳数据推导了随机疲劳下的剩余强度曲线,提出了一种随机载荷下的剩余刚度-强度关联模型,减少了试验时间和成本,并通过关联模型预测了结构随机疲劳寿命,预测值与试验值具有较好的一致性。     

2D-C/SiC复合材料螺栓连接结构可靠性分析

耐高温C/SiC陶瓷基复合材料因加工制造的复杂工艺,其性能参数存在明显的分散性。为了提高复合材料螺栓连接结构的可靠性建模精度,采用渐进损伤分析方法进行强度分析,采用不含交叉项二次响应面函数进行可靠性分析。采用改进的Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析,分别对结构纤维与基体采用不同的刚度损伤模型,通过有限元仿真获得螺栓连接结构的拉伸极限承载能力,与试验值之间相对误差较小。将2D-C/SiC复合材料的刚度性能参数与强度参数作为随机变量,采用响应面法拟合结构功能函数,通过分析得到结构在拉伸载荷下的失效概率函数,并分析了各材料力学性能参数的灵敏度,发现面内剪切强度对结构可靠性影响较大。     

SiC_p/Al复合材料用SiC表面预氧化处理研究

通过对SiC颗粒的高温氧化和增重实验,研究了SiC高温氧化规律和氧化动力学,探讨了SiC高温氧化后SiC_p/Al复合材料的界面反应。结果表明,SiC颗粒氧化增重随氧化时间增加,先快速增加,后缓慢增加,符合抛物线规律。SiO_2氧化膜厚度随加热温度升高而增加。氧化温度低于900℃时氧化速度较慢,超过1 300℃时氧化膜厚度随氧化温度增加而增加不明显,SiC颗粒表面氧化处理应以氧化温度为1 100℃和氧化时间为10 h为宜。SiC颗粒氧化处理可使SiC_p/Al复合材料界面反应形成Al_2O_3界面相,而有效抑制了界面相Al_4C_3的产生。     

C/SiC舵结构热试验瞬态温度场预示技术

航天飞行器在大气层中高马赫数飞行时,会面临严酷的气动加热环境,C/SiC、C/C等高温复合材料由于具有耐高温、高比强、高比模等优点,在飞行器热结构设计中得到大量应用。为了考核热结构服役过程中的高温力学性能和完整性,需要根据飞行时序进行地面结构热环境试验,其中石英灯辐射加热装置是模拟瞬态气动热环境的一种重要手段。地面结构热试验具有不可重复、技术难度大等特点,发展结构热试验辐射热环境预示技术可以有效支撑飞行器结构地面试验验证。针对采用石英灯辐射方式加热的C/SiC复合材料舵结构热试验,建立了辐射加热动态控制过程模拟方法,基于热网络法和蒙特卡罗法获得了结构瞬态温度场分布,通过与试验数据的对比分析,验证了方法的可行性,能够为复合材料结构热试验方案优化和试验效果评估等提供技术支撑。     

高温真空绝热板的制备及性能研究

根据真空绝热原理提出一种可在高温环境下使用的新型高温真空绝热板(High-temperature vacuum insulation panel,HT-VIP)。在多孔碳化硅泡沫芯材表面包覆多层碳纤维布,通过化学气相渗透(Chemical vapor infiltration,CVI)热解碳的方法对外壳碳纤维体进行增密,然后采用聚合物浸渍裂解(Polymer infiltration and pyrolysis,PIP)工艺制备玻璃碳对材料进行致密化处理,最后采用低压化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)工艺沉积SiC涂层对材料进行封装,制备出一种具有耐高温、密度低、强度高、低导热以及抗热冲击的新型高温真空绝热复合材料。制备的致密碳纤维增强复合材料,材料内部为真空状态,材料密度为0.81g/cm3,抗压强度为8.75 MPa。当温度为100~900℃时,高温VIP有效热导热系数从0.20 W/mK逐渐增加到1.16 W/mK,比C/C和C/SiC复合材料低一个数量级。     

氧在熔融SiO2中扩散的分子动力学模拟

在高温干燥的氧气环境中,SiC材料将氧化生成SiO₂氧化膜,影响材料性能。SiO₂在SiC上的生长由氧气通过氧化物的扩散控制。由于温度条件限制,传统实验方法很难测定氧气在高温氧化物中的扩散。本文采用分子动力学研究不同温度下氧在熔融SiO₂中的扩散行为。基于Morse、L-J等势函数及其参数,模拟了高温下的无定形SiO₂结构,计算获得了氧在950、1 100、1 200、1 300及1 400 ℃温度下的均方位移曲线及扩散系数,分析了温度对气体扩散的影响作用,拟合了温度相关的Arrhenius公式。研究结果可为SiC基及其复合材料的氧化行为研究提供参考。     

DD3单晶粘塑性行为实验研究

介绍ＤＤ３单晶粘塑性行为实验研究的部分结果。实验分别在７００℃，８５０℃，９５０℃三种温度下进行，实验项目有等应变率拉伸，等应力蠕变和控制应变幅的等应变塑塑性循环，试验发现，单晶ＤＤ３的屈服特性随温度、应变率、晶向而变化。ＤＤ３单昌的蠕变变形有明显的三个阶段特性，蠕变曲线形状和蠕变寿命与晶向和温度相关，ＤＤ３单昌在高温下存在循环塑性软化现象，这是由于塑性功损伤引起弹性模量下降造成的。ＤＤ３单晶的临     

三维四向编织复合材料疲劳性能分析

建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快。本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

高温下泡沫夹芯材料Ⅰ/Ⅱ混合型界面断裂特性试验（英文）

泡沫芯夹层材料以其轻质、高强、耐腐蚀等优点在土木工程中得到了广泛的应用。然而,泡沫芯夹层材料的界面结合强度在高温下有所减弱。在实际应用中,由于复合材料和泡沫材料对环境温度的变化非常敏感,高温的影响是不可忽视的。在本研究中,通过一系列单臂弯曲梁在不同温度下的试验来评估高温对泡沫芯夹层材料Ⅰ/Ⅱ型混合界面断裂的影响。温度范围为29～90℃,覆盖了复合材料和泡沫芯的玻璃化转变温度。总结了Ⅰ/Ⅱ型混合界面裂纹扩展及其相应的界面应变能释放速率。     

高温含水气流条件下燃烧室材料考核的电弧加热试验模拟方法

在燃烧室的内流热环境下,燃烧室壁面的部分防热材料(如 C/SiC 或超高温陶瓷)与碳氢燃料燃烧产物水蒸气发生的氧化反应速率比与空气中的氧气还要快。水蒸气的存在加剧了防热材料的氧化。另外,水蒸气还能与材料表面玻璃状的 SiO2保护层发生挥发性的化学反应,破坏了 SiO2保护层。这些因素对燃烧室防热材料的防热效果有明显的影响。本文采用等离子电弧加热矩形湍流导管试验方法模拟超燃冲压发动机燃烧室的内流热环境,并在试验喷管前的混合稳压室内横向喷射4%~5%的常温水与高温气体混合,模拟燃烧室内水蒸气的组份、浓度和温度,采用数值计算的方法分析混合稳压室内水与高温气体的掺混程度,研究含水的高温气体的总温(总焓)计算方法。     

有机玻璃材料疲劳寿命分析的损伤分离法

基于损伤力学方法建立了有机玻璃蠕变/疲劳损伤表达式,运用损伤增量线性叠加原理,给出疲劳损伤和蠕变损伤分离方法。进行了有机玻璃YB-3的蠕变试验和不同频率下的疲劳试验,成功地分离了疲劳试验数据中的蠕变损伤和疲劳损伤。算例结果表明,损伤分离法可以分离蠕变疲劳产生的蠕变损伤和疲劳损伤,很好预测疲劳和蠕变共同作用下的疲劳寿命。     

复合材料疲劳性能的能量耗散试验研究

材料的损伤、屈服、断裂及破坏过程都是一个需要消耗能量的过程,材料的疲劳是.个耗散的过程.通过对T300/QY8911纤维增强复合材料层合板的疲劳试验,应用能量耗散方法对层合板的疲劳性能和损伤进行分析评估,并通过红外热像仪宏观监测试样表面平均温升的变化趋势.主要包括以下几个方面:1)分析铺层方式对能量耗散密度的影响以及能耗密度与材料疲劳性能和损伤的内在联系,发现能耗密度在初始循环阶段(约为循环寿命数的10%)随着循环数的增加上升较慢,在后一循环阶段出现急剧攀升趋势;2)通过监测试样表面甲均温升的变化趋势,发现试样表面温度的宏观变化趋势与能耗密度的变化趋势具有相似性.     

复合材料胶补飞机损伤金属结构疲劳寿命分析

针对复合材料单面胶接修理飞机损伤金属结构疲劳寿命分析时,多种失效模式耦合作用、残余热应力和附加弯曲力矩以及裂纹非均匀扩展的影响,提出了一种能够综合考虑上述影响因素的复合材料修理损伤金属结构疲劳寿命评估方法。算例分析结果与试验结果吻合,表明本文方法可为复合材料单面胶接修理损伤金属结构疲劳寿命估算提供参考。     

不同碳材料对铜基复合材料组织和性能影响研究

本研究以石墨片、碳纳米管、石墨烯和氧化石墨烯为增强碳材料,采用复压复烧法制备了质量分数为0.5%的不同碳材料/铜复合材料,并分析了各复合材料的显微组织、相对密度、显微硬度与拉伸性能。微观组织观察表明,石墨片、碳纳米管和石墨烯在复合材料中均存在团聚,而氧化石墨烯的分散性较好。纯铜及不同碳材料/铜复合材料的相对密度较高,其值均在96.74%以上。不同碳材料/铜复合材料的显微硬度均高于纯铜,除石墨/铜外,其余碳材料/铜复合材料的抗拉强度均大于纯铜,主要强化机制为细晶强化和位错强化。然而由于碳-铜的结合力较弱,所有碳材料/铜复合材料的断后伸长率均小于纯铜。综合比较发现,以氧化石墨烯为增强材料制备的还原氧化石墨烯/铜复合材料的性能最佳,其相对密度、显微硬度、抗拉强度均为最大,分别为99.04%、71.2 HV、229.22 MPa,断后伸长率达到了66.8%。     

蠕变损伤的累积塑性应变法

本文在简要回顾了现有的蠕变损伤方法之后,提出了以蠕变过程中的累积塑性应变作为损伤变量的一种新的蠕变损伤方法,即累积塑性应变法。利用该法,无论是蠕变损伤的实时测量,还是蠕变损伤演化方程的建立都比较简便。而现有的几个蠕变损伤演化方程皆可由该法直接导出。作为初步应用,将该法用于二级加载条件下的蠕变寿命预测,取得了比较好的结果。