SiC/SiC涡轮叶片

美国 NASA 格林研究中心用碳纤维增强的碳化硅基复合材料制造涡轮导向叶片,针对涡轮叶片的几何特征开发了独特的 SiC 纤维的织构,使这种导向叶片的几何形状与现有的金属叶片一样。导向叶片由涂覆氮化硼的     

SiC/SiC复合材料的力学性能

采用低压化学气相沉积(LPCVD)法制备了具有热解碳界面层的2.5维SiC/SiC复合材料.研究了残余孔洞及热解碳界面层厚度对材料力学性能的影响.结果表明:材料弯曲强度受纤维束之间大孔的影响很小,主要与纤维间的小孔有关,随小孔尺寸和数量的减小而增大.当气孔率低于27%时,小孔的数量和尺寸均变化不大,材料强度提高有限.90nm厚热解碳界面层的存在使材料由破坏性断裂变为非破坏性断裂,强度由174MPa增加到305MPa.进一步增加界面层厚度,纤维受到损伤,材料的力学性能下降.界面层为180nm和310nm厚时SiC/SiC的强度分别为274MPa和265MPa,纤维拔出数量少,材料近似破坏性断裂.     

SiC/SiC复合材料氧化退化研究进展

从SiC/SiC复合材料氧化行为、氧化环境下的失效机理与力学性能三个方面,对SiC/SiC复合材料氧化退化的研究进展进行了综述。文中总结了影响材料氧化行为的重要因素,包括温度、氧分压、水蒸汽以及界面层厚度等。详细分析了材料在不同温度范围内的失效机制,即氧化脆化是SiC/SiC复合材料在中温范围内的重要失效机制,材料在高温下的失效主要是由纤维强度退化、蠕变及界面氧化引起的。总结出:界面氧化消耗、纤维性能退化是引起材料力学性能退化的关键因素,指出了目前研究中存在的问题和发展方向。     

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。     

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。     

SiC/SiC陶瓷基复合材料研究及应用

SiC/SiC陶瓷基复合材料保留了SiC陶瓷耐高温、高强度、抗氧化、耐腐蚀、耐冲击的优点,同时兼具Si C纤维增强增韧作用,克服了Si C陶瓷断裂韧性低和抗外部冲击载荷性能差的先天缺陷。SiC/SiC复合材料具有低密度、高温性能稳定、低氚渗透率和优异的辐照稳定性,在航空、航天、核能等领域具有广泛的应用前景。     

航空发动机SiC/SiC复合材料环境障碍涂层研究进展

SiC/SiC复合材料是新一代高推重比航空发动机热端部件中的理想候选材料,环境障碍涂层是保证复合材料构件在高温高压燃气环境中长时间服役的关键材料。本文总结分析了国内外环境障碍涂层研究的材料体系和制备工艺,并展望了未来的研究方向。     

SiC及其复合材料

1987年11月12日至15日,美国华盛顿大学(University of Washington)材料科学与工程系教授勃拉特博士(Dr.R.C.Bradt)来我所访问,商谈协作事宜并作了多次学术报告,包括: 1.SiC的热膨胀和弹性各向异性; 2.连续纤维增强SiC基体复合材料的热膨胀; 3.SiC和Al_2O_3 纤维增强SiC 基体的抗断裂破坏。     

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。     

SiC晶须增韧SiC mini复合材料的制备与性能分析

采用CVI工艺制备了SiC晶须增韧SiC(SiCW/SiC)mini复合材料,研究了其微观结构和力学性能.实验结果表明:SiC晶须的体积分数达到45%～50%,SiCW/SiC mini复合材料的维氏显微硬度平均值为19.04GPa,断裂韧度平均值达到6.51MPa·m1/2.微观结构观察证实SiC晶须的引入在mini复合材料中产生了晶须桥联、晶须拔出、晶须断裂和裂纹偏转等增韧机制,为后续SiCW/SiC复合材料的制备奠定了基础.     

SiC/SiC mini复合材料拉伸性能分散性的数值仿真方法

建立了一种能够高效计算连续纤维增强SiC/SiC陶瓷基复合材料力学性能统计分布函数的数值仿真方法。建立SiC/SiC mini复合材料简化二维胞元模型,输入组分材料力学性能参数的概率分布函数,得到胞元的力学性能。将胞元作为mini复合材料二维模型的单元对模型进行网格划分,并赋予其材料性能参数,从而得到mini复合材料的拉伸应力-应变曲线。经多次重复计算得到了mini复合材料拉伸应力-应变曲线的概率分布函数。从结果中发现,SiC/SiC mini复合材料拉伸强度满足威布尔分布,且相比于纤维和基体强度的模数,复合材料拉伸强度的模数增大,即分散性减小,同时尺度参数降低,表明mini复合材料出现概率最大的拉伸强度值变小;随着纤维和基体强度概率分布威布尔模数的增大,mini复合材料拉伸强度的尺度参数有增大的趋势。      

SiC/SiC复合材料及其在航空发动机上的应用

采用新型的陶瓷基复合材料,可以在满足高温使用要求的前提下,大幅度减轻发动机的重量、降低发动机的复杂程度,SiC/SiC复合材料因其优异的抗氧化性能,能够满足航空发动机长时间使用、轻质、耐高温要求而备受关注,成为高推重比发动机的首选材料。     

SiC含量对Ti_3SiC_2/SiC复合材料性能的影响

采用反应热压烧结法制备了Ti3SiC2/SiC复合材料,针对SiC含量对该复合材料致密化程度、力学性能以及应力.应变行为的影响进行了研究.结果表明:(1)随着SiC含最的增加,试样难于致密,试样需要在更高的温度才能达到较高的致密度;(2)随SiC含量的增加,Ti3SiC2/SiC复合材料弯曲强度和断裂韧性提高,但SiC含量达到50%时,由于复合材料含有较多的孔洞,使强度和断裂韧性降低;(3)Ti3SiC2/SiC复合材料在常温下表现为非脆性断裂.     

SiC工件ELID磨削性能

通过ELID(在线修整砂轮)磨削方法对SiC进行磨削试验,从材料去除机理、砂轮粒度的选择、切削深度等方面探讨了SiC ELID磨削参数的选择.实验表明:砂轮粒度、切削深度对加工质量影响较大,在磨削效率和加工工件的表面质量等因素的综合分析基础上,找到优化的工艺参数,使效率和精度达到最高.在本试验条件下,用粒度为W3.5的金刚石砂轮磨削20 min,表面粗糙度可达到0.023μm.     

编织SiC(C)/SiC复合材料细观建模与热弹性常数预报

为了准确有效地评估陶瓷基复合材料的热力性能,本文基于真实的CT扫描图像,充分考虑不同编织结构的铺层结构与内部孔隙,建立了平纹机织C/SiC复合材料、平纹机织SiC/SiC复合材料以及2.5D编织SiC/SiC复合材料的二维细观模型。在此基础上构建有限元模型,计算材料等效弹性模量与等效导热系数,并与实验结果进行对比,验证了模型的正确性和有效性。并分析微观结构对应力集中区域与热流集中区域分布的影响规律。研究发现：孔隙的几何形状和分布对宏观热力性能影响显著,且三种材料截面中的应力集中区和热流集中区均与纬纱和经纱交织前后的区域有关;SiC纤维增强的材料弹性模量及导热性能均大于C纤维增强的材料,与平纹机织结构相比2.5D编织结构材料在厚度方向的模量和热导率更大。     

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%。     

SiC内层厚度对SiC/Si-MoSi2涂层抗氧化性能影响的研究

为了提高石墨材料的抗氧化性,在石墨表面制备SiC/Si-MoSi2抗氧化涂层.首先采用液硅渗透在石墨材料表面制备SiC内涂层,然后采用料浆刷涂法制备Si-MoSi2外层.详细研究了SiC内层厚度对所制备的SiC/Si-MoSi2涂层抗氧化性能的影响.结果表明,SiC内层厚度对涂层的氧化防护能力有很大影响;在本实验条件下,当SiC内层厚度为240μm左右时,所制备的涂层在1 400℃的高温下对碳基体具有长时间的氧化防护性能.并从微观结构上分析和解释SiC内层厚度对所制备涂层的抗氧化性能的影响.     

B4C改性SiC/SiC复合材料自愈合机理研究

采用预浸料–熔渗工艺制备了B₄C改性SiC/SiC复合材料(SiC/SiC–B₄C复合材料),研究了SiC–B₄C改性基体在700℃、1000℃、1200℃、1350℃下氧化50 h的本征氧化行为及自愈合规律,有效观察到了基体的自愈合行为,同时考察了SiC/SiC–B₄C复合材料的抗氧化性能,通过材料重量变化和强度保持率衡量其在氧化环境中的损伤程度,揭示了氧化行为。研究结果表明,氧化初期B₄C开始发生氧化反应,此时的液态自愈合相主要成分为B₂O₃。随着温度的升高,氧化生成的SiO₂将与B₂O₃结合生成硅硼玻璃相,当温度进一步升高至1350℃时,由于硅硼玻璃分解加剧,导致自愈合效果减弱。此外,高温导致的硅硼玻璃黏度下降也将有利于氧化介质扩散。SiC/SiC–B₄C复合材料在1200℃氧化50 h后仍保持较好的力学性能,说明B₄C...     

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。     

SiC光学反射镜发展现状

主要综述SiC作为光学反射镜材料在设计、制造、光学加工和应用方面的发展现状，同时对今后SiC作为光学镜片材料的发展趋势进行了展望。