自愈合碳化硅陶瓷基复合材料研究及应用进展

为了满足高推重比航空发动机长时热力氧化环境的使用需求,连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料正朝自愈合方向发展.本文介绍自愈合碳化硅陶瓷基复合材料的微结构与性能,自愈合与强韧化机理,制造方法和工艺特点及其在航空发动机热端部件的应用情况,表明多元多层微结构形成了"层层设防,就地消灭"的氧化防御体系,是复合材料实现自愈合与强韧化的关键.自愈合碳化硅陶瓷基复合材料能够满足发动机高温服役环境要求,显著降低发动机的结构重量,从而有效提高发动机的推重比.     

碳化硅陶瓷基复合材料加工技术研究进展

碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)是一种新型战略性热结构材料,在航空、航天、核能等高新技术领域具有广阔应用前景.但CMC-SiC材料硬度高、不导电等特性决定了实现其高精度、高质量加工较为困难.综述了CMC-SiC材料的传统加工和特种加工工艺的研究现状与进展,重点阐述了激光加工陶瓷及CMC-SiC材料的加工机理和加工效果.最后,指出了CMC-SiC材料加工技术的发展趋势.     

碳化硅纤维增强的金属基和陶瓷基复合材料

介绍了碳化硅纤维及其增强的铝、钛、镁和铜等金属基复合材料的研制与应用。在概括了陶瓷材料的优点和存在的问题之后，介绍了碳化硅纤维增强的几种陶瓷基复合材料的组成、制备和性能。     

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。     

陶瓷基复合材料在喷管上的应用

综述了国外Ｃ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料在火箭发动机喷管上的应用现状,重点介绍了法国ＳＥＰ生产Ｃ／ＳｉＣ复合材料喷管扩张段的成型技术以及连接与机加、材料性能等。最后对Ｃ／ＳｉＣ复合材料在固体火箭发动机上的应用前景进行了展望。     

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在航空发动机上的应用

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)具有低密度、高强高模、耐高温抗氧化、抗蠕变、抗热冲击、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等性能优点,在航空发动机上具有巨大的应用潜力。从碳化硅纤维、制备工艺、界面相和涂层等方面综述了国内外SiC/SiC CMC的发展现状,并基于SiC/SiC CMC的性能特点对其在航空发动机燃烧室火焰筒、混合器、涡轮罩环/静子叶片/转子叶片、喷管调节片等热端部件上的应用情况进行了介绍。     

Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能预测

基于Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的试验结果、Z-pins增强机理,提出了Z-pins拔出的单线性软化模型.重点考虑了Z-pins直径范围内拔出位移的不一致性,在简单双悬臂梁（DCB）理论的基础上,获得了Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能的分析预测模型,预测结果与试验结果吻合较好.在此基础上,采用预测模型获得了不同Z-pins直径、裂纹长度下的裂尖能量释放率,并与理想弹簧元法进行了比较.结果表明:当裂尖靠近Z-pins时,随着Z-pins直径增大,两种方法所得的裂尖能释放率的差异逐渐增大,但总体来说差异的量级很小;随着裂纹长度的增加,裂尖逐渐远离Z-pins,两种方法所得的裂尖能释放率的存在较大的差异,不能忽略Z-pins直径范围内拔出位移不一的影响.      

陶瓷基复合材料高精度宏细观统一本构模型研究

基于高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了陶瓷基复合材料(CMCs)的宏细观统一本构模型.首先基于CMCs的细观结构和损伤特点建立代表体元(RVE)并定义细观损伤变量.然后采用HFGMC模型计算细观损伤变量的演化,由此获得宏观应力应变曲线,从而建立了CMCs的宏细观统一本构模型.采用该本构模型预测了CMCs的宏观应力应变曲线,与实验结果吻合良好.结果表明该本构模型能够模拟CMCs的拉伸与损伤行文,为CMCs强度分析提供了有效手段.      

多层界面相陶瓷基复合材料裂纹偏转机制模拟

针对多层界面相陶瓷基复合材料(CMCs)裂纹偏转机制进行了有限元模拟。在圆柱单胞模型中,按照界面相各亚层的实际厚度建立多层界面相几何模型,然后赋予各亚层对应的组分材料参数,获取轴对称有限元模型。在此基础上,采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)分别计算基体裂纹在界面相处偏转与穿透两种情形的能量释放率Gd和Gp,根据断裂力学准则实现对裂纹在多层界面相内部偏转机制的分析。可以看出:各向异性界面相比各向同性界面相内部的Gd/Gp比值更大,更利于裂纹偏转的发生;总厚度相同的多层界面相与单层界面相相比,其内部的Gd/Gp比值更高,裂纹在其内部发生偏转的机会更多,且五层界面相(PyC/SiC/PyC/SiC/PyC)比三层界面相(PyC/SiC/PyC)更利于裂纹发生偏转。      

碳化硅颗粒增强铝基复合材料有效弹性模量预测

为了分析碳化硅颗粒增强铝基复合材料细观结构对其宏观力学性能的影响,针对无压渗透法制备的A356/SiCp复合材 料建立了表征其细观结构的2维代表性体积单元有限元模型,以建立复合材料宏观性能与细观结构之间的依赖关系。在周期性 边界条件和模拟单轴拉伸边界条件下研究了颗粒的形状（圆形、椭圆形）和体积分数（10%、15%、20%）对其有效弹性模量的影响, 并与无压渗透法制备的A356/SiCp复合材料试验值进行比较。结果表明：在2种条件下的预测结果相差不大,预测误差均不超过 5%;碳化硅颗粒体积分数对复合材料的力学性能影响显著,对颗粒形状的影响很小,在相同边界条件及体积分数下,圆形和椭圆 形颗粒的预测值相差不超过0.4%。     

注射成形工艺结合先驱体转化法制备碳化硅陶瓷

选择一种石蜡基多聚物粘结剂体系,在固含量为52vol%及最佳注射参数下,注射出良好的碳化硅陶瓷复杂件坯体,以二步法溶剂脱脂和热脱脂为脱脂工艺,得到的热脱脂坯通过聚碳硅烷先驱体溶液在真空下浸渍,并在1200℃氮气氛下裂解,使生坯密度提高到1.75g/cm3以上,再将烧结坯体于2100℃,Ar气氛下,保温1h进行固相烧结,得到的碳化硅陶瓷复杂件密度为3.11g/cm3,致密度为97%.     

低成本聚硅氧烷制备SiC_f／Si-O-C材料性能研究

以聚硅氧烷为先驱体,采用先驱体转化法制备SiCf/Si-O-C复合材料,同时测试所得复合材料的弯曲强度、韧性、剪切强度、密度、热膨胀系数、导热系数、耐烧蚀性能.结果表明,SiCf/Si-O-C复合材料具有良好的综合性能.对所得材料微观结构进行分析讨论,发现界面结构与致密度是SiCf/Si-O-C复合材料具有高性能的主要原因.     

陶瓷纤维梯度增强活塞的梯度方程研究

 功能梯度材料零件具有单质材料零件无法比拟的理化性能优势,然而由于材料分布复杂以及对功能梯度材料本身性能研究不充分,使性能分析存在很多困难。论文应用复合材料热性能理论,采用有限元分析软件ADINA,分析陶瓷纤维梯度增强活塞（材料梯度方程的参数不同）的温度分布和应力分布,结果表明陶瓷纤维梯度层可以明显改变活塞温度分布,缓和由于热膨胀系数不匹配,在陶瓷纤维增强层与活塞本体交界处产生的应力。根据计算结果拟合出温度峰值、整体应力峰值和层间应力峰值与方程系数之间的曲线,并加以验证。