纤维增强陶瓷基复合材料加工技研究展

纤维增强陶瓷基复合材料具有高熔点、低密度、耐腐蚀、抗烧蚀以及抗氧化等一系列优点,被列为新一代高温热结构材料的发展重点,在航空、航天、能源等领域具有极大的应用前景.但纤维增强陶瓷基复合材料具有硬度大的特点,其加工是一个难点,主要对纤维增强陶瓷基复合材料的传统加工工艺和特种加工工艺及其研究进展进行了介绍,并对纤维增强陶瓷基复合材料的加工工艺的发展趋势作了展望.     

石墨烯超材料吸波结构3D打印

石墨烯增强树脂基复合材料密度低,具有优良的电磁波吸收性能,是极具应用前景的雷达隐身吸波材料,传统的石墨烯吸波复合材料制备工艺复杂,难以灵活制备复杂结构。超材料作为一种人工电磁介质,以材料自身电磁特性为基础,通过单胞结构设计,可实现高性能超材料微波吸收结构(MetaMaterial Absorber,MMA)的设计,利用3D打印技术复杂结构零件快速成型的优势,可实现树脂基MMA功能结构一体化制造。综述了石墨烯增强树脂基复合材料、3D打印超材料吸波性能的研究进展,提出一种基于木堆结构的3D打印石墨烯增强聚乳酸复合材料梯度超材料吸波结构,该结构在4.5～40GHz频段内,具有35.5GHz的超宽频带微波吸收性能(反射损耗低于–10dB)。     

陶瓷基复合材料的发展及在航空宇航器上的应用前景

本文综述了陶瓷基复合材料的发展及近况。简要介绍了颗粒、晶须及纤维增强的陶瓷复合材料的制备。以微观力学的观点分析探讨了陶瓷复合材料的最优化设计,展望了它作为未来新型高温热结构材料在航空、宇航器上的应用前景。     

前沿碳系/铁氧体复合材料的吸波性能研究

采用雷达吸波材料(RAM)是提高飞机隐身性能的一种有效方法。介绍了RAM的吸波机理,简述了膨胀石墨酚醛树脂、石墨烯碳纳米管复合材料、陶瓷基多层纳米碳管复合材料、手性聚苯胺钡铁氧体复合材料、聚苯胺纳米镍铁氧体复合材料的制备方法,并分别比较分析了各个材料的吸波性能。纳米碳系吸波复合材料具有对X波段电磁波吸收作用强、质量轻、耐环境腐蚀的特点。聚苯胺陶瓷基复合材料具有热稳定性强、耐氧化和腐蚀的特点,其突出优势是在高温下,还能保持很高的吸波性能和机械性能。铁氧体复合材料具有电磁性能强、硬度高、化学稳定性高等特点,并且适用于X波段外电磁波的吸收,吸波范围广。     

低浓度磁性纤维对吸波结构隐身材料电性能影响研究

吸波结构隐身材料电性能提升与其内部的吸波成分关系密切,研究发现,磁性纤维具有形状各向异性及良好电磁性能,与吸波结构隐身材料结合可形成具有一定吸波能力及力学性能的吸波结构隐身材料。雷达吸波材料性能主要依赖于其中的雷达波吸收剂损耗特性。首先利用成熟的CST仿真软件针对磁性纤维与雷达波相互作用开展了仿真研究,验证了磁性纤维散射具有显著效应。通过等效电路模拟及电磁理论分析,完成了低浓度磁性纤维吸波结构隐身材料的电磁参数数学模型的建立及验证。同时完成了纤维参数对材料电性能的影响研究,获得了其磁性纤维参数的影响规律:纤维线度(直径、长径比)首先影响极化因子,从而影响等效介电常数;当极化因子小到一定程度后,其等效介电常数变化趋于平坦;纤维线度、电导率、浓度最终影响吸波结构隐身材料的吸波性能。     

碳化硅陶瓷基复合材料的自愈合及结构吸波一体化研究进展

为满足高推重比航空发动机在长时热力氧化环境下的使用需求和航空发动机关键热结构部件的隐身需求,碳化硅陶瓷基复合材料正朝着自愈合抗氧化、兼具承载和吸波性能的结构吸波一体化发展。本文分别介绍了碳化硅陶瓷基复合材料在强韧化、自愈合抗氧化、电磁波吸收三方面的设计原则,综述了在这三方面的研究现状。一种材料同时具有高强度高韧性、自愈合抗氧化和吸收电磁波三方面的性质将是结构功能一体化CMC-SiC未来发展的大趋势。     

连续纤维增韧陶瓷基复合材料的发展及在航空发动机上的应用

介绍了连续纤维增韧陶瓷基复合材料的结构组成以及陶瓷基体材料、增强体纤维、界面层的发展情况,概述了连续纤维增韧陶瓷基复合材料在国内外航空发动机热端部件上的应用。从工程运用角度,探讨了连续纤维增韧陶瓷基复合材料工程化运用面临的问题及解决措施。结合我国航空发动机的发展需求及连续纤维增韧陶瓷基复合材料研究、应用现状,提出了加快连续纤维增韧陶瓷基复合材料研究及工程化应用的建议。     

纤维增强SiBN陶瓷基复合材料的制备及性能

为了满足不同马赫数飞行器对透波材料提出的集透波、承载、防热、耐蚀、抗冲击于一体的性能要求,本文开展了不同耐热区间纤维增强陶瓷基复合材料的研究。采用PIP工艺分别制备了氧化铝、莫来石、石英、氮化硅纤维增强SiBN陶瓷基复合材料,并对其介电和力学性能进行了测试与评价。结果发现莫来石纤维增强SiBN陶瓷基复合材料的介电常数和介电损耗分别为4.1~4.2和1.0×10-2~9.7×10-3,抗弯、拉伸、压缩强度分别为95.12、34.95和80.92 MPa,具有最佳的综合性能。     

吸波型SiC陶瓷材料的研究进展

随着电子产品的广泛应用,电磁波泄露和干扰成为普遍问题,迫切需要发展新一代高性能吸波材料。SiC陶瓷及陶瓷基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化、高强度、低密度、介电性能可设计等优异特性,是极具潜力的吸波型热结构材料。化学气相渗透和先驱体转化陶瓷法可实现陶瓷材料的微结构设计,是制备高性能吸波型热结构陶瓷的主要方法,日益受到关注。本文综述了吸波型热结构陶瓷的设计与制备方法及其吸波机理。     

纤维增强陶瓷基复合材料的研究及其在航空航天领域的应用

本文介绍了纤维增强陶瓷基复合材料的研究动态及应用。对适合作陶瓷的增强物的几种纤维及晶须进行了介绍，论述了几种高温结构陶瓷复合材料的制备工艺，并对陶瓷基复合材料作为飞行器结构材料的应用前景作了分析，对陶瓷基复合材料研究中存在的主要问题和今后的研究动向进行了简要的讨论。     

高温天线罩材料研究进展

对目前主要几种高温天线罩材料体系，包括氧化铝陶瓷、石英陶瓷、微晶玻璃、纤维增强二氧化硅基复合材料、纤维增强磷酸盐基复合材料以及硅氧氮陶瓷材料的研究发展和应用情况进行了简要的综述。     

热结构陶瓷复合材料工艺技术述评

介绍了陶瓷基复合材料和具有热结构特性的纤维增强陶瓷基复合材料的研究发展动向，简要分析了陶瓷基复合材料的优化设计、增韧技术及其连接和特种加工问题，着重评述其复合工艺。     

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。     

单纤维增强SiCf/SiC陶瓷基复合材料切削机理研究

根据SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的结构特点构建了二维切削有限元分析模型，发现微裂纹在基体材料的萌生与扩展、增强相纤维对裂纹扩展的阻碍是切削该材料的基本去除方式。单纤维增强SiC_f/SiC陶瓷基复合材料切削过程是基体材料的裂纹不断萌生、扩展和增强纤维不断拉断、折断而形成切屑的综合过程，刀具与基体、纤维不断的脱离、接触导致切削力波动大，切削过程呈明显的随机波动特性。SiC纤维的存在对于控制裂纹的形成与扩展具有重要作用，SiC纤维限制了裂纹的扩展长度，使得形成的切屑尺寸较小，有利于提高表面加工质量。     

双损耗Al2O3基多孔吸波材料的制备及其吸波性能

基于片状Al₂O₃陶瓷互锁结构强度高的特点,制备出夹杂石墨的高气孔率的Al₂O₃多孔陶瓷,并通过原位还原在多孔骨架中制备出Ni微粒,形成一种轻质的双损耗陶瓷基吸波材料。通过XRD、FE-SEM和EDS研究了还原温度对多孔吸波材料的组成、微观形貌、元素分布和吸波性能的影响。结果表明,还原温度升温至700 ℃可将多孔网络中Ni完全还原,形成以堆叠互锁Al₂O₃为基,夹杂片状石墨和孔表面覆盖Ni微粒的双损耗轻质吸波材料。当复合材料厚度为6.5 mm时,最小反射损耗为-35.01 dB,有效吸收带宽达到1.75 GHz。片状Al₂O₃锁定的石墨片构筑的导电网络,Ni微粒与基体之间的极化效应等共同促进复合材料良好的微波吸收性能。     

氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展

氮化物基陶瓷材料具有高强度、高模量、耐高温、抗热震和透波等优异的综合性能,是高温透波构件的主要候选材料,目前应用报道较少,制备工艺和性能有待进一步完善和提高。本文综述了氮化物陶瓷、氮化物复相陶瓷及氮化物陶瓷基复合材料的研究现状,发现多孔氮化硅陶瓷、BN-Si3N4复相陶瓷和BNw/Si3N4复合材料的综合性能较为优异,可达到介电常数低于5,介电损耗低于0.01,室温弯曲强度高于200 MPa的水平。本文分析了氮化物基陶瓷高温透波材料研究的现存问题,主要是力学性能与介电性能难以协同提高;最后对高温透波材料体系的选择及其制备工艺的未来发展方向进行了展望。     

雷达吸波材料和吸波结构与飞机隐身技术

雷达吸波材料和吸波结构的使用是飞机隐身的一个重要措施。本文介绍了雷达吸波材料(RAM)和吸波结构(RAS)及其在飞机隐身技术中的作用。     

层合陶瓷基复合材料多尺度应力-应变计算模型

对层合陶瓷基复合材料(CMCs)的应力-应变行为进行了研究。基于多尺度分析方法,实现了由组分性能参数到层合陶瓷基复合材料整体应力-应变的计算。采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力-应变计算的细观力学模型,由材料的细观组分性能计算出单向板的非线性弹性性能,并将单向板的弹性性能作为层合复合材料模型的输入参数,通过有限元法计算层合陶瓷基复合材料的整体应力-应变响应。与试验数据的对比表明:采用该模型可以实现层合陶瓷基复合材料在单调拉伸载荷及拉伸加卸载条件下应力-应变曲线的预测,其中数据的最大偏离为19.61%.      

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究进展

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、耐高温、抗氧化等优点,是航空航天热端构件理想的候选材料。本文从增强纤维、陶瓷基体、界面层、制备工艺、考核应用等方面综述了氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究现状,着重阐述了商业化生产的氧化物纤维基本性能以及主要的氧化物/氧化物陶瓷基复合材料制备工艺,并指出提高氧化物纤维高温强度稳定性和优化复合材料制备工艺的途径。     

Cf/SiC陶瓷基复合材料发展状况

Ｃｆ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料作为高温结构材料,在高性能发动机上具有潜在的应用前景。本文综述了制备Ｃｆ／ＳｉＣ陶瓷基复合材料增强相－－碳纤维的发展;Ｃｆ／ＳｉＣ复合材料的基本制备工艺及性能（包括力学性能、复合材料氧化性能、界面性性质等）;复合材料当前的应用等各方面的发展。最后指出了有待解决的问题和今后努力的方向。