用于飞机结构选材的系列材料性能指标及其应用

为提高飞机机体结构选材的合理性,从材料性能指标的角度出发,在材料比强度、比刚度的常用基本指标之外,结合飞机结构设计思想,提出了材料比疲劳强度、比静韧度、比动韧度、疲劳强度比、静韧强比、疲劳韧强比共6个材料性能指标的概念与计算方法。建立了基于系列材料性能指标的飞机结构选材方法,考虑飞机结构的设计准则及结构在实际使用过程中的功能需求,通过条件筛选缩小备选材料范围,依据系列材料性能指标进行材料对比排序,并通过结构验证确定最终选材。以某型飞机机翼大梁的选材过程给出了应用实例。     

一种新型超高强铝锂合金薄板的时效行为与微观组织

为优化一种新型超高强Al-Cu-Li-X合金2 mm厚度薄板的热处理工艺,本文研究了其不同时效条件下的力学性能和微观组织。结果表明:预变形为6%时,T8态长时间(20~120 h)时效时可保持600MPa以上的抗拉强度。T8态时效时合金强化相为大量T1相(Al_2Cu Li)和部分θ'相(Al_2Cu),T6态时效时还可析出极少量S'相(Al_2CuMg)。预变形可促进T1相细小弥散析出,但抑制θ'相及S'相的析出。6%以下预变形可有效提高合金T8态时效的强度。6%以上预变形量的T8态时效合金中T1相密度明显增加,尺寸显著降低,θ'相减少,但相应合金抗拉强度的增量很小,而延伸率急剧下降;过大预变形(15%)则导致θ'相消失。     

三维四向C/C复合材料高温氧化环境强度预测

在细观尺度下,基于逐渐损伤理论,建立了一种三维四向C/C复合材料高温强度预测模型。模型考虑了纤维束挤压后的截面形状、单胞的周期性以及纤维束和基体的脱黏等因素,引入考虑温度的三维Hashin失效准则进行单元的失效判定,预测了三维四向C/C复合材料室温和有防氧化保护700 ℃的拉伸强度。为了将模型发展到高温氧化环境,建立了考虑氧化速率的纤维束高温氧化环境力学性能退化模型,结合纤维束和单向板力学性能等价性原理,实现了无防氧化保护下三维四向C/C复合材料700 ℃拉伸强度的预测。研究了切边加工对三维四向复合材料强度的影响,建立了考虑切边宽度的切边三维四向复合材料强度预测模型,预测了有、无防氧化保护切边宽度为18 mm的三维四向C/C复合材料拉伸强度。结果表明:对非切边试验件在室温、有防氧化涂层700 ℃和无防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为5.51%、7.20%和7.13%,拉伸过程的应力-应变曲线与试验结果吻合度较好;对切边试验件在室温和有防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为0.88%和4.53%。多种类的算例表明预测模型合理、可靠。      

环境氧化物对EB-PVD热障涂层残余应力的影响

通过建立EB-PVD涂层的柱状晶模型,系统地研究了CMAS沉积和渗透对残余应力的影响。结果表明:CMAS的沉积和渗透产生了很大的面内、面外拉应力,导致垂直、水平裂纹的萌生;随着裂纹扩展,最终涂层发生剥落和分层失效。该失效主要发生在TC层表面下方、CMAS渗透交界处、陶瓷/黏结(TC/BC)界面附近。      

植入FBG的碳纤维复合材料全寿命周期结构状态研究

将光纤光栅传感器与碳纤维复合材料进行一体化集成设计,在碳纤维复合材料内部植入光纤光栅传感器,验证了埋置工艺的可行性,确认了其可实时监测环境温度值,研究了植入光纤光栅传感器后碳纤维复合材料的结构强度变化及光纤光栅的信号传递率。试验结果表明:碳纤维复合材料埋入光纤光栅传感器前后结构强度变化率小于10%,光纤应变信号传递率高于90%,光纤光栅传感器可以作为碳纤维复合材料结构进行从加工固化、使用过程直至破坏的全寿命周期的结构强度监测的有效手段。     

综合载荷环境下高超声速飞行器结构多场联合强度试验技术

针对当前高超声速飞行器结构综合环境强度验证技术的迫切需求,开展考虑气动力、高温、噪声及机械振动等载荷的多场联合强度试验设计,提出了多系统集成方法,给出了多载荷联合加载解耦方法与控制策略,基于行波管建立了多场联合试验平台,对平台关键环境影响因素进行了分析,给出了具体的解决途径,最后基于该试验平台完成了某舵面构件的气动力/高温/噪声/振动多场联合试验,得到了联合载荷作用下结构应变、加速度及位移等响应的时域与频域变化特征,试验表明,多场联合环境下结构的响应水平较高,结构更容易发生破坏,通过该试验验证了多场联合试验技术的可行性及有效性,可为复杂载荷环境下高超声速飞行器结构的地面强度试验验证提供有力的技术支撑。     

SPS温度对铜/镍粉/304不锈钢接头组织与剪切强度的影响

采用脉冲放电等离子烧结(SPS)制备了添加镍粉中间层的铜/304不锈钢接头,研究了焊接温度对接头组织及力学性能的影响。结果表明,以镍粉为中间层,可以实现铜与304不锈钢的扩散焊接。铜/镍界面处铜、镍互扩散形成铜/镍界面扩散层,镍/304不锈钢界面处镍、铁互扩散形成镍/铁界面扩散层,铜/镍扩散层厚度大于镍/铁扩散层厚度。在焊接压力为10 MPa、焊接温度为900℃时,铜/304不锈钢接头剪切强度最佳,为98 MPa。铜/304不锈钢接头断口形貌呈韧窝状,断裂均在镍中间层处,接头连接强度受制于镍中间层本身的强度。     

基于电化学刻蚀与微电铸工艺的微流控芯片模具制作

为解决微流控芯片模具在微电铸工艺中铸层与基底结合力差的问题,在光刻工艺的基础上,采用掩膜电化学刻蚀和微电铸相结合的方法,制作出了结合力较好的镍基双十字微流控芯片模具。针对掩膜电化学刻蚀的工艺参数进行了试验研究,选定了制作微流控芯片模具的最佳工艺参数,解决了酸洗引起胶膜脱落失效、刻蚀引起侧蚀等问题。使用剪切强度表征界面结合强度,运用剪切法测量了微电铸层与基底的剪切强度,定量分析了酸洗工艺和刻蚀工艺的参数对界面结合强度的影响。试验结果表明,酸洗20s后电铸层与基底的剪切强度相对于直接电铸提高了98.5%,刻蚀5min后剪切强度提高了203.6%。刻蚀5min后的剪切强度相对于酸洗20s后电铸的剪切强度提高了53.0%。本文提出的方法能够有效提高铸层与基底的界面结合强度,延长微流控芯片模具的使用寿命。     

表贴式永磁电机碳纤维护套转子强度及过盈量分析

针对表贴式永磁电机转子在高速高温状态下转子强度计算问题,提出了考虑磁钢分块结构的转子模型。基于厚壁圆筒理论推导了转子强度计算的解析解,分别计算出碳纤维护套及磁钢的切向应力和径向应力;基于有限元法分析了多种工况下的转子强度,在高速及高温工况下转子所受应力均会增加;对比解析分析结果表明,有限元法及解析法均能准确计算碳纤维护套应力,而磁钢却受到边缘效应的影响,磁钢边缘应力增大,解析分析难以进行精准计算;基于有限元法分析护套与磁钢过盈量,优化了转子结构,提出了过盈量的最优范围。     

纤维织物增强三元乙丙橡胶绝热材料的制备及性能

为了改善传统短切纤维增强复合绝热材料横向性能较差、层间剪切强度较低、耐冲击性能不足的问题,制备了几种纤维织物增强三元乙丙橡胶(EPDM)复合绝热材料。研究了不同纤维表面改性方法对聚酰亚胺(PI)、芳纶(F-12)和碳纤维(CF)三种纤维织物与EPDM之间的界面粘接性能。将优选的纤维处理方法对三种纤维布进行表面改性处理,制备了纤维织物增强的EPDM复合材料。测试了其力学性能以及耐烧蚀性能。结果表明:三种绝热材料的拉伸强度均在30 MPa以上,耐烧蚀性能优异。在三种织物特定的编织结构条件下,PI/EPDM的线烧蚀率较小,碳层保留最为完整,综合性能最为优异,有望在高性能固体火箭发动机中获得应用。