先进推进系统用主动冷却陶瓷基复合材料结构研究进展

主动冷却陶瓷基复合材料结构技术是一种新型热防护技术,它综合了耐高温材料与冷却结构各自优势,可显著提高构件热容限,降低单位质量,提高推重比,在超燃冲压发动机等先进推进系统上具有良好应用潜力,被认为是实现低成本、高可靠空间飞行的关键技术之一,得到美、法、德等国的积极研究,基于前期机理探讨及缩比件考核结果,目前正向全尺寸工程样机阶段过渡.其中,利用多种精细成型工艺在纤维增强陶瓷基复合材料(CMC)构件内部成型再生冷却流道或发汗冷却多孔结构的全CMC方案具有较高的先进性与可行性,代表了未来发展方向.     

Cf/SiC复合材料表面抗氧化涂层研究进展EI北大核心

Cf/SiC复合材料因其低密度,高比强度,优异的抗热震、抗氧化和抗烧蚀性能以及高温强度保持率,被认为是高速飞行器的重要热防护材料之一。然而,由于碳纤维在500℃以上发生显著氧化导致材料逐渐失效,因此需对其进行有效的氧化防护。抗氧化涂层被认为是实现Cf/SiC复合材料长时氧化防护的有效手段。本文基于热防护系统对Cf/SiC复合材料抗氧化性能的苛刻要求,综述了现有Cf/SiC复合材料表面抗氧化涂层的研究进展,着重对抗氧化涂层制备技术及涂层体系进行了梳理。提升Cf/SiC复合材料抗氧化涂层使用温度(≥1800℃)及结合强度是当前需要重点解决的问题,制备更长服役时间、更高服役温度同时兼具抗氧化、抗水蒸气腐蚀乃至较好隔热性能的多功能涂层是未来发展的重要方向。     

连续纤维增强陶瓷基复合材料连接件的研究进展EI北大核心

连续纤维强韧化陶瓷基复合材料(CMCs)是航空航天等领域关键热结构材料,机械连接作为最可靠的连接方式之一,是实现大尺寸复杂CMCs构件连接的重要手段。目前,CMCs连接件的研究正在快速发展,但鲜见有关CMCs连接件的全面综述性文献。本文围绕近年来在CMCs连接件领域的研究工作,归纳了CMCs紧固件的制备及力学性能表征方法,系统梳理和讨论了CMCs紧固件的损伤失效机制,从材料性能和外部环境角度出发,重点阐述了CMCs紧固件力学性能的影响因素和规律,并介绍了CMCs机械连接件相关研究工作,最后对CMCs连接件在损伤规律、失效机制、有限元仿真以及连接可靠性等方面进行了展望。     

陶瓷基复合材料的研究进展

本文对陶瓷基复合材料的发展和研究情况进行综述分析。主要内容有:陶瓷基复合材料的发展和应用前景;纤维材料,多种陶瓷基体材料的韧化研究;陶瓷基复合材料的制备加工技术;陶瓷增韧的力学机理和材料结构性能的研究情况。最后还就陶瓷基复合材料的进一步发展提出一些粗浅的看法。      

碳纤维增强树脂基复合材料与铝/镁合金连接研究进展EI北大核心CSCD

运载工具的轻量化是解决当前能源危机和环境问题的重要手段之一,得到国内外学者的高度重视。碳纤维增强树脂基(carbon fiber-reinforced polymer,CFRP)复合材料和以铝镁为代表的轻合金具有一系列优异的力学性能与加工特性,是极具应用前景的轻量化材料,实现这两种材料之间的有效连接,成为当下研究的热点。然而由于异种材料之间理化性能差异较大,在生产过程中混合应用多种轻量化材料仍面临巨大挑战。本文通过对胶接、机械紧固、搅拌摩擦及其变种工艺连接技术的研究进展、优缺点、发展趋势进行汇总分析,考察不同连接方式下获得接头的微观形貌,总结了CFRP与铝镁轻合金搅拌摩擦连接的三种机理包括宏观锚定、微观机械嵌合与化学键连接。最后,基于以上三种连接机理,指出进一步提升混合接头性能的关键在于增大金属母材表面粗糙度,增加熔融高分子面积和采用混合连接工艺。     

树脂基复合材料固化过程的超声波在线监测研究进展EI北大核心CSCD

热固性聚合物复合材料的固化过程是化学交联和物理凝固共同作用的结果。与传统的红外光谱、介电分析法、差示扫描量热法、动态力学热分析和流变测试等离线分析方法相比,超声波在线监测法能够合理预测体系固化过程中的力学行为参数,实现对复合材料固化行为的实时反馈及完整表述。文中介绍了超声波在线监测技术的测试原理,综述了国内外采用超声波在线监测法研究纯树脂及其复合材料体系力学状态转变过程和固化动力学的进展。     

连续碳纤维增强陶瓷基复合材料的氧化行为和氧化防护研究

通过叙述C/C和C/SiC两种复合材料的氧化特点分析了碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)的氧化行为,分别从纤维、基体、界面层及外表面4个方面综述了碳纤维改性、基体抗氧化技术、界面层抗氧化技术和表面涂层技术4种CFRCMCs的抗氧化技术,分析了4类抗氧化技术的原理和特点.     

热结构复合材料的制备及应用

论述了热结构复合材料制造方法,包括泥浆浸注法、溶胶和聚合物热解法、熔体渗透法以及化学气相渗透法。扼要地分析了热结构复合材料的应用。     

SiC晶须对SiBCN基陶瓷复合材料性能的影响EI北大核心

采用超声结合球磨混料的工艺,在由聚硼硅氮烷(PSNB)裂解得到的SiBCN陶瓷中引入SiC晶须。研究了不同质量分数SiC晶须对SiBCN陶瓷基复合材料密度、硬度、弯曲强度及微观结构的影响。结果表明:随着SiC晶须添加质量分数由0%提高至25%,复合材料的密度先降后升,开孔率逐步上升,材料硬度逐渐下降,弯曲强度先升后降再升;SiC晶须质量分数为5%的SiC_(w)/SiBCN复合材料弯曲强度可达191 MPa,与未添加晶须的SiBCN纯基体弯曲强度(60 MPa)相比提升218%;XRD分析发现晶须的引入对烧结后复合材料的物相组成影响不大;观察材料断口微观形貌发现,晶须在基体中的存在方式主要有桥联和团聚搭桥两种,其中桥联有利于强化材料而团聚搭桥则会在基体内部形成孔隙进而降低材料强度。     

C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的振动响应特性及防松性能

通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的模态进行计算和试验分析,确定了其模态参数和振动响应特性;然后通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行正弦扫频振动试验,研究了拧紧力矩对螺栓连接件振动性能的影响规律;最后研究了液态聚硼硅氮烷（L-PBSZ）对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件防松性能的影响。研究结果表明：一阶和三阶固有计算模态频率与试验模态频率一致,因此可以采用有限元分析方法对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行振动响应特性分析;采用正弦扫频振动频谱信号差值曲线分析方法可以检测螺栓连接件是否松动;SEM观察表明,L-PBSZ改性的C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的螺纹副间形成陶瓷填充体,使得螺纹与螺母间有效摩擦系数和有效摩擦面积增加,因此螺母松脱退出的力矩增大,提高了C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的防松可靠性能。     

内置高温热管C/C复合材料热防护结构热力耦合机制

采用内置高温热管的热防护结构是一种新型高效的热防护方式。建立了内置高温热管的C/C 复合材料热防护结构模型, 并通过罚函数的方法引入C/C 复合材料与高温热管间装配关系, 推导了一种顺序耦合的热力耦合有限元格式, 在此基础上对热防护结构进行了热力耦合计算分析, 最后对影响结构温度场与应力场的若干参数进行了参数影响分析。计算结果表明, 在典型飞行状态下, 采用内置高温热管的C/C 复合材料热防护结构能确保结构驻点温度在材料许用温度范围内; 同时, 采用预留装配间隙的方法可有效降低结构界面的接触应力。该方法也可进一步用于研究由接触热阻引起的热力耦合问题。      

Recent advances in understanding the reinforcing ability and mechanism of carbon nanotubes in ceramic matrix composites

Since the discovery of carbon nanotubes (CNTs), commonly referred to as ultimate reinforcement, the main purpose for fabricating CNT–ceramic matrix composites has been mainly to improve the fracture toughness and strength of the ceramic matrix materials. However, there have been many studies reporting marginal improvements or even the degradation of mechanical properties. On the other hand, those studies claiming noticeable toughening measured using indentation, which is an indirect/unreliable characterization method, have not demonstrated the responsible mechanisms applicable to the nanoscale, flexible CNTs; instead, those studies proposed those classical methods applicable to microscale fiber/whisker reinforced ceramics without showing any convincing evidence of load transfer to the CNTs. Therefore, the ability of CNTs to directly improve the macroscopic mechanical properties of structural ceramics has been strongly questioned and debated in the last ten years. In order to properly discuss the reinforcing ability (and possible mechanisms) of CNTs in a ceramic host material, there are three fundamental questions to our knowledge at both the nanoscale and macroscale levels that need to be addressed: (1) does the intrinsic load-bearing ability of CNTs change when embedded in a ceramic host matrix?; (2) when there is an intimate atomic-level interface without any chemical reaction with the matrix, could one expect any load transfer to the CNTs along with effective load bearing by them during crack propagation?; and (3) considering their nanometer-scale dimensions, flexibility and radial softness, are the CNTs able to improve the mechanical properties of the host ceramic matrix at the macroscale when individually, intimately and uniformly dispersed? If so, how? Also, what is the effect of CNT concentration in such a defect-free composite system? Here, we briefly review the recent studies addressing the above fundamental questions. In particular, we discuss the new reinforcing mechanism at the nanoscale responsible for unprecedented, simultaneous mechanical improvements and highlight the scalable processing method enabling the fabrication of defect-free CNT-concentered ceramics and CNT-graded composites with unprecedented properties. Finally, possible future directions will be briefly presented.     

Cf/SiC复合材料的应用研究进展

Cf/SiC复合材料充分结合了碳纤维和SiC基体的优势,表现出低密度,高强度,高韧性,耐高温,耐烧蚀,抗冲刷,高硬度和高耐磨性等特点,成为航空航天、军事、能源等领域理想的高温结构材料.目前Cf/SiC复合材料已达到实用化水平,研究重点已转向应用研究.本文主要介绍Cf/SiC复合材料在热结构部件、热防护系统及高温光学部件等领域的研究进展.     

静力试验中C/SiC构件集成式热结构的声发射特性及与材料测试的对比静力试验中C/SiC构件集成式热结构的声发射特性及与材料测试的对比

在对C/SiC复合材料常温拉伸试验的损伤表征和声发射演化特性进行简要分析的基础上,针对构件集成式设计带来的复杂性特点,对某C/SiC热结构在常温静力试验中的声发射特性进行了分析。给出了试验中声发射特征参数的分类特点。根据试验加载中声发射信号规律,给出了结构的损伤演化模式。通过与材料级声发射信号的对比,判断了试验加载与热结构极限破坏载荷之间的裕度。由此将声发射测试从材料级别的研究延伸到大型C/SiC热结构。      

C/SiC复合材料在超燃冲压发动机中的应用研究进展

超燃冲压发动机是发展高超声速技术的核心, 以其为动力装置的各类高超声速飞行器对于国防安全和航天运输都有重要意义。本文分析了超燃冲压发动机对热防护材料的要求, 综述了C/SiC复合材料在超燃冲压发动机中的应用研究现状, 提出了发展建议, 指出了需要关注的关键问题。     

Development of damage in a 2D woven C/SiC composite under mechanical loading: I. Mechanical characterization

An investigation has been undertaken to determine the damage mechanisms and the associated mechanical response of a 2D reinforced composite of carbon fibers in an SiC CVI-processed matrix subjected to uniaxial tensile and compressive loadings at room temperature. Under tension loading, an extended non-linear stress/strain response was evidenced and related to a multi-stage development of damage involving transverse matrix microcracking, bundle/matrix and inter-bundle debonding as well as thermal residual stress release. This tensile behavior proved to be damageable-elastic with respect to a fictitious thermalstress-free origin of the stress/strain axis lying in the compression domain. In compression, after an initial stage involving closure of the thermal microcracks present from processing, the composite displayed a linear-elastic behavior until failure. The extent of damage over the material was characterized quantitatively at the microscale by the decrease of the average transverse microcrack spacing and at the macroscale by the decrease of both the longitudinal Young's modulus and the in-plane Poisson's ratio.     

Three‐dimensional measurement and cohesive element modelling of deformation and damage in a 2.5‐dimensional woven ceramic matrix composite

A cohesive element numerical model, which reproduces the three‐dimensional microstructure of a 2.5‐dimensional silicon‐nitrogen‐oxide fibre/fabric‐reinforced boron nitride ceramic matrix composite (SiNO/BN) is applied to simulate the failure of specimens that are observed in situ during diametral compression testing. Measurements of deformation by image correlation of two‐dimensional optical surface observations and three‐dimensional X‐ray computed tomographs are used to fit the simulation's elastic properties for the matrix and fibre tows. The observed patterns of damage nucleation and propagation are correctly simulated using a local tensile strain criterion.     

C/C热防护结构弹性波仿真分析方法及损伤对弹性波的影响

热防护结构（Thermal protection structures,TPS）作为可重复使用航天飞行器的关键结构,其安全性和可维护性至关重要。已有的针对可重复使用航天飞行器TPS的结构健康监测的研究不多,特别是C/C、C/SiC等复合材料制造的TPS。针对可重复使用航天飞行器C/C TPS,研究其基于主动弹性波的结构健康监测方法。提出了一种TPS弹性波数值仿真方法,在验证方法有效性的基础上,开展了面向C/C TPS损伤监测的弹性波传播特性研究,从信号时域特征、弹性波传播波场、损伤散射信号、损伤散射信号波场及损伤因子5个方面全面分析了弹性波在C/C TPS中的传播特性及损伤带来的影响。结果表明,当分层损伤边长大于25 mm后,损伤因子剧烈变化,因此采用基于弹性波的结构健康监测方法可以很好地监测C/C TPS内部分层损伤及损伤的扩展情况。      

高温氧化及热震对SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层炭/炭复合材料力学行为的影响

为提高炭/炭(C/C)复合材料的高温抗氧化性能,同时分析涂层制备及高温氧化对涂层材料力学行为的影响,在C/C复合材料表面采用反应熔渗、料浆涂刷结合化学气相沉积工艺制备了SiC/ZrB2-SiC/SiC三层高温抗氧化涂层。利用SEM和XRD分析复合涂层的微观结构和相组成,考察涂层复合材料1500℃高温抗氧化和1500℃-室温的抗热震性能,研究高温氧化及热震对涂层C/C复合材料力学行为的影响。结果表明,复合涂层试样1500℃静态空气环境下具有优异的抗氧化及抗热震性能:1500℃氧化20 h后试样保持增重,1500℃至室温热震50次后增重为0.69%。因涂层制备过程中粉料的渗入反应,复合材料弯曲强度增长了7.08%。在经历1500℃氧化20 h和1500℃至室温50次热震后,涂层复合材料弯曲强度有所下降,且因材料界面结合力的减弱使得纤维拔出特征明显,材料塑性断裂特征增强。