刚性陶瓷隔热瓦研究状况及启示

刚性陶瓷隔热瓦是高超声速飞行器的潜在热防护材料之一。介绍和分析了美国刚性陶瓷隔热瓦的发展历程、应用相关技术以及在X系列飞行器上的应用,对其在高超声速热防护技术方面的借鉴作用进行思考。     

成分和工艺对氧化锆陶瓷马氏体相变温度的影响

采用热膨胀方法测定氧化锆陶瓷中四方相（ｔ）→单斜相（ｍ ）马氏体相变开始温度（ Ｍｓ ）,研究了ＣｅＯ２－ ＺｒＯ２ 陶瓷中ＣｅＯ２ 含量和８ｍ ｏｌ％ ＣｅＯ２－ Ｙ２Ｏ３－ ＺｒＯ２ 陶瓷中Ｙ２Ｏ３ 含量以及烧结工艺和热处理条件对马氏体相变温度的影响。结果表明,提高ＣｅＯ２ 和Ｙ２Ｏ３ 含量均显著降低Ｍｓ 温度。当ＣｅＯ２ 为１２ｍ ｏｌ％ 或当ＣｅＯ２ 为８ｍ ｏｌ％ 、Ｙ２Ｏ３０７５ｍ ｏｌ％ 时, Ｍｓ 温度低于液氮温度（≈－ １９６℃）。成分一定时,延长烧结时间使Ｍｓ 温度下降;提高烧结温度使Ｍｓ点先下降后上升。分析认为烧结工艺对Ｍｓ 温度的影响是ｔ相晶粒尺寸和材料致密度综合作用的结果。随冷却速度增大, Ｍｓ 温度下降,热循环过程对Ｍｓ 影响不大     

烧结工艺对原位反应莫来石/碳化硅多孔陶瓷性能的影响

以SiC微粉、α-Al2O3和广西白泥为原料,采用原位反应烧结工艺制备莫来石/碳化硅多孔陶瓷,研究烧结温度与保温时间对莫来石/碳化硅多孔陶瓷性能的影响,利用SEM和XRD对多孔陶瓷的相组成和断口形貌进行表征。结果表明:随着烧结温度的升高,莫来石/碳化硅多孔陶瓷的气孔率降低而弯曲强度增加,烧结温度为1 350℃时,气孔率为30.5%,弯曲强度为26.8 MPa;随保温时间的增加,液相量增加;莫来石的形成有助于改善莫来石/碳化硅多孔陶瓷的力学性能。     

界面性能对刚性粒子填充高聚物力学行为的影响

用经过不同表面处理的玻璃微珠填充高密度聚乙烯,获得不同界面性能的复合材料.拉伸实验结果显示弹性模量和拉伸强度都随应变率的提高而提高.如果界面粘结强度低,复合材料的拉伸强度低于纯基体的拉伸强度.反之,复合材料的拉伸强度将提高.然而,强界面复合材料的冲击韧性最低.分析表明,如果界面很弱,由于界面过早开裂形成的空洞导致拉伸强度的降低.当界面粘结很强时,冲击韧性降低.为获得良好性能的复合材料,必须使界面的粘结强度适中.     

陶瓷厚度与约束对陶瓷复合靶抗弹性能的影响

为研究陶瓷厚度与三维约束对陶瓷复合靶抗中等口径弹丸侵彻性能的影响,设计了3种陶瓷复合靶,采用30 mm模型弹进行侵彻试验,得到了靶体破坏与弹丸侵蚀特征以及侵彻过程高速摄像图像;基于数值模拟,分析了陶瓷厚度和约束对靶体极限速度和抗弹机制的影响.当复合靶平面尺寸不大时,陶瓷厚度和约束是影响抗弹性能的重要因素,增加陶瓷厚度与三维约束能有效提高抗弹能力.     

焊接温度对固态焊接中等效压缩变形的影响

以40Cr为研究对象进行了焊接温度对等效压缩变形影响的试验研究。试样尺寸Φ15mm×50mm,被约束在固定压头之间后加热,约束压应力55MPa,加热温度690-840℃,到温后保温5min卸载空冷,以试样相对缩短量为等效压缩应变ε。结果表明:当焊接温度θAc3时,ε随θ的升高呈线性增大,在Ac1-Ac3之间,ε随θ的升高而明显增大;ε-θ曲线在θAc3时的斜率,在Ac1-Ac3之间,ε-θ曲线近似呈S形。     

靶板温度对其防护能力的影响

在小口径武器弹丸验收试验中发现,钢板的抗弹强度随着靶板温度的降低而升高。为了解释这一现象,曾在—20℃～+80℃的温度范围内,对各种结构钢靶极发射穿甲弹丸,以模拟钝头和尖头两种弹的侵彻行为。所测得的剩余速度和弹道极限速度值都表明与温度密切相关。对于尖头弹。板的防护强度随着温度的升高而降低。然而,发射钝头弹,其防护强度与温度的关系则成正斜率变化。这种热效应可通过分析材料对摆锤冲击试验的响应得到解释。     

影响透明陶瓷透光性能的因素

简要分析了陶瓷透明的机理,紫外截止波段受材料的禁带宽度所决定,红外截止波段与材料内原子的结合力和原子质量所决定。环境温度对于透明陶瓷材料的透过率、红外共振吸收波段、紫外截止波段具有一定影响,随着温度的升高,红外共振吸收波段具有蓝移趋势,紫外截止波段有红移的趋势,透过率降低。制备时原料纯度、粒度,氢气或真空烧成气氛,气孔数量、尺寸,晶界等因素会对陶瓷的透明性能产生影响,其中原料、气孔、烧成气氛影响因素占主导位置。     

镍离子注入剂量对氧化铝陶瓷焊接性能影响研究

研究了镍离子注入剂量对陶瓷焊接性能的影响 ,结果表明 :镍离子注入可以明显改善陶瓷的焊接性能。且注入剂量不同 ,其焊缝的剪切强度存在着较大差异。注入剂量适中 ,其剪切强度较高     

HTPB推进剂脱湿与力学性能的相关性研究

针对载荷作用下影响复合推进剂力学特性的脱湿问题,采用等速拉伸和CCD显微分析的试验方法,研究了不同拉伸速率下的脱湿损伤演化过程。建立了粘弹性本构模型,利用细观力学及界面力学的理论,分析试验测得的宏观力学性能发生发展的内在细观原因。结果表明:颗粒/基体的界面脱湿是宏观应力应变曲线非线性的重要原因,也直接导致材料泊松比的下降;界面脱湿的损伤程度由应变值决定,并与应变率具有一定的相关性,泊松比也是定量表征脱湿的重要参数。     

氧化锆增韧莫来石复相陶瓷高温摩擦学行为与机制

为将工程陶瓷材料更好地应用于高温摩擦构件中,研究了氧化锆增韧莫来石复相陶瓷(ZTM)与氧化钇稳定氧化锆陶瓷(TZP)对摩的高温摩擦学行为与机耕。研究结果表明：ZTM的磨损率随着温度的升高而降低,且当温度高于400℃后,由于其摩擦表面生成了转移膜,出现了“负磨损”现象。ZTM摩擦表面转移膜生成的实质是偶件TZP中的Zr原子向ZTM表面扩散所致。ZTM的磨损机制表现为室温下以微观断裂为主,逐渐转变为高温下的粘着磨损机制。对摩偶件TZP的磨损率随温度的升高而迅速增太,且当温度升至400℃后,则出现了严重的磨损。随着温度由25℃至600℃变化,TZP的磨损机制由微观切削为主并伴有一定的多次塑变磨损,逐渐转变为微观脆性断裂磨损。     

射流侵彻作用下陶瓷材料的性态与阻力

陶瓷材料由于抗压强度高,在射流侵彻过程中的强度效应不可忽略。考虑了陶瓷在射流高速侵彻下的强度参数,并在计算模型中考虑了陶瓷破碎对断裂射流的干扰因子,求出了射流着靶速度与破甲速度的关系曲线,与实验结果进行了比较,吻合较好。并分析了靶体强度参数对侵彻速度的影响。根据材料状态随撞击速度的变化规律,提出了在射流高速侵彻下判别陶瓷材料是否可以视为流体状态的判别准则。     

不同厚度陶瓷与钢背板复合抗弹丸穿甲能力的实验研究

采用12.7mm穿甲燃烧弹,研究陶瓷/钢复合装甲当陶瓷支撑钢板厚度不同时抗弹性能的变化情况.靶板采用Al2O3陶瓷作为面板,背板采用高强度钢板,装甲铝合金为基板,背板与面板之间应粘结良好.研究结果表明:陶瓷面板厚度为10mm时,随着钢背板厚度增加,整体结构的抗弹能力提高;陶瓷面板厚度为8mm,钢背板厚度为1～2mm时,抗弹能力随着背板厚度增加变化不显著;面/背板间高粘接强度可保证陶瓷面板具有优良抗弹性能.     

陶瓷复合装甲不同区域抗弹丸穿甲能力试验研究

为优化设计陶瓷/高强钢/铝合金复合装甲板,研究了陶瓷/钢/铝合金复合结构中陶瓷面板不同区域抗12.7mm穿甲子弹垂直侵彻的性能。通过弹道试验得到装甲的垂直穿深、钢背板的变形和穿孔模式等。结果表明,弹着点对靶板抗弹机理有重要影响,弹着点在中心区和偏心区时,可以形成陶瓷锥,粉碎区完整;当弹着点在边界区时不能形成陶瓷锥,靶板的抗弹能力显著下降。     

连结状况对陶瓷复合装甲抗弹性能的影响

连结状况对陶瓷复合靶板抗弹性能的影响,从应力波角度分析.并在试验基础上,采用LS-DYNA程序数字模拟7.62mm穿甲子弹不同工况下侵彻陶瓷复合装甲,分析不同粘结剂和不同粘结层厚度的影响.背板波阻抗大于或接近陶瓷面板,有利于提高复合靶板的整体抗弹性能.波阻抗较大的材料,有利于压缩波的透射.合适的粘结层厚度能使陶瓷保持完整性,延缓陶瓷锥的形成,并扩大背板塑性变形区.     

3,4-二硝基吡唑的性能表征及应用

为了探究3,4-二硝基吡唑(DNP)替代TNT作为新型熔铸炸药载体的可行性,采用光学显微镜、傅里叶红外变换光谱仪、紫外可见分光光度计及DTA/TG热分析仪器对其结构进行了表征,利用氧弹量热仪、电测法分别测试了DNP爆热、爆速,并应用VLW程序计算了TNT/CL-20,DNP/CL-20混合炸药的爆轰参数。结果表明,DNP热分解过程主要分为吡唑环断裂和硝基脱环、自催化加速反应两个阶段,热分解表观活化能为131 k J·mol-1;DNP爆热、爆速分别为4326 k J·Kg~(-1)、7633 m·s~(-1),计算得出DNP/CL-20混合炸药爆轰性能明显优于TNT/CL-20混合炸药,当DNP/CL-20=2∶3(质量比)时,计算爆压为39.4 GPa,爆速为8961 m·s~(-1)。     

联环丁烷及其甲基衍生物的设计和性质模拟

为获得高能量密度液体推进剂燃料,提升运载火箭的有效载荷,设计了20种不同甲基取代的联环丁烷衍生物,理论计算研究了联环丁烷及其甲基衍生物结构对性能的影响规律.研究结果表明:随甲基取代基数量的增多,联环丁烷衍生物的生成焓和比冲均呈现减小的趋势;当取代基为对位取代时其分子稳定性最好,生成焓和比冲值较大,而邻位状态取代时联环丁烷衍生物的生成焓和比冲值相对较低;在设计的化合物中,联环丁烷是比冲最高的物质,当联环丁烷与液氧的混合比为28.5:71.5,0.1 MPa环境压力下,比冲可达304.52 s,燃烧产物主要组成为CO(34.64％)、CO2(13.89％)、H2O(29.54％).联环丁烷衍生物的综合性能优于火箭煤油,具有作为高能推进剂的潜力,本研究为高能燃料的设计提供了理论支撑.     

高氯酸铵/铝粉—复合改性双基推进剂燃速与热分解的相关性研究

利用高压差示扫描量热(PDSC)法研究了高氯酸铵/铝粉—复合改性双基(AP/Al-CM-DB)推进剂在1.0~13.0 MPa压强范围内的燃速与高压热分解特性的相关性。研究结果表明,AP/Al-CMDB推进剂在1.0~13.0 MPa压强范围内的燃速与高压热分解的相关性模型中需将压强p和放热速度ΔHd/Δθ两个影响因子对推进剂燃速的影响程度分开独立考虑,该相关性符合模型关系式u=kupa[ΔHd/Δθ]b,利用该相关性模型所得的燃速计算值与实测值之间的误差低于2.50%.     

激光-电弧复合焊等离子体特性与焊缝熔深相关性研究

利用光谱仪、高速相机对激光-电弧两脉冲复合焊接过程的等离子体辐射光谱及电弧形态进行了采集。基于Boltzmann作图法和Stark展宽法计算了等离子体电子温度和电子密度,研究了不同激光脉冲作用时间和不同频率脉冲电弧对电子温度和电子密度的影响。结合等离子体发射光谱图和高速图像信息,分析了激光-电弧两脉冲复合焊等离子体物理特性。结果表明：随着激光脉冲作用时间的增加,电弧收缩,亮度提高,电子温度降低,电子密度升高,熔深值增大,光谱强度增加,焊缝中氮含量降低;随着电弧脉冲频率的增加,电弧体积变大,亮度提高,电子温度和电子密度均下降,熔深值呈现逐渐降低的趋势,焊缝区上部的电弧焊特征明显增强。