C/SiC复合材料纳米压痕有限元仿真

利用ABAQUS软件对C/SiC复合材料的纳米压痕实验进行有限元分析,引入内聚力模型来组建材料的本构模型。在细观力学层面上利用Oliver-Pharr方法对不同位置压痕点的载荷位移曲线进行分析,研究复合材料各组分原位力学性能的影响因素,揭示界面强度、界面厚度对纳米压痕过程中载荷位移曲线、材料硬度、弹性模量的影响规律。该仿真为C/SiC复合材料的工程应用、加工去除机理的研究及纳米压痕实验的参数优化提供理论依据与高效方法。     

PyC/SiC界面相对PIP法制备3D HTA C/SiC复合材料性能的影响

利用三维编织炭纤维预制件通过先驱体浸渍裂解法制备C／SiC复合材料。研究了热解碳（PyC）／SiC界面相对复合材料的微观结构和力学性能的影响。弯曲性能通过三点弯曲法测试，复合材料的断口和抛光面通过扫描电镜观察。结果表明：通过等温化学气相沉积法在纤维表面沉积PyC／SiC界面相以后，复合材料的三点抗弯强度从46MPa提高到247MPa。沉积界面的复合材料断口有明显的纤维拔出现象，纤维与基体之间的结合强度适当，起到了增韧作用；而未沉积界面相复合材料的断口光滑、平整，几乎没有纤维拔出，纤维在热解过程中受到严重的化学损伤，性能下降严重，材料表现为典型的脆性断裂。     

制备工艺对热压烧结SiC/SiC复合材料结构与性能的影响

采用纳米SiC和亚微米SiC粉料作为基体形成原料,通过热压烧结技术制备了SiC/SiC 复合材料.研究了粉料颗粒、烧结温度、烧结压力对复合材料显微结构和各种性能的影响.结果显示,采用纳米碳化硅粉体可有效降低烧结温度,促进复合材料的致密化过程,在1780℃、20MPa条件下可获得性能优良的复合材料.而采用亚微米SiC粉体,复合材料的致密化过程需要较高的温度,但随着密度的增加,基体与纤维之间的作用力增强,不利于性能的提高.     

C/SiC复合材料的制备及性能研究

本文对聚碳硅烷化学转化法制备碳纤维增强碳化硅复合材料的生产工艺进行了研究,探讨了工艺参数对材料性能的影响.研究结果表明,聚碳硅烷分子量是影响材料性能的重要参数,纤维和基体间热膨胀系数的不匹配可通过向基体内加少量二氧化锆进行改善.材料的力学和热学性能测试结果表明,C/SiC复合材料具有较好的综合性能,其断裂韧性比未增强的单一陶瓷提高较多.利用电镜分析了弯曲试样的断口形貌.     

多孔C/SiC复合材料的制备及其性能

以W丝作为成孔剂,采用孔隙预置技术制备了发汗多孔C/SiC复合材料,对其孔隙结构进行表征,研究了材料的力学性能和渗透行为.结果表明:采用孔隙预置技术能够有效的控制多孔C/SiC材料开孔率和孔隙结构,其孔隙主要由W丝去除后形成的直通孔组成,开孔率决定于W丝的体积含量,所制备的材料具有良好的力学性能和渗透性能.其弯曲强度达到358 MPa、弯曲模量达到124 GPa,断裂韧性达到16.7 MPa·m1/2,空隙率为23.5%,渗透率为1.02×10-3mm2,材料表现为韧性断裂模式,其孔隙的存在并没有对材料的力学性能产生明显的影响.     

硅蒸镀法制备低密度C/C复合材料表面SiC涂层

采用浆料法在低密度C/C复合材料表面制备了石墨涂层,然后利用硅蒸镀法使硅蒸气与石墨涂层反应生成SiC涂层.借助X射线衍射、扫描电子显微镜等研究了蒸镀温度、蒸镀时间、石墨涂层表面粗糙度、硅蒸发源及气氛条件对涂层微观结构、相组成、致密度、平整度以及涂层厚度的影响.结果表明:随着蒸镀温度的升高,涂层的表面平整度增加,当蒸镀温度为1550℃和1650℃时,涂层表面仅存在SiC;硅块为硅蒸发源,氩气为保护气氛均可提高涂层表面平整度;降低石墨涂层的表面粗糙度,涂层的致密度和连续性增大;随着蒸镀时间的增加,SiC涂层厚度和致密度逐渐增加.     

化学气相反应法制备SiC涂层对C/C复合材料力学性能影响

采用化学气相反应法在C/C复合材料表面制备了SiC涂层,利用X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段研究了涂层的形貌和结构,并采用三点弯曲试验研究了材料的力学性能,讨论了SiC涂层及制备工艺对复合材料断裂行为的影响.结果表明:涂层后材料的弯曲强度和最大断裂位移明显增大.未涂层C/C复合材料的平均弯曲强度为172.4MPa,而涂层后C/C复合材料的平均弯曲强度为239.8MPa,弯曲强度提高了39.1%.涂层试样强度的提高主要与制备过程中部分蒸气扩散渗透反应引起的界面强化及SiC颗粒的增强作用有关.此外,涂层后材料的断裂模式未发生明显转变,断裂过程中试样表现出一定的假塑性和韧性断裂特征.     

用气相反应法制备C/C复合材料的梯度SiC涂层

本文采用化学气相反应法（CVR）制备了C/C复合材料的梯度SiC涂层,对该梯度涂层的形成机理及抗氧化性能进行了试验研究.研究结果表明：Si渗入基体的速率对梯度涂层的形成产生直接的影响,当采用体密度较高的C/C基体时,得到了完整致密的梯度SiC涂层,生成的SiC为β-SiC,该涂层具有较好的高温抗氧化能力,在1500℃静态空气气氛中,氧化26小时后失重不超过2%.     

旋转CVI制备C/SiC复合材料

旋转 ＣＶＩ是在 ＣＶＩ原理基础上发展的一种制备 Ｃ／ＳｉＣ复合材料的新工艺,通过石墨衬底的旋转,使预制体的制备与基体的沉积同步进行,能有效消除一般ＣＶＩ工艺过程中存在的“瓶颈”效应．在自制的旋转 ＣＶＩ设备上实验,探索了旋转 ＣＶＩ工艺参数中 ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３（ＭＴＳ）的流量与浓度、沉积温度和Ｃ布缠绕线速度对ＳｉＣ基体沉积速度,以及沉积温度对基体结构的影响．并在低压（５ｋＰａ）、高温 （１１００℃）、 ４００ ｍＬ·ｍｉｎ^－１ Ｈ_２、 ２００ ｍＬ·ｍｉｎ^－１Ａｒ、 ＭＴＳ４０℃与Ｃ布以１．１～３．５ｍｍ·ｍｉｎ^－１的线速度连续旋转的沉积条件下,实现了单丝纤维间微观孔隙、纤维束之间以及Ｃ布层间宏观孔隙的致密化同步完成．     

2D C/SiC复合材料的可靠性评价

采用概率论和数理统计方法, 以研究分析2D C/SiC复合材料的弯曲强度分布规律为切入点, 比较了失效概率预测值与实验值, 用可靠度、 风险函数和可靠强度评价了该材料可靠性。通过线性回归分析和拟合优度检验得到正态、 对数正态和三参数Weibull分布模型均可表征其弯曲强度分布规律; 确定了该材料弯曲强度失效概率、 可靠度函数、 风险函数和可靠强度的数学模型中的参数, 可以预测给定强度条件和许用可靠度条件下的多种可靠性指标; 材料弯曲强度均值的三种模型预测值与实测值最大相对误差仅0.07%, 计算得到的失效概率曲线与实验弯曲强度的失效分布均符合很好。      

CE/SiC纳米复合材料的制备与性能

采用高速均质剪切法制备CE/SiC纳米复合材料,通过力学性能测试、热失重(TGA)分析和动态力学能谱(DMA)分析,考察了纳米SiC不同含量对其性能的影响.结果表明,纳米SiC能有效改善CE的静态力学性能、热稳定性和耐热性.相对纯CE,当纳米SiC含量为1.00%时,复合材料冲击强度的提高率为73.78%,弯曲强度的提高率20.84%;失重5%时,热分解温度的提高率为12.31%;500℃时,质量保持率提高为6.48%;玻璃化转变温度的提高率为13.09%.     

ICVI法制备C/SiC复合材料构件的数值模拟

根据C/ SiC 复合材料的结构特点及等温化学气相浸渗法的工艺特点, 建立了C/ SiC 复合材料ICVI 致密化过程的数学模型, 并将该模型应用于C/ SiC 复合材料构件制备过程的数值模拟中。利用有限单元法, 对航空发动机用C/ SiC 复合材料小喉衬的ICVI 致密化行为进行了数值计算和分析。为了验证计算结果, 设计并进行了相应的对比实验, 对致密化后的喉衬构件进行了密度测量和CT 断层扫描无损检测。实验结果与模拟结果呈现出相同的变化规律并且两者之间偏差较小, 表明本文作者所建立的模型可以很好地描述C/ SiC 复合材料的ICVI 过程。利用该数学模型, 计算了ICVI 过程中喉衬构件的密度分布及其演变规律, 为ICVI 法制备C/ SiC 复合材料构件的进一步研究打下基础, 对ICVI 工艺的优化具有一定的指导意义。      

三维针刺C/SiC复合材料显微结构演变分析

以三维针刺碳毡作为预制体,采用树脂浸渍-热解工艺制备C/C多孔体,然后采用反应熔体浸渍法(Reactive melt infiltration,RMI)对C/C多孔体分别浸渗Si和Si-Mo合金制备C/SiC复合材料。首先研究了C/C多孔体制备过程中的显微结构演变。结果表明,浸渍过程中树脂主要填充在纤维束内小孔隙中,热解后裂纹增多,生成网格状C/C亚结构单元;高温热处理使C/C复合材料裂纹进一步扩展,石墨化度提高,束内闭气孔打开,从而为RMI渗Si提供通道。然后对C/C多孔体分别渗Si和Si-Mo合金所得材料的物相组成和显微结构进行对比分析。发现纯Si浸渗得到的复合材料残余Si较多,束内纤维受损严重;而浸渗Si-Mo合金可以减少残余Si含量,束内纤维受损轻微,仍保持着完整的C/C亚结构单元。     

3D C/SiC复合材料的热辐射性能

利用稳态量热计法和傅里叶红外光谱仪分别测定了3D C/SiC复合材料在90℃时的半球向总发射率和室温法向光谱反射率,研究了表面形貌、涂层厚度及高温氧化对3D C/SiC热辐射性能的影响。结果表明:3D C/SiC具有优异的热辐射性能,其总发射率可达0.83;随着SiC涂层厚度的增加,3D C/SiC总发射率先降低后上升;高温氧化后,3D C/SiC的热辐射性能有所提高。      

C/SiC复合材料的低温制备工艺研究

陶瓷基复合材料制备温度过高一直是制约其引入主动冷却工艺、突破其本征使用温度的主要原因之一。采用差热(TG-DTA)、红外(IR)、X射线衍射(XRD)等分析测试手段,研究了聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)的裂解及化学转化过程,从理论上说明了先驱体聚碳硅烷(PCS)低温(1000℃)陶瓷化的可行性。结果表明:聚碳硅烷在750℃实现无机化,880℃开始结晶,即聚碳硅烷在高温合金耐受温度范围(1000℃)内,即可实现陶瓷化。以聚碳硅烷(PCS)为先驱体,炭纤维为增强体,采用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺低温制备了炭纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料,当制备温度为900℃时,所制备C/SiC复合材料密度为1.70g/cm3,弯曲强度达到657.8MPa,剪切强度为61.02MPa,断裂韧性为22.53MPa.m1/2,并采用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的微观形貌进行了分析。     

超高温陶瓷改性C/SiC复合材料的研究进展

超高温复合材料的制备技术是制约新一代航天器发展的一项重要技术,为此近年来国内外积极研制耐超高温、抗烧蚀甚至零烧蚀的复合材料。概述了应用于航天领域的高温热结构复合材料C/SiC和超高温陶瓷材料的研究进展,综述了超高温陶瓷改性C/SiC复合材料的改性机理及制备方法,最后提出了今后研究的重点。     

新型基片材料——C/SiC复合材料

阐述了目前常用的3大类基片材料,即塑料基、金属基和陶瓷基材料,比较了3类材料的性能,得出了陶瓷基材料是综合性能较好的基片材料的结论,并比较了目前陶瓷基片材料中的Al2O3、AlN、BeO、SiC的性能,认为SiC作为基片材料具有良好的发展前景;针对单相SiC陶瓷固有脆性导致难以大尺寸成型的问题,提出了使用C/SiC复合材料制备基片材料的可能性,并综述了C/SiC复合材料的制备工艺,比较了3种工艺(PIP、CVI、LSI)所制备的材料的性能,认为液相渗硅(LSI)C/SiC复合材料制备大尺寸封装基片材料是未来最具前景的发展方向。     

SiC/Mo-Si复合涂层C/SiC复合材料的氧化性能

采用化学气相沉积法(CVD)和刷涂法在C/SiC复合材料表面制备抗氧化涂层。该涂层由致密的CVDSiC层和多孔的Mo-Si层交替组成,其结构从里到外为:CVDSiC层→Mo-Si层→CVDSiC层→Mo-Si层→CVDSiC层。涂层试样于1400℃的氧化实验和1400℃100℃的热震实验结果表明:在氧化和热震过程中,涂层均保持完整,没有出现脱落和掉块等失效现象。经1400℃、150h氧化后,涂层试样的失重率仅为0.25%,失重速率为6.61×10-6g.cm-.2h-1。在热震过程中,涂层试样基本保持氧化增重。经25次和50次热震后,涂层试样的弯曲强度保持率分别为95.73%和81.61%。SiC/Mo-Si复合涂层具有优异的抗氧化和抗热震性能,可对C/SiC复合材料提供1400℃、长时间的氧化防护。     

MSI工艺制备C/SiC复合材料的氧化动力学和机理

以针刺整体炭毡为预制体, 采用CVD+MSI工艺制备了C/SiC复合材料, 借助XRD和SEM研究材料的微观组织, 通过等温氧化失重和非等温热重分析研究材料的氧化反应动力学和反应机理. 结果表明: MSI工艺所制备的C/SiC材料致密度高, 物相组成为类石墨结构的C、反应生成的SiC和残留Si. 其等温氧化反应机理: 第Ⅰ阶段为反应控制, 第Ⅱ和Ⅲ阶段为扩散和反应共同控制; 材料的非等温氧化过程呈现自催化特征, 氧化机理为随机成核, 氧化动力学参数为: lgA=8.752min^-1, E_a=169.167kJ·mol^-1. 与C/C材料相比, C/SiC材料有较差的低温氧化性能和稳定的高温氧化性能, 这与MSI的工艺特征密切相关.     

C/SiC复合材料应力氧化失效机理

研究了干氧和湿氧两种气氛、疲劳和蠕变两种应力下C/SiC复合材料在1300℃的应力氧化行为. 试验结果和断口形貌SEM分析表明: C/SiC复合材料在疲劳应力下比在蠕变应力下具有更强的抗氧化能力和更长的持续时间; 干氧环境中的蠕变试样以C纤维氧化失效为主; 水蒸气的存在加剧了SiC基体的氧化, 并且使受蠕变应力的C/SiC复合材料以SiC基体氧化失效为主.