B4C-Al基复合材料对空间碎片超高速撞击的防护应用研究

为了提高航天器在应对空间碎片超高速撞击时的防护能力,采用无压预烧和真空渗铝工艺制备了B4C-Al基复合材料,并制作了B4C-Al缓冲屏的Whipple式空间碎片防护构型,利用超高速弹道靶在3~6.5 km/s的撞击速度范围内对B4C-Al缓冲屏和典型铝合金缓冲屏开展超高速撞击试验。通过比较不同撞击速度下的缓冲屏穿孔特征、后墙损伤特征、碎片云结构等,结合SEM微观损伤形貌和EDS元素分布模式分析,重点阐述了不同缓冲屏材料特性对超高速撞击碎片云形成以及后墙撞击损伤之间的作用关系。研究表明,B4C-Al缓冲屏可以更为有效地破碎超高速撞击弹丸甚至使弹丸碎片熔化,同时基体中的金属增韧相又能保证缓冲屏整体结构不发生破坏。碎片云颗粒细化以及碎片云前端动能集中效应的缓解是B4C-Al缓冲屏获得更佳防护性能的直接原因,研究结果为B4C-Al基复合材料对空间碎片超高速撞击的防护应用提供了一定的理论和技术支撑。     

TiB2涂层熔盐电沉积制备与表征

炭阴极在铝电解槽中受熔盐和铝液腐蚀而影响寿命,而TiB₂涂层是铝电解槽理想的阴极材料。本文以石墨为基体,在KF-KCl-K₂TiF₆-KBF₄熔盐中以0.4-0.7A.cm_-2^{电流密度、}700-800℃温度电沉积TiB₂涂层,通过XRD衍射仪、SEM-EDS、表面粗糙度测量仪及附着力测试仪对不同电流密度和温度下制备的涂层进行表征。结果表明：在石墨基体上可以得到均匀连贯的TiB₂涂层;增大电流密度、降低电解温度可以细化涂层晶粒,提高涂层致密性;在0.6 A.cm_-²、750℃最优电沉积条件下制得的TiB₂涂层的厚度为229 μm,择优取向为<110>,表面粗糙度为14.85 μm,涂层与石墨基体的结合力为6.39 MPa。     

原位合成高含量TiB2/SiC复合材料的显微组织与性能

以SiC、TiO₂和B₄C为主要原料,采用原位合成法一步烧结制备高含量TiB₂/SiC复合材料,利用维氏硬度计、电子万能试验机、伏安电阻计、金相显微镜和电子扫描电镜,研究TiB₂含量对TiB₂/SiC复合材料力学性能、体积电阻率与显微组织的影响。结果表明：随着TiB₂含量的增加,复合材料的开口气孔率先降低后增加、抗折强度和断裂韧性均先增大后减小、维氏硬度逐渐增加、电阻率先快速下降后趋于稳定、TiB₂颗粒的平均粒径逐渐增大。1950 ℃烧结后,TiB₂含量为40 wt% 的复合材料性能最佳,其开口气孔率、抗折强度、断裂韧性和体积电阻率分别为0.56％、412 MPa、5.77 MPa?m_1/2和2.6×10_-1(Ω?cm)。     

TiB2/42CrMo连续梯度材料力学分析与结构设计

在以往超重力场合成梯度材料的基础上优化制备的工艺参数,制备出TiB₂-TiC-Fe组分呈连续梯度变化的TiB2/42CrMo复合材料。经XRD、SEM观察其梯度层间陶瓷/合金相界呈连续梯度变化。通过硬度测试,得出硬度自陶瓷部分至金属部分呈梯度递减变化,中间梯度层的弹性模量变化形式更趋近于三角函数。在相关参数提取研究的基础上,建立层状强度解析模型。之后采取ANSYS有限元仿真的方法,模拟分析了在施加外部位移载荷的条件下,层状模型的正应力与切应力分布,得出了梯度材料底部金属所承受的最大拉应力为造成该型材料损伤失效的主要原因,与实际材料的三点弯曲实验现象相对应。最后通过研究材料长厚比对应力分布的影响,得出在一定的尺度范围内,梯度材料的力学性质不会随长厚比的增大而线性无限增大,对下一步工程材料设计具有一定指导意义。     

电流密度对Na2B4O7-CaCl2熔盐电解法制备TiB2/TiB渗层的影响

采用熔盐电解法在纯钛表面渗硼,以硼砂作硼源、无水氯化钙为支持电解质,在电解温度920℃,电解时间1h的条件下,研究不同电流密度对渗层物相、微观结构及渗层厚度的影响,并用循环伏安法对阴极反应机理进行了研究。利用XRD对渗硼试样表面进行物相分析,利用扫描电镜(SEM)观察渗硼试样的断面形貌并采用能谱(EDS)进行元素分析。结果表明:在不同的电流密度下电解渗硼,得到的渗层均由TiB_2和TiB组成,且TiB_2渗层厚度可达到4.5μm,渗层厚度随电流密度非线性变化。循环伏安法结果显示阴极的反应主要是钠离子的还原,随后钠原子将硼砂生成的B_2O_3中的B置换出来,高温下B原子向钛基体扩散而形成硼化物渗层。     

ZrB2增韧Al2O3陶瓷制备工艺及其对复相陶瓷力学性能影响

Al₂O₃陶瓷因具有很高的强度和耐蚀性受到广泛关注。但由于相对较差的韧性限制了其广泛应用。Al₂O₃陶瓷增韧的方式很多,本文采用微米ZrB₂来增韧氧化铝陶瓷,探讨复相陶瓷烧结工艺,并研究工艺参数对复相陶瓷力学性能及韧性的影响。结果表明：采用单因素法得到两种陶瓷最佳工艺参数分别是纯α-Al₂O₃陶瓷烧结温度为1500℃,成型压力为450MPa,保温时间为8h,球料比为1/2,保压时间为10min;ZrB₂(wt,20%)+α-Al₂O₃ (wt,80%)复相陶瓷烧结温度为1450℃,成型压力为450MPa,保温时间为8h,球料比为1/2,保压时间为10min。其中成型压力、烧结温度和保温时间对复相陶瓷硬度及致密度影响最大。ZrB₂的加入,在降低陶瓷烧结温度的同时,可以将纯α-Al₂O₃陶瓷的断裂韧性由5.2±0.3MPa.m^_1/2提高到6.7±0.2MPa.m^_1/2。     

原位合成TiB2的定量计算及Cu-TiB2复合材料性能的研究

以Ti粉、B粉和Cu粉为原材料,球磨后,采用原位热压法合成Cu-15wt%TiB₂复合材料。详细讨论了Cu-Ti-B体系的反应过程。通过XRD、SEM、EDS、XPS等手段,确定了Ti和B在Cu基体中原位合成了TiB₂,并利用XRD制作TiB₂和Cu的定标曲线,采用外标法计算出不同烧结温度下TiB₂的合成率,结果表明,在一定的温度范围内,温度越高,合成率越高,在1000℃时TiB₂的合成率可达99.27%。并测试Cu-1.5 wt%TiB₂块状试样的维氏硬度,电导率和三点弯曲强度,分别为125.68 MPa、80.1% IACS和755.2 MPa,在100℃时的热膨胀系数和导热系数分别为9.3×10_-6 /K和260 W/mK。     

机械合金化结合热压烧结制备(TiC+TiB2)/Cu复合材料

通过对体系进行机械合金化,随后将其与Cu粉进行混合和热压烧结制备了(TiC+TiB_2)/Cu复合材料。研究表明,机械合金化促使B_4C粉末分解并向Ti粉末中的固溶形成Ti-C-B的三元混合体系,有效降低了体系的反应温度,并在随后的热压烧结中生成(TiC+TiB_2),其原因是在Ti-C-B体系中生成TiB_2相比TiB具有更低的吉布斯自由能变。当增强相含量较低时,强化相颗粒细小弥散地分布在铜基体中,且与基体界面结合良好,可显著提高复合材料的硬度;但随着含量的增加,强化相的团聚现象加剧,与基体的界面结合方式也转变为简单的机械包裹,其强化效应并不能得以体现。此外,由于机械合金化提高了体系反应的活性,有效地避免了Ti向铜基体中的固溶,当增强相的设计含量为15vol%时所制备的(TiC+TiB_2)/Cu复合材料与直接混合Cu-Ti-B_4C粉末制备的复合材料相比导电率大幅提升。     

Al2O3/Ti2AlN复合材料在900℃,1000℃和1100℃空气中的氧化行为

利用综合热分析仪、背散射扫描电镜(BSE)和能谱分析(EDS)对Al₂O₃/Ti₂AlN复合材料在900 ℃,1 000 ℃和1 100 ℃/20 h空气中连续氧化20h后的氧化增重及氧化层截面进行了研究。结果表明：Al₂O₃/Ti₂AlN复合材料在空气中的氧化行为符合抛物线规律,在900 ℃,1 000 ℃和1 100 ℃/20 h氧化增重分别为2.78×10_-2 kg/m₂、10.4 ×10_-2 kg/m₂、21.9 ×10_-2 kg/m₂,抛物线速率常数相应为1.08×10_-8 kg₂/m₄s、1.44×10_-7 kg₂/m₄s、6.56×10_-7 kg₂/m₄s,氧化激活能为274 kJ/mol。氧化层主要由TiO₂和Al₂O₃组成的,连续的Al₂O₃次外层可以提高其抗氧化性能。氧化层结构的改变是由于氧化温度对Ti₄₊、Al₃₊由基体表面向外扩散和O_2-向内扩散的影响,以及TiO₂和Al₂O₃在不同温度下的形核生长速率导致的。对Al₂O₃/Ti₂AlN而言,控制材料与氧化气氛的界面是提高该材料抗氧化性能的关键。     

三元共晶成分Al2O3/YAG/ZrO2粉体及陶瓷的制备与组织性能研究

本文采用醇水共沉淀法制备了三元共晶成分Al₂O₃/YAG/ZrO₂粉体,在600-1350_oC温度范围煅烧后研究其物相转变过程。经1300_oC煅烧后Al₂O₃/YAG/ZrO₂共晶成分粉体的物相由α-Al₂O₃、c-ZrO₂和YAG构成,且具有α-Al₂O₃相包裹c-ZrO₂相的特殊结构。将煅烧粉体在1550_oC下热压烧结,制备具有内晶型结构的共晶成分Al₂O₃/YAG/ZrO₂复相陶瓷,其致密度、室温抗弯强度、断裂韧性和高温(1000_oC)抗弯强度分别为98.8%、420 MPa、3.69 MPa.m_1/2和464 MPa,并对复相陶瓷组织结构的形成机理进行了探讨。     

Investigation on microstructure and internal friction for low density TiB2/ZL114 composites

TiB₂/ZL114 composites with the density of 2.733 g/cm³ were fabricated through reaction of K₂TiF₄ and KBF₄ (LSM method). The composites were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). The internal friction measurements were performed on DTM-II-J dynamic modulus damping analyzer and the mechanisms were investigated. Experimental results indicate that reinforced particles are well-distributed in the matrix and the internal friction value of TiB₂/ZL114 composites is up to a maximum of 9.04x10^-3, almost twice that of ZL114. The internal friction results form dislocation vibration within the material, the sliding of grain boundary and phase interface, and together with the micro-plastic deformation caused by difference in coefficients of thermal expansion and elasticity modulus of various phases. The average internal friction values of samples with the sizes of 40 mmx4 mmx2 mm, 40 mmx8 mmx2 mm and 40~mm$\times 25 mmx2 mm are 8.83x10^-3, 8.89x10^-3, and 8.93x10^-3, respectively. Thus, the developed composites are of low density, high internal friction, and the sizes of samples have no relation to the internal friction behavior.     

TiB2涂层的制备及其应用研究进展

二硼化钛(TiB₂)作为金属硼化物中密度最小硬度最高的化合物,是重要的现代陶瓷材料之一。它不仅具有传统陶瓷材料所具备的高熔点、高硬度以及良好的化学稳定性,还具有传统陶瓷材料所不具备的优良导电性能。因此TiB₂陶瓷不仅可以用于耐磨材料以及真空镀铝用蒸发舟材料,更是成为硬质刀具、电解铝惰性阴极以及空天飞行器热障防护等领域重要的防护涂层材料之一。本文结合国内外研究现状,重点介绍了TiB₂陶瓷涂层的气相沉积法、电化学沉积法、热喷涂法、表面熔覆法、电火花沉积法和溶胶凝胶法等制备方法的特点及适用领域,总结了其在关键领域的重要应用,并对其未来的研究方向和发展前景进行了展望。     

Al2O3/TiB2/Al复合材料的微观结构和高温力学性能

以细雾化铝粉和TiB₂颗粒为原料,通过粉末冶金和热轧制制备微米TiB₂和纳米Al₂O₃颗粒增强铝基复合材料。室温时,由于TiB₂和Al₂O₃的综合强化作用,Al₂O₃/TiB₂/Al复合材料的屈服强度和抗拉强度分别为258.7 MPa和279.3 MPa,测试温度升至350℃时,TiB₂颗粒的增强效果显著减弱,原位纳米Al₂O₃颗粒与位错的交互作用使得复合材料的屈服强度和抗拉强度达到98.2MPa和122.5 MPa。经350℃退火1000 h后,由于纳米Al₂O₃对晶界的钉扎作用抑制晶粒长大,强度和硬度未发生显著的降低。     

化学气相沉积法制备 TiB2涂层工艺的研究

以TiCl4-BCl3-H2为反应体系,采用化学气相沉积技术,在低碳钢和石墨表面成功沉积了TiB2涂层,并研究了沉积温度、气体流量和基体类型对涂层显微结构和显微硬度的影响.结果表明:沉积温度较高时,低碳钢表面的TiB2涂层晶粒取向随机,结晶度较好,沉积温度较低时则呈柱状晶,晶粒取向随机时的显微硬度高于呈柱状晶时的显微硬...     

TC4纤维增强铝复合材料的高速撞击损伤行为

针对航天器空间碎片防护材料需求,采用二维编织的TC4纤维作为增强体制备了(2D-Tif)/Al复合材料,并采用二级轻气炮研究了复合材料在高速粒子撞击下的损伤行为及其组织演变规律。结果表明,(2D-Tif)/Al复合材料靶板的破坏以侵彻穿深为主,背面产生了带裂纹的鼓包或发生略微崩落;其抗高速撞击能力优于等厚的LF6基体合金,平均吸能能力比基体合金提高了8.4J。复合材料内部的基体合金在高速粒子撞击下被严重挤压变形,在远离弹坑部位,基体合金变形减轻,缺陷以微裂纹和微孔洞为主。高强韧Ti纤维的加入起到了承载和吸能作用,有效减缓了基体合金的变形,并抑制了基体合金中绝热剪切带的形成。     

硅树脂添加量对氧化铝基陶瓷型芯性能的影响

以氧化铝粉末为基体,添加具有粘结性和一定陶瓷产率的硅树脂粉末,通过干压成型和无压烧结制备出氧化铝基陶瓷型芯,重点研究了硅树脂添加量对氧化铝基陶瓷型芯性能的影响。结果表明:硅树脂在裂解过程中会形成二氧化硅,二氧化硅与氧化铝基体发生反应形成新相莫来石。由于硅树脂在交联和裂解过程中会释放大量气体,导致烧结体失重,且气体的逸出会抑制由烧结引起的收缩,因此,随着硅树脂添加量增加,产生的气体量增加,烧结体的失重率增加,收缩率降低。硅树脂含量的增加使得烧结体的气孔率变大和体积密度减小,烧结体的室温抗弯强度逐渐减小。硅树脂的添加虽然降低了其室温强度,但是保证了陶瓷型芯的尺寸精度。     

Effects of CeO2 additive on the microstructure and mechanical properties of in situ TiB2/Al composite

In this paper, CeO₂ was investigated as an additive for in situ preparation of TiB₂/Al composite using an exothermic reaction process via K₂TiF₆ and KBF₄ salts. Experimental results indicated that when 0.5 wt.% CeO₂ additive was added, the dispersion of TiB₂ particles was improved significantly. Meanwhile, α-Al matrix grain was further refined. Compared with the composite without CeO₂, the ultimate tensile strength, yield strength, elastic modulus and tensile elongation increased by 8%, 7%, 26% and 14%, respectively in as-cast condition, and the tensile fracture behavior of the composite with CeO₂ belonged to a typical ductile fracture with microvoid coalescence.     

In-situ TiB2 and Al2O3 formation by DC plasma spraying

In-situ plasma spraying (IPS) is a promising process to fabricate composite coatings with in-situ formed thermodynamically stable phases. In the present study, mechanically alloyed Al-12Si, B₂O₃ and TiO₂ powder was deposited onto an aluminum substrate using atmospheric plasma spraying (APS). It has been observed that, during the coating process, TiB₂ and Al₂O₃ are in-situ formed through the reaction between starting powders and finely dispersed in hypereutectic Al-Si matrix alloy. Also, obtained results demonstrate that in-situ reaction intensity strongly depends on spray conditions.