C/SiC复合材料的定量红外热波无损检测

在C/SiC复合材料板上钻直径和深度不同的盲孔,模拟材料表面下的孔洞缺陷。利用红外热波检测技术对C/SiC缺陷试样盲孔缺陷的孔径和深度做定量检测,并与X射线照相及CT检测结果相比较。结果表明：红外热波检测适合C/SiC复合材料内部缺陷的检测,可同时定量检测C/SiC复合材料中缺陷的大小和深度,并能弥补X射线照相及CT检测的不足。缺陷直径测量误差随着缺陷孔径的增大而减小,随着缺陷深度的增加而增大;缺陷深度测量误差随着缺陷孔径的增大而减小,但在一定范围内随着缺陷深度的增加而减小。红外热波检测C/SiC复合材料孔洞缺陷存在定量测量的下限。     

氧化对2D C/SiC复合材料阻尼行为的影响

以化学气相渗透(CVI)技术制备的2D C/Si C复合材料为研究对象,探讨复合材料在700、1000和1300℃空气环境中发生不同形式和不同程度氧化损伤后的阻尼行为变化。采用扫描电子显微镜(SEM)观察和分析复合材料的微结构损伤,采用动态力学分析仪(DMA)测试复合材料损伤前后的阻尼性能。结果表明:在700℃和1000℃空气环境中,随着氧化时间的延长,2D C/Si C复合材料的阻尼性能先增大后降低;而在1300℃空气环境中,阻尼性能变化较小,且随氧化时间的延长未表现出明显的规律性。这是由于C/Si C复合材料的阻尼由炭纤维、热解炭界面和碳化硅基体,以及它们之间的相互作用共同形成。炭纤维和热解炭界面的氧化损伤会对复合材料阻尼特性产生两种影响机制,其一是使复合材料阻尼性能增大的机制,主要来自于热解炭界面相损耗引起的界面结合强度降低;其二是使复合材料阻尼性能降低的机制,主要来自于纤维的损耗和界面区的过度破坏。而碳化硅氧化生成的二氧化硅主要是通过影响碳相的氧化程度来影响复合材料的阻尼性能。     

C／SiC复合材料盲孔缺陷深度的红外热成像定量测量

利用在三维针刺C／SiC复合材料板上设计不同直径和深度的盲孔作为试样,模拟材料表面下的孔洞缺陷。采用红外热成像技术对试样盲孔缺陷进行检测,获得盲孔缺陷信息,通过最大温差法和InT—Int陆线二阶导数最大值法两种分析方法测量盲孔的深度并分析所产生的误差。结果表明：两种方法都可以实现对盲孔缺陷深度的定量测量,但产生的测量误...     

2D C/SiC复合材料低速冲击损伤研究

通过2D C/SiC复合材料的低速冲击试验和冲击后压缩试验,以及超声C扫描和红外热波两种无损检测方法,研究了冲击能量与冲击损伤的关系及其对压缩性能的影响.结果表明:C/SiC具有较好的损伤容限能力,冲击能量低于1.5J时几乎无目视损伤,高于9J时有被击穿的趋势.冲击后的名义压缩强度和压缩模量随着冲击能量的增加呈下降趋势,最多分别下降了44.7%和16.9%.     

2D C/SiC缺陷的无损检测与评价

采用化学气相渗透法制备了内置异物质缺陷的2D C/SiC复合材料,利用红外热成像、X射线照相和计算机断层扫描（工业CT）三种技术对C/SiC试样进行无损检测。研究了内置缺陷试样的三点弯曲性能。结果表明:X射线照相适用于检测试样中有明显密度差异的缺陷;红外热成像检测适用于检测材料中导热系数较差的孔洞及分层缺陷;工业CT可以检测材料的局部横截面密度差异、孔洞和分层等缺陷的细节特征。2D C/SiC材料在受弯曲载荷时,容易从内置异物质缺陷处开裂,且随该缺陷长度增加,其抗弯强度及临界裂纹扩展能降低。      

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。      

基于电阻变化的3D C/SiC复合材料疲劳损伤演化

为了研究三维碳纤维编织体增强碳化硅陶瓷基复合材料(3D C/SiC)在疲劳过程中的损伤演化并建立其电阻变化率(ΔR/R₀)随疲劳周次变化的模型, 对其进行了应力比为0.1、 频率为20 Hz、 最大疲劳应力为250、 255、 260 MPa的拉-拉疲劳试验, 通过电阻增量仪器测量了连续3D C/SiC在疲劳中的电阻变化率。实验结果表明, ΔR/R₀除首次循环降低外, 随着疲劳周次的增加呈缓慢增加、 台阶式增加和急剧增加3个阶段。根据损伤力学理论, 以ΔR/R₀为损伤参量, 得到了ΔR/R₀随疲劳周次变化的模型, 该模型结果与实验结果吻合较好。      

2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型

基于连续损伤力学建立了一种包含拉伸与剪切损伤变量的2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型。分别开展了拉伸和剪切试验,获得应力-应变曲线,并通过拟合试验曲线获得各损伤变量的演化参数。采用子程序技术将本构模型嵌入商用有限元软件ANSYS,应用有限元法计算了材料的应力-应变曲线。考虑了拉剪损伤耦合效应,计算了偏轴拉伸情况下的应力-应变曲线。结果表明:沿经纱拉伸、沿纬纱拉伸以及面内剪切的应力-应变曲线与试验结果吻合,最大偏差依次为4.30%、3.09%及3.73%;偏轴拉伸计算与试验应力-应变曲线也吻合较好。      

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.     

SiC/SiC复合材料在高温空气中的氧化行为

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC)是先进航空发动机热端部件的重要候选材料.在高温燃气环境中,SiC/SiC会发生氧化腐蚀,导致材料性能迅速恶化.为了揭示国产SiC/SiC复合材料在高温燃气环境中的氧化腐蚀行为,本工作测试了SiC/SiC复合材料的1100～1300℃空气氧化性能,获得了材料的氧化动力学曲线,利用SEM,XPS和XRD分析了材料的形貌、成分和物相演变规律,以阐明其氧化行为.结果表明:SiC/SiC复合材料在1100～1300℃的氧化动力学均遵循抛物线规律;其氧化物为SiO2.SiC/SiC在1100℃时仅发生轻微氧化,温度高于1200℃时复合材料的氧化程度随温度升高而加剧.在BN界面相和基体孔隙附近的氧化现象更为明显.SiC/SiC复合材料的弯曲强度随氧化程度增加而降低.     

Comparison of oxidation behaviors of 3D C/PyC/SiC and SiC/PyC/SiC composites in an O2-Ar atmosphere

Oxidation behaviors of three-dimensional woven C/PyC/SiC and SiC/PyC/SiC prepared by CVI processing were investigated in an O₂-Ar atmosphere at 600 °C, 900 °C and 1200 °C, respectively, by using thermogravimetric analysis. After machining, both composites should be protected by CVD SiC coating, which was demonstrated effectively in improving the oxidation resistance of both composites. The oxidation behavior of SiC/PyC/SiC was different from that of C/PyC/SiC. The oxidation kinetics of C/PyC/SiC was controlled by the rate of the reaction between carbon and oxygen at 600 °C and by the oxygen diffusion through the coating microcracks at 900 °C. The oxidation kinetics of SiC/PyC/SiC at both 600 °C and 900 °C were assumed to be controlled by the oxygen diffusion through channels of coating and matrix defects and looped pipelines instead of PyC interphase. At 1200 °C, the oxidation was controlled by oxygen diffusion through the SiO₂ scale, which took place mainly on the surfaces of both composites.     

Modeling the bundle bridging mechanism in 2D SiC/C/SiC composite materials

Mechanical tests have been carried out on various sizes of compact tension (CT) specimen made of two-dimensional woven SiC/C/SiC composite material. As a continuation of previous work, a model is proposed to estimate the magnitude of the bundle bridging mechanism in this composite. The results summarized below, which are compared with previous ones obtained from mechanical tests performed on dog-bone and double-edge notched specimens, show that the smallest size of CT specimen (W=20 mm) provides a satisfactory estimate of the ultimate tensile strength of the bundle of fibers (UTSBF). However, it has been noted that a more accurate estimate of the bundle strength could be achieved by a more precise model of the crack-opening angle and its effects on both bundle bridging and pull-out mechanisms.     

二维C/SiC复合材料连接的显微结构与性能

采用Ni基连接剂作为中间层在1300℃、真空条件下对二维纺织C/SiC复合材料用液相渗透法进行了加压连接，所旋压力为20MPa，连接保温时间分别为15，30，45，60min。用扫描电镜SEM及能谱分析了连接情况，结果表明所采用Ni基连接剂与C/SiC复合材料有较好的润湿性，Ni基连接剂熔融后可进入复合材料的孔隙。接头三点弯曲强度可达60MPa。     

二维碳/碳化硅复合材料与铌合金的连接

实现了二维C/SiC与Nb合金NbHf10-1M的可靠连接. 连接时将Ti-Cu核心中间层与Cu辅助中间层构成的叠层结构置于C/SiC与Nb合金之间, 并采用了固相扩散连接与瞬间液相扩散连接(Transient liquid phase-diffusion bonding, TLP-DB)相结合的连接方法. 结果表明: 辅助中间层厚度>0.72mm时, 可以有效缓解接头热应力. 核心中间层在TLP-DB过程中形成的液相对C/SiC具有良好浸润性, 可渗入C/SiC基体, 并包裹位于核心中间层与C/SiC界面区域的C纤维. 接头剪切强度最高为14.1MPa.     

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。     

三维针刺C/SiC密度梯度板的无损检测与评价

采用红外热成像设备检测三维针刺密度梯度纤维预制体化学气相渗透法（CVI）沉积碳化硅（SiC）前后内部的密度变化, 追踪材料内部缺陷的遗传性, 并用X射线和工业电子计算机X射线断层扫描技术（CT）验证上述实验的可靠性。结果表明: 原预制体内部的孔洞缺陷因渗入SiC基体而被填充, 缺陷消失; 原预制体内部无缺陷处, 经过CVI致密化工艺后产生新的孔洞缺陷, 说明利用红外热成像技术可以追踪材料内部孔洞缺陷的遗传性; 三维针刺密度梯度纤维预制体CVI沉积SiC前后, 密度梯度发生逆转变化。      

2D-C/SiC复合材料的氧化损伤及刚度模型

采用不同界面强度的2种2D-C/SiC试件,在空气环境中进行700℃无应力氧化试验。通过扫描电镜(SEM)分析发现：材料表面的氧化机制为反应控制,纤维均匀变细;内部的氧化机制为扩散控制,被氧化的纤维产生了缺口或者局部缩颈现象。纤维氧化使有效承载面积减小,导致材料的模量和强度下降。强界面材料模量高而强度低,断口整齐;弱界面材料模量低而强度高,纤维拔出较长。基于以上 SEM分析结果,建立了细观力学模型,对起始模量进行模拟计算,获得了与试验值比较吻合的结果。