爆炸压实ZrB_2-SiC超高温陶瓷的密度与组织

为了研究炸药对ZrB2-SiC超高温陶瓷密度与组织的影响,采用爆炸压实工艺制备了SiC纳米颗粒和SiC晶须分别增韧的两类ZrB2基超高温陶瓷复合材料.研究发现：选择低速的硝酸铵或高速的黑索今时,两类ZrB2-SiC爆炸压实坯密度都比较低,而选择混合炸药时致密效果较好;采用225 g黑索今与75 g硝酸铵的混合炸药时,Z...     

C/C-SiC复合材料表面ZrB_2基陶瓷涂层的制备及高温烧结机理

采用刷涂-烧结法,分别在C/C-SiC复合材料和C/C复合材料表面制备了ZrB2基陶瓷复合涂层。利用EDS,SEM分析陶瓷涂层的成分及微观形貌,通过对比C/C-SiC基体和C/C基体的表面涂层,对C/C-SiC基体表面涂层的高温烧结机理进行了探究。结果表明:高温下C/C-SiC基体中的硅组元会溢出,造成样品质量损失;同时,溢出的硅组元能渗入到陶瓷涂层中,形成了以硅为主要黏结相,ZrB2等陶瓷相弥散分布的陶瓷涂层;与C/C基体相比,硅组元的溢出能有效促进涂层与基体之间的界面结合。在对基体进行预处理的基础上,采用低温真空脱胶,高温常压烧结,能够制备出结构致密、无裂纹并与基体结合牢固的ZrB2基陶瓷涂层。     

ZrB_2-SiC超高温陶瓷非晶钎焊界面组织与力学性能研究

采用Cu_(39.37)Ti_(32.19)Zr_(19.38)Ni_(9.06)(原子比)非晶态钎料对ZrB_2-SiC超高温陶瓷进行钎焊。通过X射线衍射、扫描电镜、万能试验机对钎料的微观结构以及钎焊接头形貌、析出相和室温力学性能进行系统分析。结果表明:在一定钎焊温度下,随钎焊时间的增加,接头剪切强度逐渐减小,且伴随裂纹的出现。在钎焊温度1183 K,钎焊时间30 min时获得的剪切强度最高,约为160 MPa。润湿性实验表明该非晶钎料在ZrB_2-SiC陶瓷表面的润湿性良好。接头剪切强度与钎料和母材之间的反应层厚度有关,通过计算得出反应层厚度形成的激活能Q和反应层生长速度A_0,建立了反应层生长规律的表达式。     

超高温复相陶瓷基复合材料烧蚀行为研究

采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB2-ZrC-SiC和HfB2-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料,复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征,对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高温烧蚀行为.研究结果表明,超高温复相陶瓷基复合材料相比传统的未改性SiC...     

ZrC超高温陶瓷复合材料的研究进展

主要从ZrC作为基体和增强体两个方面综述了ZrC陶瓷复合材料的研究进展。重点介绍了复合材料的制备、组织和性能等研究,并就ZrC陶瓷复合材料下一步研究的重点提出了一些见解。经过分析可以看出,目前ZrC陶瓷应用中面临的主要问题是韧性低、难以烧结致密。在今后ZrC陶瓷的研究过程中,如能克服和改善其缺点,注重开发ZrC陶瓷材料潜在的性能优势,则必将使ZrC陶瓷在航空、航天等的发展中做出重要贡献。     

ZrB2-SiC和Csf／ZrB2-SiC超高温陶瓷基复合材料烧蚀机理的研究

通过真空热压工艺制备了ZrB2-SiC材料和Csf(碳短纤维)/ZrB2-SiC超高温陶瓷基复合材料.采用氧乙炔火焰在4186.8kW/m2的热流下分别喷吹烧蚀两种材料180s.ZrB2-SiC材料表而最高温度达到2406°C,烧蚀后质量烧蚀率为-0.14%,线烧蚀率为1×10-3mm/s,Csf/ZrB2-SiC材料表面最高温度达到1883°C,烧蚀后质量烧蚀率为-0.19%,线烧蚀率为-4×10-4mm/s.对两种材料烧蚀表面和剖面的分析发现,ZrB2-SiC材料烧蚀后由表及里依次形成了疏松ZrO2氧化层、SiC富集层和未反应层的三层结构,其中SiC富集层能够起到抗氧化的作用. Csf/ZrB2-SiC材料烧蚀后由外到内分别形成了ZrO2-SiO2氧化层、SiC耗尽层和末反应层的三层结构,其中最外层以ZrO2为骨架,SiO2弥合其中的结构有效地阻挡了烧蚀中氧的侵入.     

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。     

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。     

超高温陶瓷改性碳/碳复合材料

碳/碳(C/C)复合材料因密度低、抗热震性能好以及高温力学性能优异等众多优点被广泛应用于航空航天领域,但抗氧化性较差使其应用受到很大限制.将超高温陶瓷(UHTCs)引入C/C复合材料基体制备超高温陶瓷基体改性碳/碳复合材料(C/C-UHTCs)是目前提高C/C复合材料抗氧化性的主要途径.当前C/C-UHTCs的多种制备工艺都无法兼具低成本、高效率、均匀致密的效果;相比于C/C复合材料,C/C-UHTCs的抗氧化耐烧蚀性能和力学性能都得到了提升.为了满足现代尖锐前缘飞行器的发展需求,C/C-UHTCs的抗氧化耐烧蚀性能还需要进一步提高;同时,还需要降低C/C-UHTCs的脆性,提高材料的可靠性,避免发生脆性断裂.为了给后续研究提供参考,从制备工艺、结构特征、抗氧化耐烧蚀性能以及力学性能四个方面综述了C/C-UHTCs当前的研究进展,并预测C/C-UHTCs的制备工艺将从降低成本、减小对纤维增强体的损伤等角度进一步优化,以赋予制备材料更为均匀致密的结构以及更优的性能.     

晶须增韧陶瓷基复合材料裂纹扩展行为模型

在考虑晶须桥联和裂纹转两种增韧机理的基础上，建立了晶须增韧陶瓷复合材料裂纹扩展行为的理论模型，利用该型计算了单边切口梁三点弯曲的Ｒ－阻力曲线和载荷－位移曲线。     

晶粒互锁结构与短切碳纤维增韧ZrB2-SiC复合材料的制备与力学性能

ZrB₂-SiC基复合材料具有比单体ZrB₂更优异的抗氧化性能及力学性能, 但其相对较低的韧性限制了其实际工程应用, 采用微结构设计或引入增韧相是改善陶瓷材料韧性的两个有效途径。本研究采用反应热压烧结工艺, 分别制备了具有独特片状ZrB₂晶粒互锁结构的ZrB₂-SiC复合材料和以短切碳纤维(C_sf)为增韧相的C_sf/ZrB₂-SiC复合材料。对比研究发现, 晶粒互锁结构展现出优异的自强韧化效果, 使ZrB₂-SiC复合材料具有较高的弯曲强度及断裂韧性, 但材料表现出典型的脆性断裂特征; C_sf/ZrB₂-SiC复合材料弯曲强度下降, 但C_sf具有显著的增韧作用, 不仅使材料具有较高的断裂韧性, 而且临界裂纹尺寸及断裂功都得到显著提高, 从而表现出非灾难性破坏模式。     

正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 各个损伤阶段的应力-应变、 失效强度及应变与试验数据吻合较好。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。      

ZrB2-SiC复相陶瓷涂层制备及其保护C/C-SiC复合材料性能

为提高C/C-SiC复合材料的超高温抗烧蚀性能,通过浆料涂刷和高温烧结相结合的方法在C/C-SiC复合材料表面制备了ZrB₂-SiC复相陶瓷涂层,利用EDS、SEM对涂层的成分及微观形貌进行了分析。对涂层材料的力学性能和抗烧蚀性能进行了表征,结果表明：制备的ZrB₂-SiC复相陶瓷涂层保护C/C-SiC复合材料的拉伸强度、弯曲强度及剪切强度分别为147 MPa、355 MPa和21.9 MPa,与无涂层保护的针刺C/C-SiC复合材料的力学性能相比略有下降。涂层材料具有良好的抗氧化烧蚀性能,经过热流密度为3 200 kW/m²的氧乙炔火焰烧蚀600 s试验,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.001 mm/s和0.0006 g/s。     

Assessment of failure temperature of ultra-high temperature ceramic plates

A theoretical model is presented to assess the failure temperature for ultra-high temperature ceramics (UHTCs). The parameters in the present work, such as thermal expansion coefficient and Young’s modulus, are considered functions of temperature to calculate the stress field of UHTCs under high temperature conditions. The critical elevated temperature for failure is calculated by using the Maximum Principle Strength theory. By establishing the relation between the temperature and the mechanical properties of the UHTCs, it is found that the failure behavior of UHTCs is affected by initial temperature.     

高温氧化对超高温陶瓷材料耦合传热的影响

超高温陶瓷材料暴露于极端高温飞行环境中会导致其发生氧化,表面生成的氧化物具有不同的热物性从而对传热过程造成影响。针对预氧化的ZrB₂和ZrB₂-SiC,基于氧化模型预测氧化层(ZrO₂、B₂O₃、SiO₂和SiC耗尽层)厚度,利用有限元建立圆柱形代表性体积单元,并与外部高超声速流场的CFD (Computational Fluid Dynamics)求解器相耦合,研究了高温氧化对超高温陶瓷材料的耦合传热的影响。计算中采用分区求解方法,通过耦合界面处非匹配网格间的插值完成实时数据交换,实现了基于Navier-Stokes方程的流动求解器与有限元求解器的多场耦合计算。ZrB₂、ZrB₂-SiC以及氧化生成物的热物性均为温度相关,通过理论计算给出了B₂O₃挥发及SiC耗尽导致的多孔结构的有效热导率和有效比热容。瞬态耦合传热分析的结果表明:ZrB₂在预氧化后其热阻能力略有提高, ZrB₂-SiC氧化前后的热阻变化很小,并且在相同流动环境条件下,氧化后ZrB₂的热阻能力高于氧化后ZrB₂-SiC的热阻能力。      

Preparation and characterization of ZrB 2 -SiC ultra-high temperature ceramics by microwave sintering

ZrB₂-SiC ultra-high temperature ceramic composites reinforced by nano-SiC whiskers and SiC particles were prepared by microwave sintering at 1850°C. XRD and SEM techniques were used to characterize the sintered samples. It was found that microwave sintering can promote the densification of the composites at lower temperatures. The addition of SiC also improved the densification of ZrB₂-SiC composites and almost fully dense ZrB₂-SiC composites were obtained when the amount of SiC increased up to 30vol.%. Flexural strength and fracture toughness of the ZrB₂-SiC composites were also enhanced; the maximum strength and toughness reached 625 MPa and 7.18 MPa·m^1/2, respectively.     

Al_2O_3/Cu复合材料的高温变形行为

采用Gleeble-1500热模拟试验机和透射电子显微镜研究了变形温度为300~900℃,应变速率为0.01~10s-1条件下Al_2O_3/Cu复合材料的高温流变行为和组织演变规律,并利用Arrhenius关系和Zener-Hollomn参数构建了合金的峰值屈服应力、变形温度和应变速率三者之间的本构方程。结果表明:Al_2O_3/Cu复合材料的流变应力-应变曲线为典型的动态再结晶类型,其曲线由加工硬化、动态软化和稳定流变3个阶段组成,当变形温度一定时,流变应力随应变速率的增大而增大,而当应变速率固定时,流变应力随变形温度的升高而减小;求解得到复合材料的结构因子lnA为15.2391,应力水平参数a为0.020788mm~2/N,应力指数n为5.933035,变形激活能Q为2.1697×10~5kJ/mol;随着变形温度的升高,基体内位错密度逐渐下降,并呈现出明显的再结晶特征,而当固定变形温度时,随着应变速率的增大,基体内位错密度呈先增大后下降趋势。基于微观组织演变和热加工图,Al_2O_3/Cu复合材料的最佳热加工参数范围为热加工温度500~850℃、应变速率低于0.1s-1。     

Research and development of ultra-high temperature materials in Japan

Abstract

Gas turbines for aircraft engine and power generation are typical fields of application of high temperature materials. Nickel-based superalloys are excellent and most useful materials for these applications and have been well developed especially with the outstanding progress of jet engines. In future, from a view point of global environmental problems, there will be strong demands for special materials for high temperature and high efficiency gas turbines for power generation. However, the temperature capability of the superalloys will saturate to some limit because of their melting points which are lower than 1400°C. So-called ultra-high temperature materials, such as intermetallic compounds, refractory metals and alloys, ceramics, and various composite materials are expected to surpass the temperature capability of the superalloys, although these materials have several problems such as difficulty of processing, lack of ductility and toughness or the poor resistance to oxidation and hot-corrosion. In this paper, present and future prospects of R&D of these ultra-high temperature materials have been briefly reviewed.     

三维四向编织CMCs拉伸性能及损伤演化数值预测

发展了一种能够预测三维四向编织陶瓷基复合材料(3D-B-CMCs)拉伸模量与强度以及损伤演化过程的数值计算方法.首先,利用复合圆柱(CCA)和全局载荷分担(GLS)两种模型预测了纤维束的弹性模量和拉伸强度;然后,利用微焦点CT技术建立了能够反映3D-B-CMCs真实编织几何结构的胞元模型;其次,采用Hashin纤维束失效模型以及考虑单元尺寸的各向异性损伤力学本构模型,编制了ABAQUS/UMAT子程序,对3D-B-CMCs材料宏观拉伸的整个过程进行了计算模拟,预测了宏观拉伸应力-应变曲线,并与试验结果相吻合,证明了所建立方法的合理性和UMAT程序的有效性.同时,研究和讨论了拉伸过程中材料内部不同的损伤破坏模式对复合材料整体力学性能的影响,为材料的疲劳和蠕变等力学行为的内部损伤演化提供了依据.