连续纤维增韧陶瓷基复合材料的环境性能模拟

连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite-SiC,CMC-SiC)是近年来迅速发展的一种新型低密度热结构材料,在高推比航空发动机、高比冲火箭发动机、冲压发动机和防热结构一体化材料等方面具有广阔的应用前景。航空航天器超常服役环境对材料的环境性能提出十分苛刻的要求,通过试车和试飞考核材料耗时、耗资,难以满足材料研制需求,发展科学高效的材料环境性能实验模拟和计算机模拟技术是国际研究的热点,也是材料优化设计的基础。本文介绍了基于“相似理论“建立的与航空发动机环境具有等效性的环境实验模拟平台和风洞模拟平台。利用该实验模拟平台研究了热物理化学因素与复杂应力因素耦合条件下CMC-SiC环境性能演变失效规律。基于计算热力学、分子模拟和因素分析法等理论与方法,初步建立了CMC-SiC相应的环境性能计算机模拟系统,揭示了材料的环境性能演化规律及其微观机制。     

氮化烧结制备Si3 N4 -SiC复相陶瓷

以酚醛树脂作为结合剂,以冷等静压方法成型制备氮化烧结Si3N4-SiC复相陶瓷,研究了结合剂对坯体强度和生成材料物相组成的影响。坯体强度随酚醛树脂含量增加而提高,最高强度达到23MPa,实现坯体可直接机械加工。经过氮化烧结,生成材料物相中含有SiC,含量达到7.1%～15.7%,并观察到细小的等轴颗粒αSi3N4、棒状晶粒βSi3N4以及少量针状和晶须状Si3N4。SiC颗粒与Si3N4结合在一起,被Si3N4包裹。Si3N4-SiC复相材料的生成机理:300～600℃,酚醛树脂发生裂解,形成单质C,残碳率为50%;1000～1100℃,C开始与Si发生固相反应,形成SiC;1100℃后,Si开始发生氮化反应,生成Si3N4。     

化学气相渗透2.5维C/SiC复合材料的拉伸性能

采用等温减压化学气相浸渗(isothermal low-pressure chemical vapor infiltration,ILCVI)工艺制备了在厚度方向上具有纤维增强的2.5维(2.5 dimensional,2.5D)碳纤维增强碳化硅多层陶瓷基复合材料,从而使一端封口的防热结构部件的制备成为可能.ILCVI致密化后,复合材料的密度、孔隙率分别为1.95～2.1 g/cm3和16.5%～18%.沿经纱和纬纱两个方向对2.5D C/SiC复合材料进行室温拉伸实验.结果表明:复合材料在纵向和横向的拉伸应力-应变均表现为明显的非线性行为.复合材料具有较高的面内拉伸性能,纵横向的拉伸强度分别为326MPa和145MPa,断裂应变分别为0.697%和0.705%.复合材料的拉伸断裂为典型的韧性断裂,经纱和纬纱的断裂都表现为纤维的多级台阶式断裂以及纤维的大量拔出.     

硼离子注入对SiC-C/ SiC 复合材料抗氧化性影响

通过等离子体源离子注入法( PSII), 对带有SiC 涂层的C 纤维增强SiC 基(SiC-C/ SiC) 复合材料进行硼离子注入, 研究了硼离子注入对样品抗氧化性能的影响。通过俄歇电子能谱检测分析了样品成份的深度分布。在空气中1300 ℃的高温条件下进行了氧化实验。通过XRD 和扫描电镜分别对样品的化学组成和表面形貌进行了表征, 对样品的力学性能进行了测试。结果表明, 对SiC-C/ SiC 复合材料注入硼有助于提高其抗氧化性能。经过离子注入试样的弯曲性能与未经离子注入试样相比变化很小。      

两种致密度2D-C/SiC层向动态压缩性能试验研究

对两种致密度的2D-C/SiC复合材料进行了层向动态压缩性能试验研究, 两种致密度材料通过控制CVI(Chemical vapor infiltration)工艺参数得到。试验在SHPB装置上进行, 使用改变波形整形器几何尺寸的方法基本实现恒应变率加载。试验结果表明: 动态压缩应力-应变曲线呈明显的非线性, 与静态试验相比两种致密度试样均有一定的应变率强化效果, 即随着应变率的增加, 抗压强度提高, 失效应变减小, 剪切损伤角增大。致密度提高后抗压强度明显增加但失效应变减小, 且表现出脆性特征, 剪切损伤角也明显增大。动态试验数据有较大的分散性, 低、 高致密度试样动态破坏强度的Weibull分布系数分别为8.36和5.27。SEM观察发现, 低致密度试样纤维束断口不平整, 高致密度试样断口相对平整; 纤维束多发生整束剪断, 动态条件下纤维破碎多于静态。      

先驱体制备典型陶瓷(C,SiC和B_xC)的化学反应机理研究

以C3H6(丙烯)+H2,MTS+H2,CH4+BCl3+H2,C3H6(丙烯)+BCl3+H2为先驱体,采用量子力学结合统计热力学、变分过渡态理论和反应动力学等方法,研究制备典型陶瓷(C,SiC和BxC)的化学反应机理。重点阐述用精确量子化学方法获取可能中间体、过渡态的结构与热化学数据、用化学势极小原理确定复杂体系化学平衡规律,以及确定化学反应通道、最佳反应途径、速率常数和反应动力学规律等。为这些陶瓷材料应用于层状碳、抗氧化SiC以及自愈合BxC陶瓷的成分控制和工艺优化提供科学基础的同时,本文也指出理论方法中的不足和改进方向。     

FLiNaK熔盐浸渗对2D C/C复合材料力学性能的影响

在650℃不同压力下将熔融的LiF-NaF-KF盐(46.5%-11.5%-42.0%,摩尔分数,FLiNaK)浸渗入2D C/C复合材料中,测试2D C/C复合材料的增重率、密度和力学性能的变化并用X射线断层扫描(X-ray CT)和扫描电子显微镜(SEM)观察FLiNaK熔盐的分布,研究了FLiNaK熔盐浸渗对2D C/C复合材料力学性能的影响。结果表明,FLiNaK熔盐分布在2D C/C复合材料开放的孔隙中、纤维束中和相邻层的裂缝中;随着浸渗压力的提高2D C/C复合材料的增重率增大、压缩强度和弯曲强度提高。FLiNaK熔盐浸渗产生的“二次增密”作用和2D C/C复合材料中残余应力的耦合效应,使其力学性能提高。     

2D-C/SiC复合材料面内剪切性能统计及强度B基准值

针对2D-C/SiC复合材料进行大子样面内剪切实验,研究材料面内剪切模量和强度的分布规律及强度B基准值。运用线性回归结合假设检验的方法,确定2D-C/SiC复合材料面内剪切力学性能的分布规律及参数,对比两种不同经验失效概率得到统计结果;通过观察试样最窄净截面微CT照片及断口电镜扫描照片,解释材料面内剪切强度分散性微观机制,基于分布规律,最终计算得到2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值。结果表明:强度和模量均同时服从威布尔、正态和对数正态分布,且理论模型与实验结果吻合良好,两种经验失效概率不影响力学性能分布规律;面内剪切强度分散性与最窄净截面致密度和界面脱粘长度有关;2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值为80.41MPa。     

受拉载荷下C/SiC铆接接头应力的数值模拟与实验验证

利用有限元模拟和实验验证研究了拉伸载荷下C/SiC铆接接头的应力分布及几何参数与破坏方式的固有关系.结果表明:接头的锥度变化对接头中的应力分布影响不大,但对应力值的影响较为明显,锥度控制在2°～10°比较合适.模拟计算的铆钉临界半径为2.2016 mm,小于2.2016 mm时,铆钉被拉断,反之,铆钉被拔出.实验得到的临界半径为2.25 mm,与计算结果的误差为2.2％,说明提出的铆接接头几何结构参数与接头破坏形式关系的模型是正确的.     

PIP结合CVI制备氧化铝-莫来石陶瓷基复合材料

通过PIP结合CVI法制备了C纤维增初三维氧化铝-莫来石陶瓷基复合材料,采用CVD法制备了防氧化涂层,研究了复合材料致密化过程、复合材料的物相、微观结构、力学性能和抗氧化性能。结果表明,CVI能够将氧化硅引入到多孔氧化铝基体内部,1400℃处理后氧化硅与氧化铝完全反应生成莫来石,显著提高了仅以PIP法制备的多孔氧化铝基复合材料的力学性能,CVD制备的氧化硅涂层有效阻止了氧气的侵入,复合材料在1200℃大气环境下保温50h后,试样三点弯曲强度保持率为70％。