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。     

基于因素分析的C/SiC复合材料氧化动力学模拟

用因素分析法对C/SiC复合材料在氧气气氛下的氧化相对质量变化曲线进行了分析,确定了在不同温度区间内影响其相对质量变化的控制因素:在温度θ<700℃时复合材料的氧化速率由碳氧反应控制,属线性机制;随温度的升高,氧气通过涂层微裂纹的扩散将控制复合材料的氧化速率,属抛物线性机制;在温度θ>1000℃时,微裂纹逐步封闭,氧气通过SiO2生成层的扩散以及涂层表面的氧化将分别成为影响复合材料氧化速率的控制因素。在此基础上,建立了描述复合材料氧化过程的动力学模型。     

C/SiC复合材料高温蠕变的声发射特性

利用声发射技术(AE)对C/SiC复合材料高温蠕变试验过程进行动态监测。通过声发射参数分析法对蠕变过程中的声发射累计能量随蠕变时间变化进行了分析;同时对蠕变过程中典型AE信号的频率特征进行了分析,揭示了C/SiC复合材料蠕变损伤的演化过程及规律,给出了材料蠕变损伤发展的不同阶段以及各阶段损伤类型。     

SiC涂层C/C复合材料在1300℃湿氧环境中的疲劳行为

在半圆柱型氧化模式的基础上,建立了具有SiC涂层C/C复合材料在湿氧环境中的疲劳失效模型。在高温湿氧环境下,C/C复合材料的疲劳失效主要受到氧化深度的控制,而影响氧化深度的主要参数是涂层表面裂纹的宽度。对此疲劳失效模型,讨论分析实验温度以及外加应力对裂纹宽度的影响,考虑了疲劳载荷引起的材料模量变化对裂纹宽度的影响。在 90、105、120、135和150 MPa疲劳应力下的材料在1300℃ 湿氧环境中的平均寿命分别为48660、32645、22078、12332和4786循环。进行了实验数据与模型计算值的对比,实测寿命与预测结果吻合良好。另外,本模型在外加应力较大、实验时间较短条件下的预测数据与实验结果最为接近。     

疲劳氧化环境中3D SiCf/SiC复合材料损伤演变

研究了疲劳氧化环境中3D SiC_f/SiC复合材料损伤演变,并对该环境中SiC_f/SiC复合材料的失效机制进行了分析。结果表明,疲劳氧化环境中3D SiC_f/SiC复合材料的损伤主要为：基体开裂;热解碳界面相脱粘、氧化及取向性排列;纤维断裂、氧化及其结构的改变。这些损伤使氧化性气体通过基体开裂形成的裂纹不断氧化复合材料内部;界面相脱粘和取向性排列使纤维更容易拔出;纤维的氧化、纤维中无定形碳的增多以及SiC晶粒的长大导致纤维强度降低。     

CVD-SiC在不同气氛中的叠加氧化行为

采用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备了CVD-SiC陶瓷基片并在1500℃空气中进行预氧化处理,对比研究了预氧化前后CVD-SiC分别在1100、1300和1500℃静态水氧耦合环境下的氧化行为.采用扫描电子显微镜和X-射线衍射分析不同叠加氧化温度条件下表面形貌和物相演变规律.结果表明,预氧化后氧化(叠加氧化)和预氧化前氧化(水氧氧化)具有相似的氧化机理,均呈现出典型的抛物线型模式,两者的活化能分别为116kJ/mol和98.9 kJ/mol.     

SiC-C/SiC复合材料的高温低周应力腐蚀机理与寿命预测

研究了SiC涂层连续碳纤维增韧的SiC基复合材料(SiC-C/SiC)在低频拉-拉循环应力下,干氧环境、水蒸气环境、湿氧环境以及含硫酸钠蒸气环境中,1000℃、1200℃和1300℃高温下的应力氧化与应力腐蚀情况。通过比较复合材料在相同循环应力条件下、不同温度和环境中的寿命,揭示了复合材料在高温、循环应力状态下的腐蚀机理。研究发现,在循环应力状态下,氧气是导致SiC-C/SiC复合材料寿命下降的主要因素。1000℃<T<1300℃时,循环应力作用下SiC-C/SiC复合材料的失效机制是由碳纤维和氧气的反应机制控制的,其寿命随温度升高而线性下降。提出了SiC-C/SiC复合材料在拉-拉循环应力作用下的寿命预测公式,并利用试验结果验证了其正确性。      

燃气发生器条件下穿刺C/C复合材料喷管的烧蚀性能研究

研究了穿刺C/C复合材料喷管在酒精/氧气燃气发生器模拟的液体火箭发动机富氧燃气环境中的烧蚀性能, 分析了穿刺C/C复合材料的烧蚀机理及燃气参数对烧蚀性能的影响. 结果表明, 喷管喉部线烧蚀率为(0.055±0.029)mm/s, 质量烧蚀率为0.186kg/(m²·s). 喷管收敛段下游到喉部区域烧蚀最严重, 收敛段上游其次, 扩散段烧蚀最弱. 烧蚀过程是热化学烧蚀和气流冲刷综合作用的结果, 燃气温度和氧化性组分H₂O和CO₂含量决定穿刺C/C复合材料热化学烧蚀率, 压强和流速影响穿刺C/C复合材料的机械剥蚀.     

强噪声激励下C/SiC复合材料壁板动态响应与失效分析

高超声速飞行器热防护系统和热结构包含多种形式的复合材料薄壁结构,对巡航或再入飞行中的强噪声环境十分敏感和易发生失效破坏,严重威胁着飞行器结构的完整性和可靠性。为考核复合材料薄壁结构的耐噪声性能,基于高声强行波管噪声试验系统,选取厚度为1~3 mm的C/SiC复合材料平板作为试验件,试验件四周采用螺栓进行固定安装。通过开展156~165 dB噪声激励动态响应试验,获得了不同量级噪声作用下的动态响应变化规律。针对厚度为1 mm的试验件开展了失效试验,在168 dB噪声作用下,试验件发生了迅速破坏,采用红外无损检测设备对失效后的C/SiC复合材料平板进行检测,采用SEM对断面形貌进行观察,揭示出强噪声激励下的失效模式,可为高温复合材料结构优化设计和耐噪声失效性能评估提供技术支撑。      

安川G7系列变频器在门座起重机控制系统中的应用

文章主要介绍安川的CIMR-G7系列变频器在门座起重机械起升机构自控系统中的应用。门座起重机控制系统使用PLC与安川CIMR-G7系列变频器系统紧密结合在一起,解决了因启、停冲击大造成门座起重机设备机构及金属结构的磨损、变形、开裂、出现过早损坏、降低使用功能等问题,达到增强控制系统的稳定性、减少故障率、降低维护成本、提高装卸效率、延长使用寿命的目的。