关键词： 陶瓷基复合材料   正交各向异性   本构模型   损伤耦合   高温性能  

摘要： 高温各向异性非线性本构关系对陶瓷基复合材料热结构设计具有重要科学和工程意义.为了分析预测2D-C/SiC复合材料在高温平面应力下的应力-应变行为,基于损伤解耦表征方法,考虑材料的损伤耦合效应、非线性和正交各向异性,建立了热力耦合损伤本构模型的理论框架.基于应变分割法,考虑热失配应力、基体开裂、界面脱黏、纤维桥连对卸载模量和残余应变的影响,给出了材料的轴向拉伸和面内剪切应力-应变关系分析模型,并进行了初步试验验证.在材料基本性能表征的基础上,对2D-C/SiC复合材料在不同偏轴角度(15°,30°和45°)和不同环境温度(27℃,973℃,1273℃和1473℃)下的拉伸应力-应变行为进行了模拟预测.结果表明,2D-C/SiC复合材料的应变响应具有显著的温度相关性,随着温度的升高材料的非线性程度降低,而随着偏轴角度的增大材料的非线性增强,不同偏轴角度下材料的表观模量均随着温度的升高有增大趋势;所建立的理论模型可对2D-C/SiC复合材料的应力-应变行为进行合理预测,模拟曲线与试验值具有较好一致性.

关键词： 碳纤维   碳化硅   高导热   复合材料  

摘要： 作为一种先进的高温结构及功能材料,高效传热和高温耐热相结合对纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(silicon carbide matrix composites,SiC CMC)在热管理领域(thermal management,TM)中的应用至关重要。常见的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料,如碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C_(f)/SiC或C_(f)/C-SiC)、碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_(f)/SiC)等,增强纤维的石墨化程度较低,难以形成有效的热输运网络。本文综述了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料制备及高导热性能等方面的最新研究进展。可通过引入高导热相、优化界面结构、粗粒化碳化硅晶体、设计预制体结构等方式提高纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的热输运能力。此外,展望了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料发展趋势,即综合考虑影响高导热碳化硅陶瓷基复合材料性能要素,灵活运用复合材料结构与性能的构效关系,以期制备尺寸稳定、性能优异的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。

关键词： 陶瓷基复合材料   航空发动机   导向叶片   无损检测   SiC_(f)/SiC  

摘要： 随着航空发动机性能进一步提升,急需发展新型轻质、耐高温、长寿命的陶瓷基复合材料导向叶片,以解决目前高温合金材料使用温度达到极限的问题。本文从导向叶片服役环境特点、材料特点、制造工艺、考核验证方法及无损检测技术等方面系统的综述了目前国内外SiC_(f)/SiC复合材料导向叶片研究进展情况,以期为国内航空发动机领域陶瓷基复合材料导向叶片的相关研究工作提供一定的参考。

关键词： SiC_(nf)增强SiC陶瓷基复合材料   Al-B-C烧结助剂   热压烧结   断裂韧性  

摘要： 以单晶碳化硅纳米纤维(SiC_(nf))为增强体,以铝(Al)粉、硼(B)粉和超细炭黑为烧结助剂,通过化学气相沉积及浸渍裂解工艺在SiC_(nf)上制备了PyC、BN双层界面包覆层,采用热压烧结法制备SiC_(nf)增强SiC陶瓷基复合材料(SiC_(nf)/SiC-CMC)。实验结果表明,Al-B-C烧结助剂在1850℃生成了液相Al8B4C7,促进了SiC陶瓷的致密化,提高了复合材料致密度。当烧结助剂含量为10wt.%时,随着Si Cnf含量的增加,复合材料内孔隙增多,致密度降低,抗弯强度和断裂韧性先增大后降低。当SiC_(nf)含量为10 wt.%时,复合材料的力学性能达到最优,抗弯强度和断裂韧性分别为414 MPa和9.65 MPa·m1/2,相较于未添加SiC_(nf)的热压烧结SiC陶瓷,其韧性提高了93.8%。微观结构分析表明,SiC_(nf)主要通过纤维拔出的方式来增加裂纹扩展时的能量消耗,达到提升陶瓷断裂韧性的效果。

关键词： 陶瓷基复合材料   旋转爆震发动机   燃烧室   主动冷却结构   热流密度  

摘要： 为了降低旋转爆震发动机燃烧室壁面温度,设计了陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构。对燃烧室主动冷却结构的传热特性进行数值模拟,获得主动冷却燃烧室壁面温度响应和温度分布规律。对燃烧室主动冷却结构进行了模型简化,将模拟旋转爆震波获得的不同壁面温度下的热流密度参数加载在冷却模型上,提高了壁面温度模拟的计算效率。结果表明:燃烧室内壁面热流密度随着壁面温度的升高而降低,扩散区的平均热流密度最大;陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构可以有效降低燃烧室壁面温度,在相同冷却流量下,矩形冷却截面的冷却效果优于圆形冷却截面,可以将燃烧室壁面的温度降到1200 K以下;燃烧室壁面最高温度在燃烧室中段区域。

关键词： 中国工程院院士   前沿动态   材料界   国际会展中心   建言献策   学术水平  

摘要： 今年7月8日,被视为我国新材料界学术水平最高、涉及领域最广、前沿动态最新的学术大会—“中国材料大会2022~2023”在深圳国际会展中心拉开帷幕,众多材料领域院士、专家、学者和企业代表参会,为材料领域的创新发展建言献策。以下是中国工程院院士董绍明在会上的主题发言(节选)。

关键词： 浆料法   固含量   氧化铝   陶瓷基复合材料   力学性能  

摘要： 氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度、抗氧化等特点,在航空航天热结构材料方向具有广阔的应用前景。使用Nextel^(TM)610纤维布作为增强体,以浆料浸渍-模压成型工艺制备复合材料粗坯,经马弗炉一次高温烧结获得氧化铝陶瓷基复合材料。通过对纤维和基体的晶体结构、力学强度等性能随热处理温度变化的影响确定适合复合材料制备的温度范围。研究不同固含量浆料对复合材料力学性能和微观结构的影响。结果表明:Nextel^(TM)610/Al 2O 3陶瓷基复合材料的弯曲强度随着固含量的增大呈先增大后减小的变化趋势,当浆料固含量为60%(质量分数,下同)时,其弯曲强度最大,达到370.68 MPa。当固含量小于60%时,复合材料弯曲强度较低的原因是纤维束内的基体填充不足;当固含量增大至65%时,复合材料弯曲强度衰减原因是过多基体缺陷的产生和纤维-基体界面间结合增强,阻碍了纤维脱粘、拔出等增韧机制。

关键词： 美国国防部   陶瓷基复合材料   新材料研究   变形工艺   金属材料   制造业   高超音速  

摘要： 制造业研究中心由美国国防部支持,致力于推动通过大变形工艺生产陶瓷基复合材料和金属材料。LIFT制造研究中心启动了新一轮项目,旨在开发高超音速武器技术(hypersonics weapons technologies)。

关键词： SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料   切削去除机理   SiC纤维   切削过程仿真  

摘要： 根据SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料的结构特点构建了二维切削有限元分析模型,发现微裂纹在基体材料的萌生与扩展、增强相纤维对裂纹扩展的阻碍是切削该材料的基本去除方式。单纤维增强SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料切削过程是基体材料的裂纹不断萌生、扩展和增强纤维不断拉断、折断而形成切屑的综合过程,刀具与基体、纤维不断的脱离、接触导致切削力波动大,切削过程呈明显的随机波动特性。SiC纤维的存在对于控制裂纹的形成与扩展具有重要作用,SiC纤维限制了裂纹的扩展长度,使得形成的切屑尺寸较小,有利于提高表面加工质量。

关键词： 陶瓷基复合材料   T型结构件   弯曲载荷   数字图像相关技术   失效分析  

摘要： 为了揭示SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料(CMCs)T型结构件在发动机服役载荷下的失效模式及承载水平,利用数字图像相关技术(DIC)研究了室温及高温环境下T型结构件在弯曲载荷下的失效行为,开展了T型结构件在室温、900℃以及1200℃下的静强度试验。DIC及断口分析结果表明,T型结构模拟件在弯曲载荷下底板首先出现分层,并沿着结合面向外扩展。随着载荷进一步增大,底板和肋板的倒圆位置出现径向裂纹,T型结构件承载能力迅速下降。T型结构件在900℃下的最大承载能力为室温的73.2%,1200℃下的最大承载能力为室温的59.1%。