1 西南石油大学新能源与材料学院，四川 成都 610500
2 华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广东 广州 510640
3 成都新杉宇航科技有限公司，四川 成都 610500
钛基复合材料具有高弹性模量、高比强度、高耐磨性和优异的高温耐久性等特点，在航空航天领域有良好的应用前景。采用低能球磨制备了纳米TiC颗粒与TC4的复合粉体，然后使用选区激光熔化（SLM）制备了TiC/TC4钛基复合材料，分析了不同体能量密度（29~97 J/mm3）对复合材料成形质量、显微组织、显微硬度的影响，并总结了组织演变机理和TiC演变过程。结果表明，成形该复合材料的最佳体能量密度为50~70 J/mm3，在该范围内试样的最高相对密度可达99.7%，显微硬度为385~392 HV。横截面上，显微组织的晶粒呈特殊的双尺寸分布，即由初生β等轴晶和沿其外围生长的不规则共晶区组成；纵截面上，显微组织呈鱼鳞状形貌分布且熔池内存在大量流纹状组织。复合材料中存在未溶TiC（主要分布于初生β晶界附近）、共晶TiC（主要呈链状网络分布于共晶β晶界）以及沉淀析出TiC（主要呈颗粒状分布于晶粒内）。随着体能量密度的增加，链状共晶TiC向棒状转变，晶内TiC尺寸长大。共晶TiC与β-Ti没有取向关系，共晶TiC、沉淀析出TiC与α'-Ti均存在明显取向关系，即｛11-20｝α'-Ti∥｛110｝TiC。
激光技术 钛基复合材料 选区激光熔化 显微组织演变 TiC演变 中国激光
2024, 51(16): 1602301
1 石家庄铁道大学工程力学系，河北 石家庄 050043
2 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北 石家庄 050043
针对长脉冲热波激励后采集到的红外原始热图中缺陷对比度低、缺陷边缘模糊等问题，本文提出了一种基于傅里叶变换、频域相位积分和保边滤波的红外序列图像处理方法，该算法首先对冷却时间段内采集到的红外原始热图进行消背景处理，再利用傅里叶变换将试样表面的红外辐射信息转化为相位信息，频域相位积分处理可以将不同频率下缺陷的相位信息整合至一幅相位积分图中，最后通过保边滤波器及自适应伽马变换对积分图像进行增强和量化。该算法克服了传统方法需要人工从多张频率或成分图中甄别出最优检测结果的缺点，并且可以消除加热不均匀的影响，改善缺陷的可视化。试验结果从定性和定量两个角度验证评估了该算法的有效性，并讨论了采集参数的影响。
长脉冲热像法 傅里叶变换 相位增强 复合材料
1 湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412000
2 湖南第一师范学院智能制造学院，湖南 长沙 430100
利用激光线扫描方式建立丝状高斯热源的传热模型，并对其进行数值分析，得到脉冲激光烧蚀碳纤维的演化规律。对碳纤维复合材料（CFRP）板材进行激光烧蚀实验研究以验证所提模型的可行性。结果表明：当激光功率为9 W、激光扫描速度为200 mm/s时，板材表面绝大多数树脂被蒸发，表面粗糙度降至7.20 μm，表征数据稳定性的样本方差为1.889。实验证明了该理论模型的正确性和可行性，为CFRP材料的激光加工研究提供了参考。
激光光学 碳纤维复合材料 脉冲激光 激光烧蚀 传热模型 表面粗糙度
1 上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240
2 上海交通大学安徽（淮北）陶铝新材料研究院，安徽 淮北 235000
采用激光粉末床熔化（LPBF）工艺制备TiB2质量分数为7%的原位自生7050铝基复合材料，研究了沉积态及热处理（在475 ℃的条件下固溶处理1 h后，再在120 ℃的条件下时效处理12 h）后TiB2/7050复合材料的微观组织和室温拉伸性能的变化。结果表明：纳米量级尺寸TiB2颗粒的加入能显著抑制LPBF成形7050铝合金裂纹的产生，且采用LPBF工艺制备的TiB2/7050复合材料表现出较好的成形性。在激光功率为240 W、扫描速度为450 mm/s及扫描间距为75 μm的工艺参数组合下，沉积态TiB2/7050复合材料的最大抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为（282±4）MPa、（246±4）MPa和（2.5±0.2）%；热处理后，TiB2/7050复合材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到（346±5）MPa、（289±5）MPa和（4±0.2）%。此结果接近现有文献报道的第二相颗粒增强7050铝合金的力学性能，并进一步降低了粉末制备成本。采用LPBF工艺制备的TiB2/7050复合材料的主要强化机制是析出相强化、位错强化、晶界强化及TiB2和第二相颗粒带来的Orowan强化，热处理后获得较好的综合室温拉伸性能。
激光技术 激光粉末床熔化 TiB2/7050复合材料 热处理 力学性能
1 北京理工大学机械与车辆学院激光微纳制造实验室，北京 100081
2 中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司，北京 100094
碳纤维增强复合材料（CFRP）以其轻质高强、可设计性强等优势已成为航空航天领域不可或缺的关键材料之一。为满足制造装备的要求，需对一体成型的CFRP构件进行二次加工，然而CFRP非均质、各向异性、层合结构等特征使其在加工过程中易出现分层、毛刺、热影响区较大等缺陷。概述了CFRP各种加工方法的研究进展，对比分析了CFRP不同加工方法的优缺点，从方法、工艺及机理层面介绍了激光加工CFRP的研究现状，总结了CFRP在航空航天领域中的应用，分析讨论了CFRP激光加工当前面临的挑战和今后的研究重点。
激光技术 碳纤维增强复合材料 加工工艺 超快激光 航空航天
1 哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院，广东 深圳 518055
2 哈尔滨工业大学郑州研究院，河南 郑州 450046
3 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
激光清洗碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）表面涂层一直面临着形貌破坏与基体过热的风险。为了明晰工艺参数对激光清洗CFRP飞机蒙皮表面油漆的影响规律，探究CFRP表面油漆的激光清洗机理，进行了红外纳秒激光清洗CFRP表面油漆的实验。首先利用田口正交阵列开展了不同参数下的清洗实验。随后采用信噪比（S/N）与方差分析（ANOVA）探讨了激光功率、扫描速度、搭接率与重复频率等工艺参数对油漆清洗深度、表面粗糙度和清洗温度的影响。最后借助红外热成像与高速摄像技术，对激光清洗过程中的温度响应、羽流形成与消逝及漆层动态行为进行了观测。研究结果表明：搭接率是影响清洗深度、表面粗糙度和清洗温度的最主要参数，扫描速度与激光功率的影响同样显著，而重复频率的影响不显著。CFRP表面油漆的激光去除机制主要以激光热效应造成的热烧蚀、气化为主。
激光技术 激光清洗 碳纤维增强复合材料 除漆机理 清洗工艺 中国激光
2024, 51(12): 1202201
1 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076
针对分布式光纤传感器在航空航天领域应用中存在的应变读数异常现象，提出一种可检测和快速清除分布式光纤传感器应变读数异常的自适应后处理算法，以提高传感器监测精度与数据可靠性。该算法采用K均值聚类方法进行自适应定义阈值，以区分不同结构特征及不同服役环境导致的数据分布与噪声响应的差异性。在此基础上，对扭曲的应变曲线实行连续的几何偏置来消除应变读数异常。最后以航天燃料贮箱压力循环实验中采集的分布式光纤传感数据处理为例验证所提方法的有效性，使用Pearson相关系数来表征后处理曲线与无异常曲线的相关性，并与其他后处理算法进行对比。结果表明，针对2种主要类型、8种典型案例的应变异常现象，所提方法均能获得最佳的后处理结果，与无异常曲线的相关性系数不低于0.917。
光纤光学 瑞利散射 分布式光纤传感 K均值聚类 自适应阈值 复合材料贮箱
1 1.电子科技大学 电子科学与工程学院, 国家电磁辐射控制材料工程技术中心, 多频谱吸波材料与结构教育部重点实验室, 成都 611731
2 2.中国科学技术大学 材料科学与工程系, 能量转换材料重点实验室, 合肥 230026
随着5G无线通信与低频雷达侦察技术的飞速发展, 低频电磁波辐射已成为当代的严重问题。目前, 中高频段吸波材料的研究已趋于成熟, 而设计低频段吸波材料仍面临巨大的挑战, 亟待研究者们解决。基于四分之一波长相消机制, 本研究设计了0.5~3 GHz低频段复合吸波材料。采用简单的一步水热法, 诱导铁氧体在羰基铁粉与碳纳米管表面生长, 制备出CIPs@Mn0.8Zn0.2Fe2O4-CNTs三元复合材料, 对比研究了碳纳米管含量对材料吸收峰频率的影响。实验结果表明, 引入碳纳米管, 一方面为材料带来了界面极化、偶极极化等额外的损耗机制, 增加了材料的衰减系数; 另一方面基于四分之一波长相消机制, 高介电与高磁导率的耦合, 使材料在低频段获得良好的阻抗匹配。最终, 在4 mm厚度下, 样品分别在2.11与1.75 GHz处, 获得了-40.8与-32.1 dB的反射损耗, -10 dB带宽分别为1.70~2.70 GHz和1.40~2.20 GHz。该复合材料制备工艺简单, 低频吸收性能良好, 具有很大的应用潜力, 为开发更有效的低频吸波材料提供了新的思路和方法。
碳纳米管 复合材料 羰基铁粉 波长相消 低频吸波 carbon nanotubes composite material carbonyl iron powder wavelength cancellation low- frequency absorption
西北工业大学 超高温结构复合材料国防科技重点实验室, 纤维增强轻质复合材料陕西省重点实验室, 西安 710072
新一代高超声速飞行器热端部件服役温度不断提高, 对表面防护涂层的相稳定性和抗烧蚀性能提出了更高的要求。本工作针对传统过渡金属氧化物ZrO2、HfO2涂层开展高熵化设计, 采用高温固相反应结合超音速大气等离子喷涂制备(Hf0.125Zr0.125Sm0.25Er0.25Y0.25)O2-δ(M1R3O)、(Hf0.2Zr0.2Sm0.2Er0.2Y0.2)O2-δ(M2R3O)、(Hf0.25Zr0.25- Sm0.167Er0.167Y0.167)O2-δ(M3R3O)三种高熵氧化物涂层, 探究稀土组元含量对高熵氧化物涂层的相结构演变规律、相稳定性以及抗烧蚀性能的影响。M2R3O涂层和M3R3O涂层呈现优异的相稳定性和抗烧蚀性能, 涂层经热流密度为2.38~2.40 MW/m2的氧-乙炔焰烧蚀后仍保持物相结构稳定, 未发生固溶体分解或析出稀土组元。其中M2R3O涂层循环烧蚀180 s后的质量烧蚀率与线烧蚀率分别为0.01 mg/s和-1.16 μm/s, 相比M1R3O涂层(0.09 mg/s、-1.34 μm/s)以及M3R3O涂层(0.02 mg/s、-4.51 μm/s), 分别降低了88.9%、13.4%以及50.0%、74.3%, 表现出最优异的抗烧蚀性能。M2R3O涂层的抗烧蚀性能优异归因于其兼具较高的熔点(>2200 ℃)和较低的热导率((1.07±0.09) W/(m·K)), 使其有效防护内部的SiC过渡层以及C/C复合材料免受氧化损伤, 避免了界面SiO2相形成所导致的界面开裂。
高熵陶瓷 过渡金属氧化物 热喷涂 热防护涂层 抗烧蚀 C/C复合材料 high-entropy ceramic transition metal oxide thermal spray thermal protection coating ablation resistance C/C composite
1 1.东南大学 机械工程学院, 南京 211189
2 2.高速飞行器结构与热防护教育部重点实验室, 南京 211189
高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题, 低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象, 在不同能量下开展了低速冲击试验, 分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态, 通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌, 结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线, 分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验, 研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明, 在低速冲击载荷的作用下, 试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤, 试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能, 虽然试验件损伤勉强目视可见，但其剩余压缩强度为无损件81%, 剩余拉伸强度仅为无损件的68%。
SiC/SiC 陶瓷基复合材料 低速冲击 损伤特性 剩余强度 SiC/SiC ceramic matrix composites low-velocity impact damage characteristics residual strength
