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 阮景 1,2,3杨金山 1,2,*闫静怡 1,2,4游潇 1,2,4[ ... ]董绍明 1,2,5,*
1 1. 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
2 2. 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 结构陶瓷及复合材料工程研究中心, 上海 201899
3 3. 上海科技大学 物质科学与技术学院, 上海 201210
4 4. 中国科学院大学, 北京 100039
5 5. 中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
碳化硅纳米线具有优异的电磁吸收性能, 三维网络结构可以更好地使电磁波在空间内被多次反射和吸收。通过抽滤的方法制备得到体积分数20%交错排列的碳化硅纳米线网络预制体。然后采用化学气相渗透工艺制备热解炭界面和碳化硅基体, 并通过化学气相渗透和前驱体浸渍热解工艺得到致密的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料。甲烷和三氯甲基硅烷分别是热解炭和碳化硅的前驱体, 随着热解碳质量分数从21.3%增加到29.5%, 多孔SiCNWs预制体电磁屏蔽效率均值在8~12 GHz (X)波段从9.2 dB增加到64.1 dB。质量增重13%的热解碳界面修饰的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在X波段平均电磁屏蔽效率达到37.8 dB电磁屏蔽性能。结果显示, SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在新一代**电磁屏蔽材料中具有潜在应用前景。
碳化硅纳米线 电磁屏蔽 陶瓷基复合材料 热解碳 SiC基体 SiC nanowire electromagnetic interference shielding ceramic matrix composite PyC deposition SiC matrix
研究针对不同服役环境下2D SiC/SiC复合材料的电阻率特性进行了研究。从1300 ℃降至室温的无氧环境中, 复合材料的电阻率随温度降低而增大; 借助曲线拟合, 建立了电阻率与温度之间的映射关系。在1300 ℃空气环境中氧化20和60 h后, 由于PyC界面层和SiC基体的氧化, 复合材料的导电性显著降低; 以SiO2的含量定量表征氧化程度, 建立了电阻率与氧化损伤之间的映射关系。复合材料的电阻率和应力随应变的变化趋势相似, 电阻率变化率和刚度随应变的变化趋势相反。在线性阶段, 基体开裂数量极少, 刚度几乎不变, 电阻率缓慢增大; 在非线性阶段, 基体开裂数量增加较快, 造成刚度降低, 电阻率快速增大; 后半段的基体裂纹数量缓慢增多, 刚度和电阻率变化率趋于平稳。
陶瓷基复合材料 电学特性 高温特性 机械性能 损伤力学 ceramic-matrix composites electrical property high-temperature property mechanical property damage mechanics
1 西北工业大学材料学院，西安 710072
2 中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412000
3 南京航空航天大学民航学院，南京 211106
涡轮转子是燃气涡轮发动机的核心部件。受到蜘蛛网强韧性和协同承载特性启发，提出了蛛网仿生结构(SWS) SiC/SiC陶瓷复合材料涡轮叶盘的制备方法，通过SWS预制体设计与成型，完成了SWS-SiC/SiC涡轮叶盘制备，表征了SWS-SiC/SiC涡轮叶盘性能。结果表明：所制备SWS-SiC/SiC涡轮叶盘的破裂转速达到n=118 000 r/min (叶尖线速度达到702.84 m/s)，是常规2D-SiC/SiC涡轮叶盘破裂转速的3.09倍，是某燃气涡轮发动机涡轮叶盘设计转速(n=85 000 r/min)的1.86倍；经设计转速测试后，所制备SWS-SiC/SiC涡轮叶盘的一阶、二阶、三阶频降分别是：0.41%、0.03%和0.26%。
陶瓷基复合材料 涡轮叶盘 仿生结构设计 燃气涡轮发动机 ceramic-matrix composites turbine blisk bionic structural design gas turbine engine
浙江理工大学材料科学与工程学院, 先进陶瓷材料与纤维研究所, 杭州 310018
以SiC纳米纤维(SiCnf)为增强体, 通过化学气相沉积在SiC纳米纤维表面沉积裂解碳(PyC)包覆层, 并与SiC粉体、Al2O3-Y2O3烧结助剂共混制备陶瓷素坯, 采用热压烧结工艺制备质量分数为10%的SiC纳米纤维增强SiC陶瓷基(SiCnf/SiC)复合材料。研究了PyC包覆层沉积时间对SiCnf/SiC陶瓷基复合材料的致密度、断裂面微观形貌和力学性能的影响。结果表明: 在1 100 ℃下沉积60 min制备的PyC包覆层厚度为10 nm, 且为结晶度较好的层状石墨结构; 相比于纤维表面无包覆层的复合材料, 复合材料的断裂韧性提高了35%, 达到最大值(19.35±1.17) MPa·m1/2, 抗弯强度为(375.5±8.5) MPa, 致密度为96.68%。复合材料的断裂截面可见部分纳米纤维拔出现象, 但SiCnf/SiC陶瓷基复合材料界面结合仍较强, 纳米纤维拔出短, 表现为脆性断裂。
SiC陶瓷基复合材料 SiC纳米纤维 裂解碳包覆 化学气相沉积 断裂韧性 热压烧结 SiC ceramic matrix composite SiC nanofiber pyrolysis carbon coating chemical vapor deposition fracture toughness hot pressing
1 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240
2 西北工业大学，超高温结构复合材料重点实验室，西安 710072
3 北京强度环境研究所，可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100076
为揭示平纹Cf/SiC复合材料的拉伸损伤演化及失效机理，开展了X射线CT原位拉伸试验，获得材料的三维重构图像，利用深度学习的图像分割方法，准确识别出拉伸裂纹并实现其三维可视化。分析了平纹Cf/SiC复合材料损伤演化与失效机理，基于裂纹的三维可视化结果对材料损伤进行了定量表征。结果表明：平纹Cf/SiC复合材料的拉伸力学行为呈现非线性，拉伸过程中主要出现基体开裂、界面脱黏、纤维断裂及纤维拔出等损伤；初始缺陷易引起材料损伤，孔隙多的部位裂纹数量也多；纤维束外基体裂纹可扩展至纤维束内部，并发生裂纹偏转。基于深度学习的智能图像分割方法为定量评估陶瓷基复合材料损伤演化与失效机理提供了有效分析手段。
陶瓷基复合材料 Cf/SiC复合材料 损伤 断裂 原位试验 人工智能 ceramic matrix composite Cf/SiC composite damage fracture in-situ test artificial intelligence
浙江理工大学材料科学与工程学院，先进陶瓷材料与纤维研究所，杭州 310018
研究采用不同成型压力制备不同体积分数的SiC纳米纤维预制体，并通过前驱体浸渍裂解和反应熔渗联用工艺制备了SiC纳米纤维增韧SiC陶瓷基复合材料。研究了成型压力对SiC陶瓷基复合材料结构和性能的影响。结果表明，通过模压成型可实现高体积分数的SiC纳米纤维预制体的制备。当成型压力为40 MPa时，预制体SiC纳米纤维体积分数高达22.13%，但过高的成型压力也会导致SiC纳米纤维断裂。相较于单一前驱体浸渍裂解工艺，采用前驱体浸渍裂解和反应熔渗联用工艺制备的复合材料孔隙率显著降低，材料平均孔隙率从14.19%降至1.43%。当成型压力为30 MPa时，复合材料中游离硅含量低且SiC纳米纤维断裂少，材料抗弯强度和断裂韧性分别达到最大值178 MPa和21.6 MPa·m1/2。
SiC纳米纤维 成型压力 前驱体浸渍裂解 反应熔渗 碳化硅陶瓷基复合材料 SiC nanofiber molding pressure precursor infiltration and pyrolysis reactive melt infiltration silicon carbide ceramic matrix composite
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054
碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)具有密度低、强度高、耐高温、抗腐蚀等优点,在航空航天领域具有广泛的应用潜力。但是CMC-SiC属于具有超高硬度且各向异性的难加工材料,常规加工技术难以胜任这种新型材料的优质高效加工。激光加工凭借加工质量高、非接触加工、输入热量低、适用范围广、易于和数控技术结合实现自动化等优势,有望成为CMC-SiC材质构件精密制造的主流技术。本文从CMC-SiC与激光的相互作用机理出发,分析了激光加工CMC-SiC中出现的典型热致缺陷,阐述了超短脉冲激光在CMC-SiC精密加工中展现的优势。在此基础上,指出了CMC-SiC激光加工技术的发展趋势,旨在为新型航空航天CMC-SiC材质构件的精密制造提供理论依据与技术参考。
激光光学 激光加工 碳化硅陶瓷基复合材料 作用机理 热致缺陷 超短脉冲激光
