高孔隙率多孔氮化硅构件较高马赫数下流-热-固耦合力学特性分析

以凝胶注模技术制备的固相含量为40%、45%、50%(质量分数,下同),孔隙率高达65.24%、63.26%、61.19%的多孔氮化硅天线罩材料作为研究对象。将测得的材料性能参数作为有限元分析模拟的数据支撑,构件模型载体选择正切尖拱形,使用FLUENT模拟流场,结构场采用ANSYS软件,热力耦合得到不同固相含量的材料在不同马赫数下流-热-固耦合后的热应力强度,对其力学特性进行分析。结果表明,较高马赫数下的飞行构件的尾部连接端是受热应力最大的部位,也是失稳较为严重的部位。飞行构件的结构稳定性需通过加固尾部连接端来提高;气动热是引起天线罩构件失稳的首要问题,解决结构失稳的关键在于解决气动热,可通过在天线罩构件外增加耐热隔层,使其免受气动热;多孔氮化硅材料的孔隙率与失稳时对应的马赫数成正比,热导率是影响多孔氮化硅天线罩构件在较高马赫数下受到热应力大小的关键因素。     

凝胶注模技术制备高强度多孔氮化硅陶瓷

采用凝胶注模技术和无压烧结工艺制备高孔隙率、高强度多孔氮化硅陶瓷。研究了浆料固相含量对多孔氮化硅陶瓷坯体相对质量损失和收缩率的影响,测定了材料在烧结前后的物相组成,分析了浆料固相含量对多孔氮化硅陶瓷显微结构、孔隙率、弯曲强度及断裂韧性的影响。结果表明:随浆料固相含量增大,坯体相对质量损失率和收缩率减小,烧结后的多孔氮化硅陶瓷孔隙率由65.24%减小到61.19%;而弯曲强度和断裂韧性分别由93.91MPa和1.48MPa·m1/2提高到100.83MPa和1.58MPa·m1/2。长棒状β-Si3N4晶粒无规律的交错搭接和相互咬合是多孔氮化硅陶瓷在保持高孔隙率的同时具有高强度的主要原因。