平纹编织C/SiC单钉铆接单元的制备与拉伸行为

耐高温高强韧性连续碳纤维增韧碳化硅复合材料(C/SiC)是空天飞行器用热结构件的首选材料之一。C/SiC热结构件的结构复杂,其连接技术是推动该材料应用的关键。采用化学气相渗透工艺制备2D C/SiC单钉铆接单元,研究其微结构和拉伸行为,分析相应的失效机制。结果表明:2D C/SiC单钉铆接单元的显微结构具有多孔、非均匀粘接和非均匀钉孔间隙特征。铆接剪切强度平均值为157.77 MPa,超过2D C/SiC面内剪切强度。搭接界面脱粘、钉孔相互挤压和铆钉内纤维剪断是2D C/SiC单钉铆接单元的主要失效机制。孔周损伤呈现3种典型形貌,分别为孔周形貌完好、基体压溃和钉孔界面脱粘。     

二维C/(BC_x–SiC)_n复合材料的高温层间剪切性能(英文)

采用双槽口剪切法(double-notched shear,DNS)研究了二维(two dimensional,2D)碳纤维增强碳化硼-碳化硅[2DC/(BCx-SiC)n]复合材料的高温层间剪切性能,用扫描电子显微镜观察断口形貌。结果表明:在25～1200℃范围内,温度对2DC/(BCx-SiC)n复合材料的层间剪切强度有明显影响,在900℃时材料的层间剪切强度最高可达40.0MPa,分别比25℃和1200℃的高约13%和8%,略高于700℃的。此外,C/(BCx-SiC)n的层间剪切强度始终高于C/SiC的强度,且2种材料的层间剪切强度随温度变化规律相似。断口分析表明:层间剪切失效发生在基体内部或基体/纤维界面上,而纤维并没有受到损伤。     

C/Mo双涂层改性SiCf/Ti-6Al-4V界面性能的研究

采用真空热压工艺制备C/Mo双涂层改性SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料,并对部分热压材料进行真空热暴露处理。随后对两种材料分别进行纤维顶出试验,由顶出后的纤维表面的能谱点分析结果可知,在顶出过程中,制备态试样界面脱粘发生在C/Mo涂层之间;热处理试样界面脱粘发生在纤维与反应层TiC之间。最后,采用已有理论模型估计了两种材料的界面剪切强度与界面断裂韧性,结果表明热处理后的复合材料的界面结合更强。     

C/SiC拉伸强度与声发射演化的关联性

对平纹编织C/SiC复合材料样品拉伸破坏过程的声发射进行监测,采用基于改进遗传算法的无监督聚类方法对声发射信号进行模式识别,统计分析各类声发射模式的特征及其演化过程,结合断口分析,研究了C/SiC复合材料的拉伸强度、损伤机制与声发射信号演化之间的关系。结果表明:维断裂的声发射能量能够反映纤维/基体界面结合强度;低强度C/SiC材料中存在引起应力集中的基体富集区,在加载初期基体开裂事件占比超过50%;中强度C/SiC材料由于较强的界面,纤维损伤以单丝或部分纤维断裂事件为主;高强度C/SiC材料界面结合强度适中,纤维簇断裂是主要的失效模式。     

C/SiC拉伸强度与声发射演化的关联性EI北大核心CSCD

对平纹编织C/SiC复合材料样品拉伸破坏过程的声发射进行监测,采用基于改进遗传算法的无监督聚类方法对声发射信号进行模式识别,统计分析各类声发射模式的特征及其演化过程,结合断口分析,研究了C/SiC复合材料的拉伸强度、损伤机制与声发射信号演化之间的关系.结果表明:维断裂的声发射能量能够反映纤维/基体界面结合强度;低强度C/SiC材料中存在引起应力集中的基体富集区,在加载初期基体开裂事件占比超过50%;中强度C/SiC材料由于较强的界面,纤维损伤以单丝或部分纤维断裂事件为主;高强度C/SiC材料界面结合强度适中,纤维簇断裂是主要的失效模式.     

二维C/(BCχ-SiC)n复合材料的高温层间剪切性能

采用双槽口剪切法(double-notchcd shear,DNS)研究了二维(twodimensional,2D)碳乡纤维增强碳化硼-碳化硅[2DC/(BCx-SiC)]复合材料的高温层间剪切性能,用扫描电子显微镜观察断口彤貌.结果表明:在25～1200℃范围内.温度对2DC/(BCx-SiC)n复合材料的层间剪切强度有明显影响,在900℃时材料的层间剪切强度最高可达40.0MPa,分别比25℃和1200℃的商约13%和8%,略高于700℃的.此外,C/(BCx-SiC)n的层间剪切强度始终高于C/SiC的强度,且2种材料的层间剪切强度随温度变化规律相似.断口分析表明:层间剪切失效发生在基体内部或基体/纤维界面上,而纤维并没有受到损伤.     

微波固化成型三维中空复合材料结构的力学性能

为了改善三维中空复合材料结构微波固化成型的固化均匀性,提出了添加外部导热附加模具和内部微波吸收剂两种不同的方法。通过试验研究了附加模具的材料、厚度以及微波吸收剂种类和含量对三维中空复合材料结构力学性能的影响。结果表明,结构的平压失效模式包括芯柱失稳和压溃,剪切失效模式为芯材剪切失效和界面脱粘,短梁弯曲的失效模式为面板/芯材界面的脱粘后屈曲破坏。相比于未添加附加模具,AlN和Al_2O_3陶瓷均可以提高结构的力学性能,但AlN的增强效果更显著。AlN模具厚度的增加不利于结构的力学性能,模具厚度从0.5 mm增加到1.5 mm时,结构的平压、剪切和芯材剪切强度均随之降低。微波吸收剂的添加均可提高中空结构的力学性能,其中剪切和芯材剪切强度随着石墨含量的增加而增加,平压强度随着石墨含量的增加先增加后降低,而Fe_3O_4含量变化则对结构力学性能的影响不显著。     

B_4C/2009Al复合材料的高周疲劳性能研究及安全性分析

金相观察表明,形貌不规则的B_4C颗粒随机分布在2009Al基体中,分布比较均匀,颗粒尺寸大约为7μm。利用透射电子显微镜对复合材料的微观形貌进行观察发现,大部分B_4C颗粒和2009Al基体的界面平直、干净,只有在少数颗粒的尖角处发现Al_3BC的产生,这表明B_4C/2009Al系统比较稳定,界面结合良好。复合材料的屈服强度和抗拉强度都有了显著的提高,结合拉伸断口分析可知B_4C颗粒断裂是复合材料拉伸失效的主要原因,此外还发现有少量界面脱粘现象。     

2-D叠层炭/炭复合材料失效机理的研究

根据二维（2－D）炭／炭（C／C）复合材料存在的几种基本的失效模式，即基体开裂，分层，纤维断裂与脱粘，分别对其在拉伸载荷，剪切载荷及单轴压缩载荷下的失效机制的国内外一些研究成果进行综合评述，并给出了目前主要采用的一些失效分析方法，对2－D叠层C／C复合材料力学性能的研究具有普遍意义。     

纤维金属层板铆接损伤机理与预测的研究

纤维金属层板铆接损伤是连接件、被连接件以及铆钉等多个复杂结构的耦合损伤行为。为了预测纤维金属层板铆接损伤行为,采用Johnson-Cook失效准则预测金属层损伤,采用三维Hashin损伤准则预测复合材料层损伤,采用脱层失效理论预测层间开裂,理论预测模型的合理性通过了实验验证。通过损伤预测模型分别考察层板铺层数量、铆接预紧力、铝合金分数和结构几何对纤维金属层板铆接损伤行为及铆接刚度的影响,为FMLs铆接设计提供可行性建议。结果表明:铺层数量的增加加剧了层板自由端层间脱层剥离现象,从而降低了层板铆接强度;铝合金分数的增加能够提高层板的铆接强度,但铝合金分数大于50%时铆接强度和铆接比强度反而下降;预紧力的增大能够延缓纤维和基体的萌生,并且提升铆接刚度,使得纤维金属铆接承受更大载荷;随着横宽径比W/D和纵宽径比E/D的递增,铆接极限强度有所提高,当W/D≥3或E/D≥3时,铆接强度不再明显提高。     

碳纤维增强聚苯硫醚复合材料感应焊接研究

以碳纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)层合板为研究对象,采用DOE方法优化设计感应焊接实验方案,研究焊接接头性能,并对其截面和断口形貌进行观察,揭示焊接工艺参数对焊接接头性能的影响机制。结果表明,通过DOE方法获得最佳焊接工艺参数(功率2.0kW、压力1.5MPa、时间3.0min),焊接接头最大单搭接剪切强度为13.87MPa,与实验验证结果(13.25MPa)相近;接头剪切强度随着焊接工艺参数值的增加,均呈现先增大后减小的变化趋势;在最佳焊接工艺参数下,焊接接头结合紧密,失效形式为不锈钢网的撕裂与纤维的断裂拔出,呈现出高剪切强度;而在过低或过高焊接工艺参数下,界面脱黏为主要失效形式,剪切强度较低。     

纤维热处理对C/C-SiC复合材料剪切强度的影响

对T300碳纤维在真空环境下,在600、900、1200、1500℃进行热处理,用液硅熔渗反应法(liquid silicon infiltration,LSI)制备了不同微观组织结构的C/C-SiC复合材料。采用光电子能谱分析了热处理对纤维表面结构的影响,用光学显微镜和扫描电子显微镜对材料微观形貌进行了观察分析。采用双槽口剪切法(DNS)测试了C/C-SiC复合材料层间剪切强度(interlaminar shear strengh,ILSS),并分析了纤维热处理对材料剪切性能影响的微观机理。结果表明：碳纤维经热处理后,表面化学成分发生变化,氧含量显著降低,改变了碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced resin matrix composite,CFRP)先驱体中纤维/树脂界面结合强度,从而在CFRP裂解后形成了具有不同微观结构的C/C预制体,通过液Si对不同微结构的C/C预制体进行熔渗,获得具有不同微观结构的 C/C-SiC复合材料;DNS 测试发现碳纤维热处理能够有效改善 C/C-SiC复合材料的层间剪切强度,主要是由于纤维经热处理后制备的C/C-SiC复合材料中,SiC基体相分布较均匀并包裹在碳纤维周围,导致纤维/基体界面结合强度高。经1500℃热处理纤维增强的C/C-SiC复合材料,其剪切强度为34 MPa,与未处理的相比,ILSS提高了33%。     

图表2-5 铆接强度

铆钉孔径双剪切单剪切尸:鳍一个钉距内的车瞥之20落5之O铆接强度一般是以铆钉排列的一个钉距内的强度来表示的。因此,若以表示一个钉距内的铆钉数,则搭接铆接强度可用下式表示:.........……(1) T少兀一4月=n只=(P一d)t·cr······……(2)对接铆接强度可用下式表示:尸=2。.票dZ了........……(3) 任 只二(P一d)t·cr·····,……(4) 取二者中的较小值作为强度(舍弃大值)。式中,d为铆钉孔径(厘米),尸为钉距(厘米),”为一个钉距内的铆钉数(在图A中取1,在B中取2,在D中取l,在E中取2,在F中取3,在H中取5),T为单剪时的抗剪强度,丫为双…     

复合材料帽型加筋板界面应力与失效模拟

基于内聚力模型,采用界面单元模拟筋条和蒙皮之间的粘接界面,建立了复合材料帽型加筋板结构的有限元模型,探究了复合材料帽型加筋板在四点弯曲载荷作用下的界面应力和脱粘失效问题。结果表明,胶层脱粘是复合材料帽型加筋板的主要失效形式,脱粘失效主要受剪应力的影响,脱粘导致加筋板承载能力下降,加剧了整体结构的损伤。     

平纹编织碳纤维增韧碳化硅复合材料的力学性能及损伤演化

通过平纹编织碳纤维增韧碳化硅复合材料的拉伸、压缩和剪切的单向与循环加–卸载实验,分别研究了材料在拉伸载荷、压缩载荷和剪切载荷作用下的力学性能和损伤演化过程。结果表明:在压缩载荷作用下,材料的压缩性能下降很小,基体开裂,纤维界面脱粘和纤维束断裂为主要的失效机理;材料在拉伸和剪切载荷作用下,损伤演化过程有所区别。材料拉伸损伤演化经历损伤初始阶段、损伤加速阶段和损伤减缓阶段,为韧性断裂,损伤破坏主要表现为:基体开裂、横向纤维束开裂,界面层脱粘、层间剥离和纤维断裂;在剪切载荷作用下,经历损伤加速阶段和损伤减缓阶段,基体开裂、界面层脱粘和纤维断裂为主要的损伤机理,试样最后在最窄截面位置形成平断面。基于实验研究结果,采用回归分析方法,分别给出了材料在拉伸载荷和剪切载荷作用下损伤演化方程式。     

碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的多相反应制备与抗烧蚀性能

为提高C/C复合材料在2000℃以上有氧环境中的抗氧化烧蚀性能,本研究采用ZrB₂浆料浸渍、ZrC-SiC前驱体浸渍裂解与Si-Zr10共晶合金反应熔渗复合工艺制备了C/C-SiC-ZrB₂-ZrC复合材料,细致研究了复合材料在熔渗过程中的基体微观结构演变机理及其力学性能和抗烧蚀性能。结果表明,在反应熔渗结束后的降温阶段,部分ZrC陶瓷与残余Si熔体通过原位固-液反应转化为ZrSi₂和SiC,生成的亚微米级SiC颗粒均匀镶嵌于ZrC-ZrSi₂二元混合物中,最终形成ZrC-ZrSi₂-SiC三相混合微区。制备的C/C-SiC-ZrB₂-ZrC复合材料密度为3.18 g/cm³,开孔率为2.77%,其弯曲强度和弯曲模量分别为121.46±13.77 MPa和21.78±5.56 GPa。在其断口处能观察到较长且较多的单丝纤维拔出以及明显的界面脱黏,这表明复合材料的失效方式为韧性断裂。经2000℃,300 s的大气等离子体烧蚀,复合材料表...     

纤维增强树脂基复合材料的搅拌摩擦焊研究

利用搅拌摩擦焊实现了纤维增强树脂基复合材料的焊接,获得了焊接接头力学性能并分析了接头形成和断裂机制。结果表明,由于搅拌摩擦焊过程中搅拌针的摩擦剪切及对塑化材料的挤压作用,使树脂基体发生塑化并带动碳纤维迁移形成焊接接头,在搅拌头旋转速度950 r/min,焊接速度38 mm/min时,接头拉伸强度可以达到52.43 MPa,接近母材强度的51%,焊接接头的断裂机制主要为基体剪切断裂和纤维-基体界面脱粘。     

C/SiC复合材料在超高温燃烧室环境下的烧蚀行为EI北大核心CSCD

针对化学气相渗透法制备的C/SiC复合材料燃烧室,采用发动机燃烧风洞,研究了其在超高温燃气环境下的氧化烧蚀行为,分析了C/SiC复合材料燃烧室内各个区域的烧蚀形貌特征。结果表明:SiC在不同区域表现出不同的烧蚀行为,包括主被动氧化、层流冲刷、湍流冲刷等,这些烧蚀及其耦合作用使得SiC基体被侵蚀以及碳纤维被氧化,最终导致C/SiC复合材料在燃烧时失效。C/SiC复合材料是一种重要的超高温热防护材料,了解在服役环境下这种材料的失效机理是其应用和优化的基础。     

连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究

采用化学气相浸渗法制造了连续碳纤维和碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料，并对复合材料的显微结构和力学性能进行了研究，C/SiC／SiC复合材料的密度分别为2．1g/cm^3和2．5g/cm63，在断理解过程中表现出明显的非线性和非灾难性的断裂行为和规律，C／SiC和SiC／SiC弯曲强度分别为450MPa和850MPa，从室温至1600℃强度不发生降低；断裂韧性为20MPa.m^1/2和41．5MPa.m^1/2，断裂功为10kJ.m^-2和28．1kJ.m^-2，冲击韧性为62．0kJ.m^-2和36．0kJ.m^-2，C/SiC和SiC/SiC复合材料具有优异的抗热震性能，经1300℃→←3000℃，50次热震后，强度保持率高达96．4％，热震不是材料性能损伤的控制因素，而SiC/SiC复合材料优异的抗氧化性能，对温度梯度不敏感，得合材料喷管在液体火箭发动机上成功地通过了地面实验。     

C/SiC复合材料在超高温燃烧室环境下的烧蚀行为

针对化学气相渗透法制备的C/SiC复合材料燃烧室,采用发动机燃烧风洞,研究了其在超高温燃气环境下的氧化烧蚀行为,分析了C/SiC复合材料燃烧室内各个区域的烧蚀形貌特征。结果表明:SiC在不同区域表现出不同的烧蚀行为,包括主被动氧化、层流冲刷、湍流冲刷等,这些烧蚀及其耦合作用使得SiC基体被侵蚀以及碳纤维被氧化,最终导致C/SiC复合材料在燃烧时失效。C/SiC复合材料是一种重要的超高温热防护材料,了解在服役环境下这种材料的失效机理是其应用和优化的基础。