SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料制备技术研究进展

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作者 王衍飞 刘荣军 +2 位作者 张金 杜金平 李端 《材料工程》 北大核心 2025年第4期52-74,共23页

连续碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_(f)/SiC)陶瓷基复合材料具有轻质、高强韧、耐高温、抗氧化等优异的综合性能,是在航空涡轮发动机热端部件和新型空天飞行器防热结构等领域具有广泛应用前景的先进材料。本文从SiC_(f)/SiC复合材料的四大... 连续碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_(f)/SiC)陶瓷基复合材料具有轻质、高强韧、耐高温、抗氧化等优异的综合性能,是在航空涡轮发动机热端部件和新型空天飞行器防热结构等领域具有广泛应用前景的先进材料。本文从SiC_(f)/SiC复合材料的四大组成单元出发,综述了SiC纤维、界面相、SiC基体和环境障涂层(EBC)制备技术研究进展,并提出了SiC_(f)/SiC复合材料未来发展需要突破的瓶颈问题。目前第三代SiC纤维具有近化学计量的C/Si比,并且具有优异的高温力学性能和耐温性能。界面相的结构和抗氧化性能对SiC_(f)/SiC复合材料在高温有氧环境下的力学性能起着决定性作用,探索与SiC相匹配且具有优异抗氧化性能的新型界面相,并且实现连续均匀制备,是界面相发展的研究重点。SiC_(f)/SiC复合材料常用的制备方法主要有PIP法、CVI法和RMI法,但是单一方法已经无法满足复合材料的性能需求,由此研究者主要开展了CVI-PIP联用工艺制备SiC_(f)/SiC复合材料的工艺参数、微观结构和力学性能等研究。环境障涂层作为防止SiC_(f)/SiC复合材料受到外界环境侵蚀的屏障,在第三代Si/Yb2Si2O7环境障涂层体系基础上,通过补充Si源、自愈合等策略可制备得到高可靠、长寿命的环境障涂层,从而提高SiC_(f)/SiC复合材料构件的服役寿命。为了实现SiC_(f)/SiC复合材料的广泛应用,未来还需要在复合材料结构设计、低成本制造、新型抗氧化界面相开发、抗开裂、抗剥落的新型环境障涂层研制、失效分析与寿命预测等方面开展进一步的研究工作。 展开更多

关键词 sic_(f)/sic复合材料 sic纤维 界面相 EBC涂层 制备工艺

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石墨烯强化铜泡沫对SiC_(f)/SiC复合材料与高温合金钎焊接头组织性能的影响

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作者 张瑜 张宏强 +4 位作者 梅寒 龙伟民 张雷 赵伟 郭伟 《精密成形工程》 北大核心 2025年第3期49-57,共9页

目的通过石墨烯强化铜泡沫结合AgCuTi钎料实现SiC_(f)/SiC复合材料与Nb521合金的可靠钎焊连接,并系统研究石墨烯强化铜泡沫对接头微观组织和力学性能的影响。方法采用AgCuTi钎料结合石墨烯强化铜泡沫中间层的方法实现了SiC_(f)/SiC与Nb... 目的通过石墨烯强化铜泡沫结合AgCuTi钎料实现SiC_(f)/SiC复合材料与Nb521合金的可靠钎焊连接,并系统研究石墨烯强化铜泡沫对接头微观组织和力学性能的影响。方法采用AgCuTi钎料结合石墨烯强化铜泡沫中间层的方法实现了SiC_(f)/SiC与Nb521合金的可靠钎焊连接。通过显微组织观察、能谱分析和剪切强度测试,系统研究了石墨烯强化铜泡沫对钎焊接头的影响。结果引入石墨烯强化铜泡沫后,焊缝中的Cu(s,s)从针状转变为块状,同时Ti_(2)Cu均匀弥散分布在Cu(s,s)周围,形成互锁效应与复合强化效应。钎焊接头的剪切强度提升至85 MPa,块状Cu(s,s)的形成和Ti_(2)Cu的均匀分布改善了焊缝的韧性。结论石墨烯强化泡沫铜作为中间层有效改善了钎焊接头的微观组织,促进了块状Cu(s,s)的形成,优化了Ti_(2)Cu的分布,从而显著提高了接头的剪切强度和热稳定性。 展开更多

关键词 真空钎焊 sic_(f)/sic复合材料 中间层 微观组织 力学性能

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Ag基钎料钎焊SiC_(f)/SiC复合材料异质接头组织性能研究

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作者 张瑜 张宏强 +3 位作者 梅寒 赵伟 徐彦强 郭伟 《精密成形工程》 北大核心 2025年第5期113-122,共10页

目的 解决SiC_(f)/SiC复合材料与镍基高温合金异质钎焊接头中相容性差、组织反应复杂的问题。方法采用多种Ag基钎料实现了SiC_(f)/SiC复合材料的同质与异质钎焊连接。通过SEM与热力学计算探究了不同钎料对异质钎焊接头微观组织与剪切性... 目的 解决SiC_(f)/SiC复合材料与镍基高温合金异质钎焊接头中相容性差、组织反应复杂的问题。方法采用多种Ag基钎料实现了SiC_(f)/SiC复合材料的同质与异质钎焊连接。通过SEM与热力学计算探究了不同钎料对异质钎焊接头微观组织与剪切性能的影响,揭示了异质接头组织及物相的调控机理。结果 通过对接头微观组织进行多界面表征分析,对比分析了同质与异质接头组织的差异,揭示了活性元素Ti对SiC_(f)/SiC复合材料接头微观组织的调控作用。AgCuTi钎料钎焊异质接头形成了TiC层,实现了SiC_(f)/SiC复合材料侧薄弱界面的强化,该接头微观组织均匀且无缺陷。AuCuPd钎料钎焊异质接头因Ni、Si、Pd元素的剧烈反应而导致接头存在较多脆性相与裂纹。AgCuTi钎料钎焊异质接头的强度达59 MPa,是AgCuPd的2倍,且与同质接头强度相近。结论 活性元素Ti的添加有效改善了SiC_(f)/SiC复合材料的润湿性及异质界面连接性,接头微观组织均匀、接头性能较高。 展开更多

关键词 钎焊 sic_(f)/sic复合材料 镍基高温合金 微观组织 力学性能

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面向SiC_(f)/SiC复合材料精密制孔的单层钎焊金刚石套料钻脉冲激光修整研究

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作者 钱宁 何静远 +4 位作者 苏宏华 孙雨婷 昂给拉玛 丁文锋 徐九华 《金刚石与磨料磨具工程》 北大核心 2025年第2期143-152,共10页

单层钎焊金刚石套料钻工作面磨粒的出露高度差异大、等高性难以保证,导致SiC_(f)/SiC复合材料制孔时孔径精度难控制。针对此瓶颈,提出采用脉冲激光修整单层钎焊金刚石套料钻工作面磨粒,提高磨粒等高性以改善SiC_(f)/SiC复合材料制孔精... 单层钎焊金刚石套料钻工作面磨粒的出露高度差异大、等高性难以保证,导致SiC_(f)/SiC复合材料制孔时孔径精度难控制。针对此瓶颈,提出采用脉冲激光修整单层钎焊金刚石套料钻工作面磨粒,提高磨粒等高性以改善SiC_(f)/SiC复合材料制孔精度的构想。研制单层钎焊金刚石套料钻的脉冲激光修整装置,能够显著提高套料钻工作面磨粒的等高性,修整后套料钻磨粒出露高度离散系数由修整前的0.11降低至0.04,降幅达64%。此外,修整后的套料钻在有效使用寿命范围内的孔径变化量维持在0.02 mm以内,相较未激光整形时孔径变化量降低75%,说明激光修整可提高单层钎焊金刚石套料钻工作面磨粒的等高性,实现SiC_(f)/SiC复合材料精密制孔。 展开更多

关键词 单层钎焊金刚石套料钻 sic_(f)/sic复合材料 激光修整 孔径精度 超声振动辅助加工

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熔融渗硅工艺制备的SiC_(f)/SiC复合材料在水氧腐蚀环境中的氧化行为 被引量：1

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作者 艾莹珺 赵春玲 +5 位作者 郎旭东 束小文 杨金华 刘虎 周怡然 焦健 《材料工程》 北大核心 2025年第5期152-158,共7页

采用熔融渗硅工艺制备SiC_(f)/SiC复合材料,研究试样在水氧腐蚀环境中的氧化行为。结果表明:经800℃和1200℃水氧腐蚀400 h后,不含环境障涂层(environmental barrier coatings,EBC)的试样弯曲强度保留率分别为78.8%和74.9%,含EBC的试样... 采用熔融渗硅工艺制备SiC_(f)/SiC复合材料,研究试样在水氧腐蚀环境中的氧化行为。结果表明:经800℃和1200℃水氧腐蚀400 h后,不含环境障涂层(environmental barrier coatings,EBC)的试样弯曲强度保留率分别为78.8%和74.9%,含EBC的试样弯曲强度保留率分别为95.9%和93.0%。EBC的存在能够有效地阻碍材料与水氧腐蚀介质大面积直接接触,避免复合材料力学性能明显降低。800℃时BN界面层氧化是导致SiC_(f)/SiC复合材料力学性能下降的主要原因。1200℃不含EBC试样经水氧腐蚀400 h后界面层部分消失,纤维与基体之间出现空洞,失去保护纤维的作用,同时部分界面层将纤维与基体粘连起来。BN界面层氧化、SiC纤维与基体氧化的共同作用是造成复合材料力学性能下降的主要原因。 展开更多

关键词 sic_(f)/sic复合材料 环境障涂层 弯曲强度 耐水氧腐蚀

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双磨粒划擦2D SiC_(f)/SiC复合材料实验

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作者 郭晋竹 刘瑶 +1 位作者 王优哲 王栋 《金刚石与磨料磨具工程》 北大核心 2025年第2期153-162,共10页

为揭示2D SiC_(f)/SiC复合材料的磨削去除机理和磨粒间的耦合作用,在纤维编织表面(woven surface,WS)和叠加表面(stacking surface,SS)上,进行WS0、WS45和SS0、SS90方向的双磨粒划擦实验,观察划痕表面形貌,并测量划擦力。结果表明:横向... 为揭示2D SiC_(f)/SiC复合材料的磨削去除机理和磨粒间的耦合作用,在纤维编织表面(woven surface,WS)和叠加表面(stacking surface,SS)上,进行WS0、WS45和SS0、SS90方向的双磨粒划擦实验,观察划痕表面形貌,并测量划擦力。结果表明:横向纤维主要为剪切、拉伸和弯曲断裂;法向纤维以剪切去除为主,边缘伴随有少量的弯曲去除;纵向纤维的去除以拉伸(切入点)和弯曲(切出点)断裂为主,伴随有大量的纤维剥离;基体的去除形式有裂纹扩展、延性划痕、粉末化去除和脆性剥离。划擦力大小顺序为F_(SS0)>F_(WS45)>F_(SS90)>F_(WS0),在SS0时大量的基体被粉末化去除而消耗较多的能量,WS0时主要是横向纤维和纵向纤维的去除。与单颗磨粒实验对比,去除相同体积的材料,双磨粒的法向划擦力合力小于单颗磨粒划擦的法向划擦力合力,第1颗磨粒划擦后在表面形成的损伤导致第2颗磨粒去除相同体积材料时需要的能量降低,磨粒之间表现出较强的耦合关系,使2D SiC_(f)/SiC复合材料磨削力降低的同时获得更好的表面质量。 展开更多

关键词 双磨粒划擦 sic_(f)/sic复合材料 纤维取向 划擦力 表面形貌

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试样构型与标距对SiC_(f)/SiC复合材料拉伸性能的影响

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作者 王雅娜 王振宇 +2 位作者 赵文青 李天山 焦健 《南京航空航天大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第4期610-619,共10页

为揭示试样几何构型与标距对SiC_(f)/SiC复合材料拉伸性能的影响,从同一板材上切割了哑铃形试样(A型)和两种标距的Y型端部试样(B型、C型),进行常温拉伸测试,并利用数字图像相关技术(DIC)分析损伤演化,结合断口特征深入探讨了试样构型与... 为揭示试样几何构型与标距对SiC_(f)/SiC复合材料拉伸性能的影响,从同一板材上切割了哑铃形试样(A型)和两种标距的Y型端部试样(B型、C型),进行常温拉伸测试,并利用数字图像相关技术(DIC)分析损伤演化,结合断口特征深入探讨了试样构型与标距对材料拉伸测试结果的影响。发现试样构型与标距对拉伸应力-应变曲线线性段影响较小,但构型会显著影响极限拉伸强度和破坏应变,A型试样采用平面夹持,加载中因引入附加弯矩,导致极限拉伸强度和破坏应变显著低于采用Y型吊挂夹持的B、C型试样。标距为25 mm(B型)和15 mm(C型)试样拉伸性能差异小于9%,证实了试样标距大于特征长度(L_(c)=0.49 mm)10倍时,尺寸效应可忽略。研究表明,Y型吊挂试样能准确获得材料真实性能,SiC_(f)/SiC复合材料试样标距大于5 mm可消除尺寸效应影响,研究为航空发动机热端部件性能评价与本体取样设计提供了实验依据和理论支撑。 展开更多

关键词 sic_(f)/sic复合材料 拉伸性能 试样构型 标距 夹持方式 本体取样

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砂轮种类及冷却方式对SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料磨削质量的影响

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作者 王奔 唐家杰 +1 位作者 楚闳迪 张棋 《金刚石与磨料磨具工程》 北大核心 2025年第2期163-175,共13页

SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料由于其耐高温和高比强度的特性,已成为航空发动机用先进材料之一。然而,作为一种难加工的硬脆材料,提高其加工质量和效率是当前研究的关键问题。采用电镀和烧结金刚石砂轮,在有无冷却液的条件下进行正交磨削试... SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料由于其耐高温和高比强度的特性,已成为航空发动机用先进材料之一。然而,作为一种难加工的硬脆材料,提高其加工质量和效率是当前研究的关键问题。采用电镀和烧结金刚石砂轮,在有无冷却液的条件下进行正交磨削试验,以磨削力、工件表面粗糙度和砂轮磨损程度为评价指标,探究不同砂轮种类及冷却方式对SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料磨削加工质量的影响。结果表明:采用烧结金刚石砂轮磨削加工复合材料可得到更好的表面质量和较低的磨削力,同时采用冷却液辅助磨削会降低工件表面粗糙度;由于电镀金刚石砂轮在受到较大磨削力时其金刚石磨粒更易出现成片剥落现象,其使用结果与烧结金刚石砂轮的相反,且电镀金刚石砂轮的磨损形式除磨粒损耗外还包括磨粒的烧伤、脱落等。当粗加工SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料时,应在干式磨削条件下使用电镀金刚石砂轮,并选取高转速、低进给速度及较小磨削深度的磨削参数;当精加工SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料时,应采用烧结金刚石砂轮,并采用水冷辅助方式来显著提高工件加工表面质量。 展开更多

关键词 sic_(f)/sic陶瓷基复合材料 磨削加工 表面粗糙度 砂轮种类 冷却方式

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高温介质下SiC_(f)/SiC复合材料微观结构演变与力学行为研究

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作者 杨晨曦 曹伟 +4 位作者 黄宝庆 原红星 胡江波 廉铁江 王明珠 《中国材料进展》 北大核心 2025年第2期146-153,共8页

对具有PyC/(SiC)4多层界面相的SiC_(f)/SiC复合材料在1050和1350℃氩气介质和空气氧化介质中分别进行0.25,1,4和16 h热处理,分析不同高温介质环境下SiC_(f)/SiC复合材料微观结构演变及与力学性能的关系。结果表明:高温氩气介质下暴露后... 对具有PyC/(SiC)4多层界面相的SiC_(f)/SiC复合材料在1050和1350℃氩气介质和空气氧化介质中分别进行0.25,1,4和16 h热处理,分析不同高温介质环境下SiC_(f)/SiC复合材料微观结构演变及与力学性能的关系。结果表明:高温氩气介质下暴露后的复合材料微观结构无变化,而随着热处理时间与温度的增加,由于纤维和基体受到热损伤,导致材料的拉伸强度呈下降趋势,但仍保持韧性特征。在高温空气氧化介质下,经高温短时氧化后,复合材料中的PyC界面被氧化消耗,在纤维与SiC界面相之间形成环形孔隙;经高温长时间氧化后,环形孔隙将被SiO_(2)填充。上述微观结构的变化使SiC_(f)/SiC复合材料拉伸断口形貌呈现3种类型,即含有PyC界面的复合材料具有适中的纤维拔出长度,无PyC界面的复合材料具有较长的纤维拔出长度,以及形成SiO_(2)层的复合材料无纤维拔出。经高温空气氧化介质处理后的SiC_(f)/SiC复合材料拉伸强度整体低于经氩气介质热处理后的,主要原因是纤维与基体受到氧化损伤,同时SiO_(2)在界面生成,使得材料失去韧性。 展开更多

关键词 sic_(f)/sic复合材料 微观结构 高温 氩气介质 空气氧化介质 拉伸性能

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Pt界面层对SiC_(f)/SiC复合材料力学和电磁屏蔽性能的影响

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作者 姜葳 郁荣 +3 位作者 潘海军 邓沛琳 段士昌 杨博 《陶瓷学报》 北大核心 2025年第4期796-804,共9页

SiC_(f)/SiC复合材料因具有电磁参数连续可调的特点,适用于电磁屏蔽领域。贵金属铂具有优异的导电性能,能有效反射电磁波,引入复合材料内部能够调控其电磁参数从而影响电磁屏蔽效果。采用磁控溅射工艺可实现Pt界面层均匀沉积在纤维束表... SiC_(f)/SiC复合材料因具有电磁参数连续可调的特点,适用于电磁屏蔽领域。贵金属铂具有优异的导电性能,能有效反射电磁波,引入复合材料内部能够调控其电磁参数从而影响电磁屏蔽效果。采用磁控溅射工艺可实现Pt界面层均匀沉积在纤维束表面,厚度均匀可控。随着界面层厚度的增加,复合材料的弯曲强度和电磁屏蔽性能均呈现出先增加后降低的变化趋势,在界面层厚度为150 nm时,复合材料的弯曲强度均值达到425 MPa,相较无界面层复合材料提升了32%,在10 GHz的电磁屏蔽性能从16 dB提升至32 dB,增加了一倍,主要原因是Pt界面层的引入显著提高了复合材料的强度和介电常数虚部,使得其弯曲性能和电磁屏蔽性能均得到显著提升。 展开更多

关键词 Pt界面层 sicf/sic复合材料 电磁屏蔽性能 磁控溅射法

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压水堆一回路水化学工况下SiC/SiC_(f)复合材料包壳管的腐蚀行为

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作者 汪峰 肖嘉 《腐蚀与防护》 北大核心 2025年第9期19-23,共5页

采用循环可控水化学系统模拟压水堆核电站一回路水环境,针对SiC/SiC_(f)复合材料包壳管开展高温高压水腐蚀试验。通过质量损失、微观形貌、成分分析等研究了带有CVD(化学气相沉积)-SiC涂层的SiC/SiC_(f)复合材料包壳管在高温高压环境中... 采用循环可控水化学系统模拟压水堆核电站一回路水环境,针对SiC/SiC_(f)复合材料包壳管开展高温高压水腐蚀试验。通过质量损失、微观形貌、成分分析等研究了带有CVD(化学气相沉积)-SiC涂层的SiC/SiC_(f)复合材料包壳管在高温高压环境中的腐蚀行为。结果表明:SiC/SiC_(f)复合材料包壳管在高温高压水环境中经历了腐蚀质量增加阶段、腐蚀质量增加-质量降低过渡阶段、腐蚀质量降低阶段。在腐蚀质量增加阶段,氧化物颗粒及团簇不断生长连结并形成氧化膜,减少了基体与高温高压水接触的面积,减缓了SiC的腐蚀溶解;在腐蚀质量增加-质量降低过渡阶段,氧化物颗粒或者氧化物团簇逐渐消失,表面可见密集的角状晶裸露以及腐蚀坑,SiC在高温高压水中开始以腐蚀溶解为主;在腐蚀质量降低阶段,SiC外涂层表面平整,没有发现腐蚀坑,腐蚀速率基本保持稳定。 展开更多

关键词 sic/sic_(f)复合材料包壳管 高温高压水 腐蚀

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2.5D C_(f)/SiC复合材料与SiC陶瓷微磨削性能对比试验研究

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作者 巩亚东 李远峰 +1 位作者 温泉 任启震 《东北大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第1期52-60,共9页

为探究2.5D C_(f)/SiC复合材料与SiC陶瓷的微尺度磨削过程,对比2种材料在同一工艺参数下表面显微形貌、表面粗糙度与磨削力的差异,并分析工艺参数变化对磨削性能评价参数的影响;采用直径为0.9 mm的500#电镀金刚石微磨具对2种材料分别进... 为探究2.5D C_(f)/SiC复合材料与SiC陶瓷的微尺度磨削过程,对比2种材料在同一工艺参数下表面显微形貌、表面粗糙度与磨削力的差异,并分析工艺参数变化对磨削性能评价参数的影响;采用直径为0.9 mm的500#电镀金刚石微磨具对2种材料分别进行单因素微磨削试验.结果表明,2.5D C_(f)/SiC复合材料去除过程不同于SiC陶瓷,这是因为复合材料增强纤维的存在,有效抑制了微磨削过程中裂纹的扩展;在同一工艺参数下,2.5D C_(f)/SiC复合材料表面微观形貌较好、缺陷少、表面粗糙度小,而无纤维增强的SiC陶瓷表面微观形貌较差、缺陷多、表面粗糙度大;SiC陶瓷的平均磨削力大于2.5D C_(f)/SiC,并且在微磨削过程中,2.5D C_(f)/SiC的实时磨削力信号较平稳,而SiC陶瓷的实时磨削力信号存在尖刺. 展开更多

关键词 2.5D C_(f)/sic复合材料 sic陶瓷 微磨削过程 表面微观形貌 表面粗糙度 磨削力

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Ti预处理的SiC_(f)/SiC与镍基高温合金复合铸件的界面组织与强度

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作者 林国标 朱付虎 赵斯文 《材料工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期164-171,共8页

由SiC_(f)/SiC复合材料与K403镍基高温合金熔体制备的一体化铸件,冷却到室温时会出现自行断裂。通过采用Ti粉埋覆包渗工艺在1100℃下对SiC_(f)/SiC表面进行预处理,并在适当工艺下与K403镍基高温合金熔体进行陶瓷型精密铸造,成功实现SiC_... 由SiC_(f)/SiC复合材料与K403镍基高温合金熔体制备的一体化铸件,冷却到室温时会出现自行断裂。通过采用Ti粉埋覆包渗工艺在1100℃下对SiC_(f)/SiC表面进行预处理,并在适当工艺下与K403镍基高温合金熔体进行陶瓷型精密铸造,成功实现SiC_(f)/SiC与K403镍基高温合金的一体化成形和界面的牢固结合。结果表明:Ti预处理层平均厚度为17μm左右,Ti向SiC_(f)/SiC渗透、扩散和反应,形成含TiC,Ti3SiC2,Ti5Si3Cx,SiC相的显微组织;经过与高温镍基金属液复合铸造后,预处理层演变成厚约120μm的界面反应层,其典型界面组织为Ni2Si+C+Al4C3+MC(M主要含Ti及少量的Cr,Mo,W)。预处理层的存在减轻Ni与SiC的有害石墨化反应,缓解高温金属液对SiC_(f)/SiC的热冲击,形成的界面反应层降低热膨胀系数失配造成的热应力,使得SiC_(f)/SiC与K403一体化铸件结合界面的室温剪切强度达到63.5 MPa。 展开更多

关键词 sic_(f)/sic K403 镍基高温合金 一体化铸造 复合铸造 Ti预处理层

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SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料高温环境损伤原位监测研究进展 被引量：3

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作者 吴晓晨 郑瑞晓 +3 位作者 李露 马浩林 赵培航 马朝利 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期609-622,共14页

连续SiC纤维增强SiC(SiC_(f)/SiC)复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐照等优点,在先进航空发动机热端部件和核反应堆包壳等领域具有广阔的应用前景。SiC_(f)/SiC复合材料具有纤维、界面、基体等复杂的多尺度结构,其服役环境... 连续SiC纤维增强SiC(SiC_(f)/SiC)复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐照等优点,在先进航空发动机热端部件和核反应堆包壳等领域具有广阔的应用前景。SiC_(f)/SiC复合材料具有纤维、界面、基体等复杂的多尺度结构,其服役环境苛刻、损伤失效过程复杂,深刻理解与准确分析其在近服役环境下损伤失效模式对于材料和构件的可靠服役具有重要意义。传统的“事后分析”方法无法获取材料在复杂服役环境下的损伤失效过程数据,因此迫切需要发展面向高温服役环境的复合材料原位表征测试技术。本文介绍了基于扫描电子显微镜、数字图像相关、显微计算机断层扫描、声发射、电阻等原位监测方法的基本原理、优势与局限性,重点讨论了以上各种原位监测方法及多种原位监测方法联用在SiC_(f)/SiC复合材料高温环境力学表征中的最新研究进展。最后,总结了SiC_(f)/SiC复合材料高温环境原位监测技术存在的挑战,并对多种原位技术联用、太赫兹辐射等新型检测技术、复杂构件的损伤原位监测方法等未来发展方向进行了初步展望。 展开更多

关键词 sic_(f)/sic复合材料 原位监测 数字图像相关 声发射 显微计算机断层扫描 综述

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国产三代2.5D SiC_(f)/SiC复合材料的界面力学性能 被引量：1

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作者 管皞阳 张立 +5 位作者 荆开开 师维刚 王晶 李玫 刘永胜 张程煜 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期259-266,I0001,共9页

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_(f)/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/... 连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_(f)/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_(f)/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS),根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(σ_(fu))的统计分布,通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_(i))。结果表明:利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_(f)/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能,2.5D SiC_(f)/SiC的IFSS、ISS和Gi分别为56 MPa、(28±5)MPa和(2.7±0.6)J/m2。ISS和Gi较低,表明界面结合较弱,在剪应力作用下易产生裂纹,而IFSS较大,表明界面脱黏后纤维与基体间相对滑动较为困难,阻碍了纤维拔出,不利于发挥纤维的增强作用。根据获得的界面性能和经典ACK模型,较好地预测出比例极限应力,并结合σ_(fu)预测了2.5D SiC_(f)/SiC的拉伸强度。拉伸强度预测值高于实验值,这与界面处径向残余压应力以及纤维承受的残余拉应力有关。 展开更多

关键词 2.5D sic_(f)/sic 拉伸加/卸载 纤维推入 界面剪切强度 界面脱黏能 界面滑动应力

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SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料增韧机理及界面相微区性能测试方法研究进展 被引量：4

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作者 马浩林 吴晓晨 +3 位作者 甄霞丽 李露 郑瑞晓 马朝利 《航空材料学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期174-186,共13页

作为一种典型的陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC),SiC_(f)/SiC复合材料具有高比强度、耐高温、抗氧化和抗热震等优点,在航空航天领域应用前景广阔。纤维和基体中间的界面相具有保护纤维、传递载荷、偏转裂纹等作用,赋予Si... 作为一种典型的陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC),SiC_(f)/SiC复合材料具有高比强度、耐高温、抗氧化和抗热震等优点,在航空航天领域应用前景广阔。纤维和基体中间的界面相具有保护纤维、传递载荷、偏转裂纹等作用,赋予SiC_(f)/SiC复合材料伪塑性断裂特征。界面相的设计方案会显著影响其微区性能,进而影响SiC_(f)/SiC复合材料宏观力学性能和损伤失效模式。近年来发展的基于聚焦离子束(focused ion beam,FIB)的微纳加工技术和基于纳米压痕的微观力学测试技术是表征SiC_(f)/SiC复合材料界面相微区性能的有效手段。本文综述了SiC_(f)/SiC界面相现有设计方案及界面相微区性能对增韧效果的影响机制,重点总结了单纤维顶出/顶入、微柱压缩等小尺寸力学测试(small-scale mechanical testing,SSMT)技术的应用现状及各方法的适用条件和优缺点。最后,对CMC界面相微区性能研究的发展趋势做了初步展望,并指出测试方法的标准化、测试环境的高温化及测试数据的模型化是未来的主要发展方向。 展开更多

关键词 sic_(f)/sic陶瓷基复合材料 界面相 增韧机制 小尺寸力学测试技术 界面相微区性能

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高温燃气环境下SiCf/SiC和SiC_(f)/SiC-EBC复合材料力学性能及损伤 被引量：2

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作者 王子媛 曹鑫鑫 +3 位作者 蒋婷 洪智亮 张程煜 朱旺 《航空材料学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第4期46-56,共11页

航空发动机中的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_(f)/SiC)因承受高温高速燃烧气体的氧化腐蚀而发生损伤甚至失效。本工作利用燃气发生装置模拟航空发动机中复杂燃气环境,将以一定比例混合后的航空煤油与液氧燃料点燃,形成高温... 航空发动机中的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_(f)/SiC)因承受高温高速燃烧气体的氧化腐蚀而发生损伤甚至失效。本工作利用燃气发生装置模拟航空发动机中复杂燃气环境,将以一定比例混合后的航空煤油与液氧燃料点燃,形成高温高速燃烧气体对材料进行考核。对SiC_(f)/SiC复合材料分别进行1200℃燃气环境10 h氧化实验和1000次热冲击实验,探究环境屏障涂层(environmental barrier coating,EBC)对SiC_(f)/SiC复合材料的防护作用。对燃气环境考核后的SiC_(f)/SiC复合材料和SiC_(f)/SiC-EBC复合材料进行单轴拉伸强度测试,并利用扫描电镜对其断口及截面微观形貌进行观察。结果表明:在燃气环境下氧化10 h后,SiC_(f)/SiC复合材料和SiC_(f)/SiC-EBC复合材料内部没有发生明显的界面层及纤维氧化,单轴拉伸强度下降不到2%;在燃气环境下经过1000次热冲击后,在SiC_(f)/SiC复合材料内部形成多处微裂纹并发生了界面层的氧化腐蚀,单轴拉伸强度下降41.3%;EBC涂层可以有效保护SiC_(f)/SiC复合材料免受高温燃气的氧化腐蚀,SiC_(f)/SiC-EBC复合材料在经过1000次热冲击后的单轴拉伸强度下降16.6%。 展开更多

关键词 航空发动机 sic_(f)/sic复合材料 环境屏障涂层 高温燃气 剩余强度

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2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

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作者 师维刚 张超 +2 位作者 李玫 王晶 张程煜 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期45-50,共6页

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC... 二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_(f)/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_(f)/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_(f)/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_(f)/SiC层间约束关系的复杂性;层间断面为结构性非完全损伤,发生了局部纤维桥连现象。 展开更多

关键词 2D-sic_(f)/sic复合材料 层间Ⅰ型断裂 表征分析 纤维桥连

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单颗金刚石磨粒划擦2D SiC_(f)/SiC复合材料实验

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作者 王优哲 刘瑶 +2 位作者 周扬 李家豪 黎瀚森 《金刚石与磨料磨具工程》 CAS 北大核心 2024年第3期335-345,共11页

为了揭示2D SiC_(f)/SiC复合材料的磨削去除机理,根据2D SiC_(f)/SiC复合材料的编织结构特点,分别在2D SiC_(f)/SiC纤维的编织表面(woven surface,WS)和叠加表面(stacking surface,SS)沿0°、45°和90°方向开展单颗金刚石... 为了揭示2D SiC_(f)/SiC复合材料的磨削去除机理,根据2D SiC_(f)/SiC复合材料的编织结构特点,分别在2D SiC_(f)/SiC纤维的编织表面(woven surface,WS)和叠加表面(stacking surface,SS)沿0°、45°和90°方向开展单颗金刚石磨粒划擦实验,测量其划擦力和划痕深度,并观察划痕表面形貌。结果表明:在WS0(纤维编织表面的0°方向)上SiC_(f)/SiC材料的去除方式主要为纵向纤维(纤维轴向与进给速度方向一致)的剪切、拉伸、弯曲断裂和横向纤维(纤维轴向与进给速度方向垂直)的剪切、弯曲断裂;在WS45(纤维编织表面的45°方向)上主要为纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂;在SS0(纤维叠加表面的0°方向)上主要为法向纤维(纤维轴向垂直于划擦表面)的延性去除、剪切、弯曲断裂,纵向纤维的剪切、拉伸、弯曲断裂;在SS90(纤维叠加表面的90°方向)上主要为法向纤维的延性去除、剪切、弯曲断裂和横向纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂。由于SiC纤维的各向异性,不同方向、不同断裂形式有不同的力学性能,剪切断裂所需要的力最小,拉伸断裂所需要的力最大。在相同划擦深度下,因WS0、WS45、SS0、SS90方向上断裂形式的不同和剪切、弯曲、拉伸断裂所占的比例不同,其划擦力大小依次为FSS0>FWS45>FSS90>FWS0。且磨粒切入复合材料后随着裂纹的扩展和相互贯通,SiC基体会一起被剥离去除,部分基体受到挤压去除后再次被磨粒划擦去除形成延性划痕。2D SiC_(f)/SiC复合材料切削时宜选择WS0方向,而尽量避开SS0方向。 展开更多

关键词 单颗金刚石磨粒划擦 sic_(f)/sic复合材料 纤维取向 划擦力 表面形貌

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SiC/SiC_(f)复合材料包壳管在高温高压水中的腐蚀行为

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作者 汪峰 肖嘉 《腐蚀与防护》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期26-31,共6页

采用循环高温高压水腐蚀系统模拟压水堆一回路水化学工况对SiC/SiC_(f)复合材料包壳管进行腐蚀试验。通过腐蚀后质量损失和微观形貌分析了SiC/SiC_(f)复合材料包壳管的腐蚀行为。结果表明:腐蚀过程中SiC/SiC_(f)复合材料包壳管依次经历... 采用循环高温高压水腐蚀系统模拟压水堆一回路水化学工况对SiC/SiC_(f)复合材料包壳管进行腐蚀试验。通过腐蚀后质量损失和微观形貌分析了SiC/SiC_(f)复合材料包壳管的腐蚀行为。结果表明:腐蚀过程中SiC/SiC_(f)复合材料包壳管依次经历了质量增加、质量加速损失、质量稳定损失和质量损失趋缓等阶段;在腐蚀初期的质量增加阶段,富硅的氧化物薄膜覆盖在胞状晶表面从而减缓了包壳管腐蚀溶解;在质量加速损失阶段,腐蚀溶解以及氧化物脱落导致包壳管加速腐蚀;在质量稳定损失阶段,表面腐蚀溶解和氧化物的生成起到了互相平衡作用;在质量损失趋缓阶段,试样表面出现的密集氧化物,显著缓解了腐蚀溶解,使腐蚀后质量损失速率降低。 展开更多

关键词 sic/sic_(f)复合材料包壳管 高温高压水 腐蚀

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