3D C/SiC复合材料压缩失效规律研究

目的　对三维四向和三维正交两种碳纤维织物结构增强的碳化硅陶瓷（简称３ＤＣ／ＳｉＣ）复合材料的压缩失效规律进行研究;方法　采用先驱体转化法得到两种３ＤＣ／ＳｉＣ,在美制ＮＥＷ８１０ ＭＴＳ系统上进行压缩; 结果　三维四向碳纤维增强ＳｉＣ陶瓷（简称３ＤＢＣ／ＳｉＣ）存在两个压缩极限载荷,表现为织物结构的失稳; 而三维正交ＳｉＣ陶瓷（简称３ＤＯＣ／ＳｉＣ）只有一个极限载荷,表现为基体的破坏和纤维碎断; 结论　织物结构形式对３Ｄ Ｃ／ＳｉＣ复合材料的压缩性能有较大影响;     

SiC/Ti(C,N)/Al2O3陶瓷复合材料的抗热震性能设计及其切削应用

抗热震性能是结构陶瓷材料的重要性能之一．以抗热震断裂参数表征材料的抗热震性能，采用理论与实验相结合的方法，建立了基于抗热震性能的陶瓷复合材料的组分设计模型，并采用计算机辅助优化设计技术求得材料的最优组分．结果表明：当Ti（C，N）和SiC的体积含量分别为10．4％和27．1％时，该材料具有最高的抗热震性能，比纯氧化铝陶瓷提高约55％．在此基础上，利用热压技术制得一种SiC／Ti（C，N）／Al2O3复合陶瓷材料．将该材料制成切削刀具，并在切削实验中通过设计切削条件使得刀具主要承受热载荷和热应力的作用，从而发生热）中击破损．实验发现，SiC／Ti（C，N）／Al2O3复合陶瓷刀具切削淬火钢时的抗热）中击破损性能较纯Al2O3陶瓷提高约62-68％，与抗热震性能设计的理论预测基本吻合．这表明，该设计方法是可行的．     

三维连通网状SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料室温单轴压缩断裂行为

在室温下,利用WDW-E100D万能试验机和SEM研究了三维连通网状结构SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料的准静态单轴压缩变形和断裂行为. 结果表明,复合材料的轴向压缩断裂强度达到了1270MPa,在压缩条件下复合材料的断裂发生在弹性变形阶段,断裂前观察不到塑性变形;试样发生纵向劈裂和剪切断裂;三维连通网状结构SiC陶瓷是主要的承载单元,断口形貌为层片状、台阶式的解理断裂;非晶合金发生粘性流动,在变形过程中形成纹脉状断口形貌,出现典型的热软化效应.     

SiC颗粒粒径和相对密度对泡沫SiCp/ZL104复合材料压缩性能的影响

采用CaCO3作为发泡剂用熔体发泡法制备泡沫SiC/ZL104复合材料,用CMT5205电子万能试验机对该材料压缩性能进行测试,并分析泡沫SiCn/ZL104复合材料在外力作用下的破坏机理及SiC颗粒粒径和相对密度对该材料压缩性能的影响规律。研究结果表明：泡沫SiCp/ZL104复合材料受轴向压缩时由于孔壁发生弯曲和横向拉伸而呈脆性逐层破坏或沿斜截面断裂的特征;当SiC颗粒粒径由28 μm减小到5 μm时,泡沫5％SiCp/ZL104(体积分数)复合材料的屈服应力由5 MPa增至11MPa;当其相对密度由0.16增至0.32时,对应的屈服应力由5 MPa增至10MPa。     

石墨烯增强铝基SiC复合材料的动态失效机理与抗侵彻性能

研究石墨烯增强铝基复合材料的动态力学性能、失效机理以及抗侵彻性能.通过静、动态压缩测试掌握了材料在0.001~5 200.000 s-1应变率范围内的力学性能,揭示了该材料的应变率效应,结合光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）分析了该材料在静、动态压缩下的断裂机理;通过弹道枪试验掌握了该材料与Q235钢面板层叠构成复合结构及12~18 mm厚Q235A钢板的弹道极限速度及极限比吸收能.试验结果表明,Q235A钢/石墨烯增强铝基复合结构的极限比吸收能是12~14 mm厚度范围Q235A钢板的1.79倍,34.10 mm厚石墨烯增强铝基SiC复合材料的极限比吸收能与16.70 mm厚Q235A钢相当.      

三维连通网状SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料动态变形特征

利用分离式霍普金森压杆装置,对三维连通网状SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料进行不同应变率下的动态压缩实验,采用扫描电子显微镜研究复合材料的动态变形特征和断口形貌.结果表明:复合材料的动态压缩强度随着打击速度的增加而增加;试样发生劈裂和剪切断裂,陶瓷相断口形貌为层片状、台阶式的解理断裂,非晶合金发生粘性流动,断口形貌复杂多样.在应变率＞104 s-1的冲击载荷下,非晶相表现为软化后的多重脊状条带.复合材料断口上大量的非晶球形液滴及非晶软化条带的发现表明,绝热温升在非晶变形与断裂过程中起重要作用.     

活塞用复合材料的制备和拉伸性能研究

通过对ＳｉＣＰ／ＺＬ１０９ 复合材料制备工艺的研究,成功地制备了晶粒细小、组织致密、缺陷较少且ＳｉＣ颗粒分布均匀的ＳｉＣＰ／ＺＬ１０９ 复合材料。同时,测试了该材料的拉伸性能,对拉伸性能提高（或降低） 的原因进行了探讨;采用扫描电子显微镜对材料的拉伸断口进行了观察,发现复合材料及未增强基体合金的断裂虽均属于塑性断裂与脆性断裂的混合型模式,但随着ＳｉＣ颗粒在复合材料中的体积分数增加,脆性断裂特征更为显著。     

基于三维应变渐进损伤准则的复合材料层合板大开孔压缩损伤研究

针对复合材料层合板大开孔压缩,将二维应变渐进损伤准则修正为三维应变渐进准则,使其能够模拟层合板的分层损伤,建立了复合材料层合板大开孔压缩损伤分析模型。利用UMAT子程序将基于三维应变渐进损伤准则引入到分析模型中预测纤维、基体及分层等失效演化过程;并对大开孔复合材料层合板进行试验研究。试验结果表明所建立的基于三维应变渐进损伤准则的层合板大开孔分析模型能很好地模拟大开口复合材料层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展及破坏模式;并最终预测复合材料层合板大开孔的破坏强度。     

保温时间对原位生成Si3N4结合MgO-C耐火材料的性能影响

 以电熔镁砂、Si粉和鳞片石墨为主要原料,木质磺酸钙溶液(1.25g/mL)为结合剂,采用两段保温烧结工艺氮气气氛下低温段1350℃保温2h和高温段1450℃分别保温2、3和4h烧成MgO-C材料.研究了保温时间对MgO-C材料物相组成、显微结构形貌以及常规物理性能的影响.结果表明,当保温时间从2h增长到3h时,试样中的物相组成以及原位生成的α-Si₃N₄和SiC晶须尺寸无明显变化,随着保温时间继续增加到4h,Si单质相消失,晶须尺寸出现明显增长.常规物理性能方面,随着保温时间的增加,试样内部CO_(g)、SiO_(g)生成量不断增加,显气孔率不断增大,体积密度和耐压强度不断下降.     

SiC/C功能梯度材料的制备

以经典无限大叠板理论和热弹性力学为基础,通过自选开发的计算机辅助设计系统对SiC/C FGM中的热应力分布进行了理论分析,得到制备SiC/C的功能梯度材料最佳工艺参数,采用热压烧结工艺,在1950℃,25MPa和保温1h的条件下制备出了F4和F7两种无宏观缺陷的块体SiC/C功能梯度材料,采用SEM对FGM微观结构进行了观察。500℃室温淬水实验表明,按最佳参数制备的功能梯度材料F7具有良好的抗热震性能。     

α-C3N4的冲击波合成

采用柱面飞管加载装置对双氰胺(C₂N₄H₄)和镍粉混合物进行冲击加载,合成了一种高密度的氮化碳相(α-C₃N₄). 采用拉曼光谱(Raman)、红外光谱(IR)和透射电子显微镜(TEM)对回收样品进行成分、结构和形貌分析. 研究表明,冲击压力和温度是合成α-C₃N₄的重要条件,调整冲击温度,控制淬火速率,是生成α-C₃N₄的关键. 冲击压缩富氮的有机前体,为合成高密度的氮化碳相提供了一种新的途径.      

纤维增强复合材料机翼长桁压缩破坏预测方法

提出了一种分析和预测在压缩载荷作用下纤维增强复合材料机翼长桁的极限承载能力以及破坏位置的方法,建立了分析其形变和渐进破坏的有限元模型,采用应力描述的二维Hashin失效准则预测材料的初始失效,并提出了一种材料受损后的刚度折减方案;由应力失效和断裂力学中的能量释放率控制材料渐进损伤的演化模式,并以损伤变量的形式表征材料的受损程度;在有限元软件ABAQUS/Standard平台上编写用户材料子程序（UMAT）,运用黏性正则化方法帮助收敛,并将其预测结果与复合材料机翼长桁的压缩实验结果加以对比.结果表明,所得极限承载能力以及破坏位置的预测结果与相应的实验结果较吻合.     

复合材料层合圆柱壳体缓冲吸能的实验与模拟

根据复合材料层合圆柱壳体受轴向冲击作用下的动力学,通过准静态压缩实验对标准型和采用花瓣型引发方式的玻璃纤维增强复合材料(GFRP)层合圆柱壳体的缓冲吸能特性进行了研究,运用ANSYS/LS-DYNA基于Chang-Chang失效准则判断的模型对落锤冲击下复合材料层合圆柱壳体的动力响应过程进行了模拟,标准型复合材料层合圆柱壳体模拟的结果与关键性实验数据能较好地吻合,其中4ms时刻的速度、位移、加速度以及加速度峰值的误差分别为19.5%,12.0%,6.4%,14.6%.而花瓣型复合材料层合圆柱壳体在引发方式上的改进使得材料在比吸能上有所提高,而且能极大地降低初始荷载峰值并延长到达峰值所需的压溃位移长度.利用基于Chang-Chang失效准则判断的模型可准确模拟压溃过程和材料的失效现象.     

基于扰动理论的沈阳中粗砂本构模型

针对沈阳地区中粗砂在不同围压下的三轴固结排水剪切试验,发现中粗砂的相对密实度对其强度和变形特性有重要影响.以相对密实度为自变量,提出了统一扰动度函数.基于试验数据,建立了统一扰动度与初始模量和峰值强度的函数关系,提出考虑扰动的D-C模型.将其预测结果与D-C模型预测结果及试验结果进行对比:D-C模型的预测值在D_D接近0时与试验结果比较一致;土体受到正扰动时,D-C模型预测的应力值较该修正模型偏大;而土体受到负扰动时,其预测的应力值又相对偏小,因此考虑扰动的D-C模型能更好地模拟沈阳地区中粗砂的强度及变形特性.     

原位生长碳纳米管增强SiCf/SiC复合材料的力学性能简

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料（SiCf/SiC）是航空航天和聚变能源等高技术领域理想的高温结构材料,改善纤维与基体的界面结合是提高其力学性能的关键。本文采用化学气相沉积法在纤维表面原位生长碳纳米管,以达到改善纤维与基体的结合同时对复合材料进行二次增强的目的。结果表明,采用碳纳米管增强的SiCf/SiC复合材料的力学性能有不同程度的提高,特别是当碳纳米管的体积分数为5．31％时,复合材料的断裂韧性提高106．3％。纤维表面的碳纳米管层与纤维结合较弱,能够促进纤维的拔出,从而促进复合材料断裂韧性的提高;另外,碳纳米管的拔出对复合断裂韧性的提高也有一定的促进作用。     

短时冻区残积土细观破坏过程的离散元模拟

为明确短时冻区残积土体细观破坏规律,以福建省短时冻区典型残积土为例,基于三轴试验数据对不同短时冻融次数下残积土的细观参数进行标定,同时分析围压及冻融次数下残积土细观破坏过程.结果表明:残积土在压缩过程中,逐步呈现出一个菱形区域,最终菱形区域会形成一个剪切面.残积土压缩时破坏过程可分为弹性变形阶段、塑性发展与强度峰值阶段以及峰后破坏三个阶段.残积土的稳定性会因土体周围围压的上升和土体冻融次数的减少而提高,同样也会增加残积土的抗剪强度.     

Ti3SiC2/TiC复合材料的制备及力学性能研究

弓网系统中,各种类型的受电弓滑板承担着传输电能的重要功能,其严酷的工作条件对受电弓滑板材料的性能提出了非常苛刻的要求。目前最主要的受电弓滑板有：粉末冶金滑板,纯碳滑板和浸金属碳滑板。其中碳滑板材料性能较好但价格昂贵,粉末冶金滑板材料价格便宜,但性能明显逊于前者。Ti3SiC2/TiC是一种兼具陶瓷与金属性质的新型材料,与碳滑板材料相比,其电阻率低,且具有良好的抗氧化性和自润滑减摩性,因此Ti3SiC2/TiC将可能成为一种工艺简单、成本更低、而性能则更高的新型受电弓滑板材料。本研究以Si、Ti和C为原料,利用熔渗反应烧结技术制备出Ti3SiC2/TiC复合材料,研究结果表明,制备样品的弯曲强度与硬度分别达到 423MPa~564MPa 和169~249HB。同时,本文对Ti3SiC2/TiC复合材料的断裂机理进行了研究。     

层状岩石强度特征及其数值实现

为了实现层状岩石横观各向同性的数值描述,首先通过理论分析得到层状岩石的强度特征以及层理面处于极限应力平衡状态时,主应力满足的条件;然后,应用相应数值实现方法,对比理论分析结果与数值计算结果。结果发现,单轴压缩和三轴压缩情况下,对于不同的层理面倾角,数值计算与理论分析的结果基本相同,差别在2%以内,说明所引入的数值计算方法能够较好地描述层状岩体的破坏特征。     

Ultrahigh-quality silicon carbide single crystals

Silicon carbide (SiC) has a range of useful physical, mechanical and electronic properties that make it a promising material for next-generation electronic devices. Careful consideration of the thermal conditions in which SiC [0001] is grown has resulted in improvements in crystal diameter and quality: the quantity of macroscopic defects such as hollow core dislocations (micropipes), inclusions, small-angle boundaries and long-range lattice warp has been reduced. But some macroscopic defects (about 1-10 cm(-2)) and a large density of elementary dislocations (approximately 10(4) cm(-2)), such as edge, basal plane and screw dislocations, remain within the crystal, and have so far prevented the realization of high-efficiency, reliable electronic devices in SiC (refs 12-16). Here we report a method, inspired by the dislocation structure of SiC grown perpendicular to the c-axis (a-face growth), to reduce the number of dislocations in SiC single crystals by two to three orders of magnitude, rendering them virtually dislocation-free. These substrates will promote the development of high-power SiC devices and reduce energy losses of the resulting electrical systems.     

碳还原粉煤灰制备SiC/Al2 O3系复合材料

在氩气气氛下,以粉煤灰为原料,石墨为还原剂,研究碳还原粉煤灰制备SiC/Al2 O3系复合材料的反应过程,并探索其制备的工艺条件.利用X射线衍射分析还原产物的物相变化规律,使用扫描电镜和能谱仪观察复合材料的微观结构.结果表明：在1673 K粉煤灰中石英相与碳反应生碳化硅,1773 K莫来石相基本分解完全.随着反应温度的升高,生成碳化硅和氧化铝含量增加,较合适的温度条件为1773~1873 K;保温时间的延长,有利于碳化硅和氧化铝的生成,较好的保温时间为3~4 h;增加配碳量对碳化硅和氧化铝的生成有促进作用,较合适的C/Si摩尔比为4~5.在制备出的SiC/Al2 O3复合材料中碳化硅在产物中分散较为均匀,并且粒度小于20μm.