【摘 要】
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C/C复合材料作为空天飞行器及其动力系统中不可或缺的战略性材料,具有优异的高温性能,是一种极具应用前景的高温结构材料。而LAS玻璃陶瓷作为一种介电性能独特的功能型高温材料,在高温吸波方面可发挥重要作用,但由于其自身固有的低强度和高脆性,加工性极差,难以实现大尺寸、复杂构件的成型,致使其实际应用受到极大的限制。实现C/C复合材料与LAS玻璃陶瓷的可靠连接,可充分发挥二者的各自优势,从而达到结构与功能
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C/C复合材料作为空天飞行器及其动力系统中不可或缺的战略性材料,具有优异的高温性能,是一种极具应用前景的高温结构材料。而LAS玻璃陶瓷作为一种介电性能独特的功能型高温材料,在高温吸波方面可发挥重要作用,但由于其自身固有的低强度和高脆性,加工性极差,难以实现大尺寸、复杂构件的成型,致使其实际应用受到极大的限制。实现C/C复合材料与LAS玻璃陶瓷的可靠连接,可充分发挥二者的各自优势,从而达到结构与功能一体化的目的。本论文在归纳总结相关研究的基础上,采用玻璃钎焊的方法对Si C基陶瓷表面改性的C/C复合材料与LAS玻璃陶瓷进行热压连接,着重研究纳米复合界面层、Si C-Si/MAS界面镶嵌结构设计对C/C-LAS接头连接性能的影响及其作用机制,并对接头的高温稳定性和高温剪切性能进行研究,探讨C/C-LAS接头“热震强化”的作用机制。主要研究内容和结果如下:分别采用注射化学气相沉积法(Injection chemical vapor deposition,ICVD)和先驱体浸渍裂解法(precursor impregnation and pyrolysis,PIP)在Si C过渡层表面原位生长碳纳米管(CNTs)阵列和Si C纳米线(Si Cnw)多孔层,结合热压烧结过程构建纳米增强复合界面层,研究该界面层对C/C-LAS接头连接性能的影响及其强韧化机制。所得C/C-LAS接头的室温剪切强度遵循两参数的Weibull分布:对于MAS为中间层热压连接的接头,Weibull模数m和特征强度λ分别为8.81和22.36 MPa;ICVD CNTs增强后的接头,Weibull模数m和特征强度λ分别为5.96和31.94 MPa;PIP Si Cnw增强后的接头,Weibull模数m和特征强度λ分别7.02和35.80 MPa。此外,纳米复合界面层可显著提高C/C-LAS接头的断裂韧性:ICVD CNTs的引入使接头的断裂功从5.42±1.51 k J/m2提高到8.44±2.25k J/m2,增幅约56%,PIP Si Cnw引入后接头的接头断裂功从5.79±1.09 k J/m2提高到8.16±1.04 k J/m2,增幅约41%。纳米复合界面层引入前,接头失效主要发生在Si C/MAS界面处;纳米复合界面层引入后,由于ICVD CNTs、PIP Si Cnw等纳米增强体的榫接、脱粘、拔出、桥连和偏转裂纹等机制的综合作用,接头失效路径贯穿Si C过渡层、MAS中间层和LAS基体。利用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件研究了不同形状与尺寸的Si C-Si/MAS界面附近区域的残余热应力的分布情况,结合实验研究考察了弧线型Si C-Si/MAS界面对C/C-LAS接头连接性能的影响,并分析了异形界面结构对连接性能的作用机制。提出利用Si C基陶瓷高温有氧环境中氧化发泡的设计思路,在Si C-Si表面改性的C/C复合材料表层实现多孔结构,结合热压烧结工艺构建弧线型Si C-Si/MAS界面接头的制备。研究结果表明,Si C-Si/MAS界面的异形设计在提高接头的有效连接面积的同时可大幅缓解C/C-LAS接头内部残余热应力,还有助于在界面处形成机械咬合结构,从而使接头性能得到显著提高。其中具有弧线型Si C/MAS界面的C/C-LAS接头,其表观室温剪切强度平均为32.46 MPa,与平直型接头(22.36 MPa)相比增幅约45%。考察界面增强前后的C/C-LAS接头的高温稳定性和剪切性能,并揭示接头在高温条件下的性能演化规律及其失效机理。研究结果表明,以MAS为中间层连接的C/C-LAS接头经1000℃热处理后,由于退火效应其剪切强度得以提高,但高温剪切时性能衰减严重,界面增强后的接头在300℃和600℃时的强度保持率均仅有51%和31%。以YAS为中间层连接的C/C-LAS接头经1000℃处理后强度提高不显著,保持相对稳定,但高温剪切强度依然有一定衰减,界面增强后的接头在300℃和600℃时的强度保持率分别为73%和65%。高温条件下,YAS接头的连接性能优于MAS接头,MAS接头在高温时的性能退化主要源自MAS中间层在高温时的结构稳定性极差,而YAS接头剪切强度的降低则是由高温条件下玻璃陶瓷本征性能的退化所致。对C/C-LAS接头“热震强化”现象进行研究,指出这种强化是由热震过程中的热处理因素和高低温骤变因素对接头双重作用竞争的结果。其中高温处理阶段可强化接头,而高低温骤变阶段则弱化接头,二者耦合的结果使接头的剪切强度在热震过程中表现出先增后减的变化规律。此外,热震强化除了与材料本身的固有属性密切相关外,还受循环次数和热震温度的双重影响。
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