SiC纤维增强Ti17合金复合材料轴向残余应力的拉曼光谱和X射线衍射法对比研究

准确测量和分析SiC纤维增强Ti合金复合材料(SiC_f/Ti)中残余应力状态对优化复合材料的成型工艺和理解其失效模式具有重要意义,但其残余应力的实验测量和分析仍是一个挑战.石墨C涂层作为SiC纤维与Ti17基体合金之间必需的扩散障涂层,承载了由纤维与基体之间热不匹配引入的残余应力.本文采用显微拉曼光谱法对比测量纤维表面C涂层在复合材料中和去掉基体无应力态下G峰的峰位,通过石墨C涂层应力态下峰位移动计算出SiCf/C/Ti17复合材料中SiC纤维受到～705.0 MPa的残余压应力.采用X射线衍射方法测量了不同方向上该复合材料中基体钛合金的晶面间距以获取其空间应变,根据三轴应力模型分析了复合材料中基体钛合金沿轴向方向的残余应力为～701.3 MPa的张应力,并通过线性弹性理论转化为SiC纤维的残余压应力为～759.4 MPa.两种测试方法都确定了SiC纤维在成型过程中受到残余压应力,且获得的应力值较为接近,都可以用于对SiC_f/Ti复合材料的残余应力测量.     

高压下SiC增强Al基纳米复合材料

 采用高压技术合成了纳米尺寸SiC颗粒增强Al基复合材料,针对合成中增强相与基体的化学反应行为、增强相与基体界面结合等问题进行了研究。X射线衍射、高分辨率、正电子湮没以及显微硬度结果表明：高压技术在合成SiC_p/Al纳米复合材料中,具有抑制界面反应、提高致密度、改善界面结合等优点。     

纤维增强碳化硅及其在光学反射镜中的应用

纤维增强碳化硅复合材料具有优异的力学及热学性能被广泛应用在航空航天、核能、汽车、化工等诸多领域,特别是在光学反射镜方面有良好的应用前景。本文介绍了纤维增强碳化硅复合材料的特点以及其相对传统反射镜材料的优势,对比分析了不同纤维增强碳化硅复合材料制备工艺的优缺点,阐述了不同界面层对纤维的保护作用及对复合材料性能的影响,综述了国内外纤维增强碳化硅复合材料在光学反射镜领域的应用进展,最后总结了纤维增强碳化硅反射镜坯实现大规模应用所需进一步开展的研究方向。     

ZA27/CNT界面特性电子理论研究

依据原子结合能定义了界面结合能. 采用递归法计算了纳米管增强锌铝基复合材料中ZA27/CNT界面电子结构，揭示了纳米管在ZA27合金晶界分布的微观物理本质，及其ZA27/CNT弱界面结合的电子层面的原因. 研究发现：金属基体对纳米管增强相上的碳原子态密度影响很大，而纳米管对基体金属中的铝、锌原子影响很小. 碳原子态密度与基体金属原子趋于同化，使纳米管与基体金属结合，但因同化程度不高导致界面结合较弱，影响强化效果. 如果在纳米管装饰或镀上与基体金属性质相近的原子层，会极大改善复合材料的界面结合强度，提高复合材料性能. 关键词： 复合材料 纳米管 电子结构 界面     

复合材料残余应力的拉曼测定

本文报道在拉曼光谱仪中用拉曼光谱术和荧光光谱术测定复合材料残余应力(应变)的方法和结果。复合材料组分中Al2O3的荧光R1峰、Si晶体和SiC纤维拉曼峰的位置(波数)随应变的偏移与应变值都有近似的线性关系。这种关系可用于确定复合材料中由外负荷力学作用或热学作用引起的残余应变。在显微拉曼系统中测定了ZrO2-Al2O3层状复合材料,Al-Si共晶体和SiC纤维增强玻璃复合材料的残余应变及其空间分布。     

霍尔推进器壁面材料二次电子发射及鞘层特性

霍尔推进器放电通道等离子体与壁面相互作用形成鞘层,不同壁面材料的二次电子发射对推进器鞘层特性具有重要影响,本文针对推进器壁面鞘层区域建立二维物理模型,研究了氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)和三氧化二铝(Al_2O_3)三种不同壁面材料的二次电子发射特性,在改进SiC材料二次电子发射模型的基础上,采用粒子模拟方法,讨论了壁面二次电子发射系数与电子温度和磁场强度的关系,研究了三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的鞘层特性,结果表明:修正的二次电子发射模型拟合曲线与实验曲线几乎一致;在相同电子温度下,三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的二次电子发射系数和壁面电子数密度依次增大,而鞘层电场和鞘层电势降依次减小,BN材料具有合适的二次电子发生射系数,使得霍尔推进器能在低电流下稳态工作。     

树脂基复合材料在连续激光作用下的损伤

 采用热压工艺制备了碳纤维布和高硅氧纤维布增强的环氧树脂和酚醛树脂基复合材料,研究了不同功率密度连续激光辐照下,复合材料的破坏形式及其组织结构与力学性能的变化。结果表明：当激光辐照功率密度大于0.1 kW/cm²后,树脂基体产生燃烧,碳纤维没有明显的损伤,而玻璃纤维布开始熔融,复合材料的拉伸性能降低30%~40%;当功率密度达到1 kW/cm²以后,除基体燃烧外,碳纤维复合材料产生明显的鼓泡分层,表层碳纤维有少量破断,而高硅氧纤维产生明显的熔融烧损,复合材料的拉伸性能降低80%以上。采用有限元计算方法,对碳纤维增强环氧树脂复合材料在连续激光辐照下的温度场进行了研究,计算结果与实验中复合材料的损伤行为相吻合。     

SiC纳米纤维/C/SiC复合材料拉伸行为的分子动力学研究

本文采用分子动力学计算方法和Tersoff作用势研究了无定型碳(amorphous carbon, a-C) 涂层厚度对SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料断裂方式及力学性能的影响. 分析结果发现, 随着涂层厚度的增加, 纳米纤维的平均应力集中系数下降, 即足够厚度涂层可以同时起到增强和补韧的作用. 当a-C涂层厚度t ≤ 0.3 nm时, 裂纹直接穿透纤维, 纳米复合材料表现出典型的脆性断裂方式; t = 4.0 nm时, 裂纹发生偏转, SiC纳米纤维发生拔出现象, 此时纳米复合材料的拉伸强度约为无涂层纳米复合材料的4倍, 断裂能则提高一个数量级. 计算结果表明, a-C涂层的厚度是SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料中产生韧性机理的重要因素, 即传统微米级陶瓷基复合材料的增韧理论在纳米复合材料中仍适用. 研究结果可望为设计同时具有高强度、高韧性的陶瓷基纳米复合材料提供理论基础.     

SiC过渡层制备温度对碳化硅/氟化类金刚石复合薄膜血液相容性的影响

以316L不锈钢为基底,SiC晶体为靶材,Ar为源气体,采用磁控溅射法在不同温度下制备出系列SiC过渡层.然后以高纯石墨作靶,Ar和CHF_3为源气体,在同一工艺条件下再续镀一层氟化类金刚石(F-DLC)薄膜,形成SiC/F-DLC复合薄膜.研究表明,相比于F-DLC薄膜,复合薄膜的附着力显著增加,血液相容性明显改善.通过样品的拉曼和红外光谱分析了不同温度下制备的SiC过渡层以及复合薄膜结构的演变.结果表明,控制SiC过渡层制备温度可以有效调制过渡层中C=C键的比例以及—C—C—不饱和键的密度,复合薄膜中保留较高比例的芳香环式结构以及合适的F/C比是薄膜的血液相容性得以进一步改善的原因,SiC过渡层制备温度控制在500℃左右效果尤为明显.SiC薄膜和F-DLC两种薄膜的界面处形成一定比例的Si—C键和C=C键是导致复合薄膜附着力显著上升的直接原因.适当条件下在316L不锈钢和F-DLC薄膜之间增加SiC过渡层对于增强薄膜的附着力、改善其血液相容性是可行、有效的.     

CVD-SiC纤维的拉曼光谱研究

采用激光拉曼光谱对单根CVD-SiC纤维进行了研究,并与SiCf/Ti-6A1-4V复合材料中SiC纤维的拉曼光谱进行对比分析.发现SiC纤维的第一沉积层的TO峰峰形尖锐,表明SiC晶粒较大,第二沉积层的晶粒较小,在二个沉积层中分别检测到碳和硅的拉曼峰.在复合材料中,SiC纤维的TO峰向高波数偏移,表明复合材料在制备过...     

微型样品局部弹性的声显微成象研究

对微型样品或微掺杂复合材料样品的声学和机械特性进行了声显微成象研究,利用扫描声学显微镜对陶瓷基体内掺杂氮化硼纤维的复合材料进行了研究,在单根纤维内和基体中纤维－基体界面附近出现一系列明暗相间的圆环,分析了其形成机理,它是由于声显微镜输出信号中漏泄瑞利表面波信号同从纤维－基体界面反射的漏泄瑞利表面波信号之间相互干涉的结果。通过对干涉环的分析和研究,可求出瑞利波的声速,由此对微型样品的声学特性、弹性特性和力学性质进行研究和评价。     

镀镍碳纤维复合材料的电磁脉冲屏蔽效能

研究了连续碳纤维表面化学镀镍工艺,并利用扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射仪(XRD)分析了纤维的微观形貌、镍层成分和镍层结构。测试了镀镍碳纤维和镀镍碳纤维复合材料的导电性能。制备了镀镍纤维为增强材料的抗电磁脉冲复合材料。在场强大于20kV/m的环境下测试了复合材料在频率为1.3,2.8,4.3,9.4GHz处的高功率微波电磁脉冲屏蔽效能。结果表明复合材料的高功率微波电磁脉冲屏蔽效能均大于60dB,其中2.8GHz下出现最大值91dB。     

厚胶层复合材料弱粘接结构的超声反射特性

开展了复合材料粘接结构粘接质量的非接触式超声反射特性的仿真与实验研究。首先,建立了水浸环境下纤维增强复合材料(FRP)单层板时域仿真模型,数值分析了不同入射角度下声反射系数频率谱的变化规律,并与已有理论方法进行了对比验证。基于此,建立了含厚胶层的复合材料粘接结构反射特性时域仿真模型,分析了粘接界面弱化程度对超声反射系数频谱特征点的影响规律。基于水浸超声反射特性测量系统,实验萃取了完好粘接状态的FRP粘接结构的超声反射系数频谱,与仿真结果吻合良好。随后,制备了具有不同粘接界面状态特征的FRP粘接结构试样,从实验角度揭示了单/双粘接界面弱化状态与超声反射特性间规律性的偏移特征。基于不同粘接状态与超声反射特性间的规律性分布特征,可为厚胶层复合材料粘接结构的粘接质量评估提供新的研究思路。     

基于傅里叶红外光谱的SiO_2基相变储湿复合材料结构分析及性能优选预测

以SiO_2为载体材料、脂肪酸为相变材料制备具有相变调温性能与储湿调湿性能的SiO_2基相变储湿复合材料。采用等温吸放湿法和步冷曲线法测试不同脂肪酸用量的SiO_2基相变储湿复合材料相变调温性能与储湿调湿性能。利用傅里叶红外光谱测试SiO_2基相变储湿复合材料的结构组成,分析SiO_2与脂肪酸的嵌合机理。以SiO_2基相变储湿复合材料的傅里叶红外光谱特征吸收峰作为输入层,以SiO_2基相变储湿复合材料的脂肪酸用量、相对湿度52.89%下SiO_2基相变储湿复合材料吸湿平衡含湿量与放湿平衡含湿量的平均值、SiO_2基相变储湿复合材料从30~15℃降温所需的时间作为输出层,以S型激活函数作为隐含层,利用BE神经网络建立结构参数与综合相变储湿性能的SiO_2基相变储湿复合材料性能优选预测模型。结果表明,SiO_2基相变储湿复合材料中SiO_2与脂肪酸仅为物理嵌合,未发生化学作用;当脂肪酸用量0.079 mol时,所制备的SiO_2基相变储湿复合材料具有最优的综合相变储湿性能,即在相对湿度52.89%下的吸湿平衡含湿量为0.132 3 g·g~(-1)、放湿平衡含湿量0.147 5 g·g~(-1)、平衡含湿量的平均值为0.139 9 g·g~(-1),从30~15℃降温所需的时间为1 305 s;SiO_2基相变储湿复合材料的性能优选预测模型吻合性较好,具有较高的精确度,其预测值与实测值的相对误差为-2.07%和2.45%,可以用于优选预测SiO_2基相变储湿复合材料的储湿调湿性能和相变调温性能。     

超高速弹丸撞击三维编织C/SiC复合材料双层板结构的实验研究

 目前在航天器防护结构设计中,采用的方案仍是双层（或多层）屏蔽结构 。双层板屏蔽结构由前板、后板和空隙组成。实验采用一种新型三维四向碳纤维织物结构增强SiC陶瓷基复合材料（简写为3DBC/SiC）做前板,其在超高速弹丸冲击作用下发生粉末化,和铝板做前板相比,所形成的碎片云团中有效碎片数目大大减少,减轻了对后板的破坏作用。结果表明：3DBC/SiC是航天器防护结构设计中一种比较理想的防护材料。     

石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究

由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.     

石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究

由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.     

用于低温轴密封的浸铜石墨复合材料

采用石墨作为基体材料,通过真空压力浸渍法,将铜合金浸渍入基体材料,制备了一种浸铜石墨基复合材料。测试了复合材料的硬度、线膨胀系数、导热系数、密度、孔隙率等物理性质,并与基体材料进行了对比。对材料的微观结构观测结果表明:铜合金在复合材料中形成了连续相,显著增强了复合材料的强度。铜合金浸入石墨基体后对石墨基体起到了支撑作用,使复合材料的抗压强提高三倍以上。同时,复合材料的硬度、线胀系数和导热系数有了一定程度的提高。复合材料的摩擦因数较基体有了明显的下降,这是由于浸铜石墨孔隙中形成了连续的网状铜,这对摩擦端面起到了稳定的支撑作用,使得浸铜石墨和对摩副之间形成稳定的石墨膜,起到润滑作用。     

SiC基中子探测器对热中子的响应

以SiC二极管和中子转换材料6LiF为基础,研制了SiC基中子探测器,并用241Am源与临界装置分别研究了SiC基中子探测器的粒子响应、热中子响应。结果表明:SiC基中子探测器能够满足241Am源粒子的计数测量,但由于SiC二极管灵敏区薄,故不能用于5.48 MeV的粒子能谱测量;SiC基中子探测器对热中子响应良好,不同功率下,脉冲幅度谱中可清晰看到由6Li(n,)3H的反应产物粒子、3H粒子形成的双峰;脉冲幅度甄别法可将射线及电子学噪声甄别掉;在直接测量与符合测量中,SiC基中子探测器的计数率均与临界装置功率成线性关系,且直接测量的线性度比符合测量的线性度好,最好可达0.999 97。研究表明:降低肖特基接触金属的厚度、增加其外延层厚度、提高其外延层品质,可将SiC二极管用于带电粒子能谱测量。     

用SiC薄膜作防氚渗透阻挡层的研究

采用分步偏压辅助射频溅射法在316L不锈钢表面制备SiC薄膜，作为聚变堆第一壁及包层结构材料的氚渗透阻挡层，扫描电镜观察表明，制备的膜致密，均匀，且与基体结合牢固。X射线衍射分析表明，膜具有（111）面择优取向的β-SiC微晶结构。傅里叶变换红外光谱分析发现，对应于β-SiC的Si-C键存在伸缩振动吸收峰，采用中间复合过渡层技术，可以提高SiC膜与不锈钢基体的结合强度。测量了500℃时带有SiC膜的316L不锈钢的氚渗透率，与表面镀钯膜的316L相比，氚渗透率减低因子（PRF）值达到10^4以上，溅射时衬底偏压和射频功率要影响膜的结构，从而影响PRF值，根据分析结果，从不同的膜制备工艺中初步筛选出了合适工艺。