化学气相渗透工艺制备高温氧化铝陶瓷辊棒复合材料

　　采用化学气相渗透(chemicalvaporinfiltration,CVI)工艺制备耐高温陶瓷管复合材料(ceramicmatrixcomposites,CMCs)的模拟与可视化、柔性与鲁棒性以及强韧性控制与设计等研究的进展和趋势.耐高温陶瓷管复合材料气相制造过程模拟涉及气体传输、反应热力学与动力学、预制体的孔隙结构建模等理论,是一个典型的多尺度和多物理场问题.运用量子化学、化学热力学、微观动力学、有限元、水平集和人工智能等方法,实现了复合材料致密化过程的模拟和成分分析,更加精准地反映了气体在多孔预制体中的各向异性传输和沉积过程,为工艺优化提供更准确的控制参数.CVI工艺制备耐高温陶瓷管复合材料具有柔性与鲁棒性等工艺特性,包括应用广泛性,可控制、可调整与可设计性,可连接与可组装性,可纠错、可修复与可兼容性等诸多特性,适用于耐高温陶瓷管复合材料微结构的调控,是耐高温陶瓷管复合材料领域最先进的基础制造方法.耐高温陶瓷管复合材料的强韧性一直是其发展中的核心问题,增强体纤维、基体及二者界面之间的模量匹配,以及热残余应力和纤维基体体积分数等参数的设计与控制是这个核心问题的关键.通过合理控制与设计这些参数,可以实现耐高温陶瓷管复合材料的强韧化控制与设计,从而适应不同使用环境条件的需求.

　　对A、B、C三种工艺制备的2D和2.5D编织耐高温陶瓷管复合材料进行了准静态拉伸试验,试验采用的加载速率分别为0.02mm/min、0.2mm/min、1mm/min、5mm/min、25mm/min、125mm/min。获得了不同加载速率下,2D和2.5D编织耐高温陶瓷管复合材料的应力-应变曲线。基于所获得试验结果,讨论了加载速率对2D和2.5D编织耐高温陶瓷管复合材料力学性能产生影响的原因。试验A、B工艺的2.5D编织耐高温陶瓷管复合材料对加载速率的变化不敏感;C工艺的2D编织耐高温陶瓷管复合材料对加载速率变化不敏感,而A工艺的2D编织耐高温陶瓷管复合材料对加载速率变化较为敏感,随着加载速率的增加,材料的初始弹性模量有较大程度的增大,破坏应变有所减小。基于基体强度分布理论,模拟了对加载速率不敏感的2D编织耐高温陶瓷管复合材料在拉伸载荷下的应力-应变行为。

　　以钢纤维为增强材料,采用氮气保护烧结方法制备出了钢纤维增强耐高温陶瓷管摩擦材料,用XD-MSM型定速摩擦磨损试验机对比不同钢纤维含量对耐高温陶瓷管摩擦材料的热衰退性能、恢复性能以及磨损性能的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面形貌,并探讨了其磨损机理.研究钢纤维的添加量(质量百分数)为24%时,钢纤维同耐高温陶瓷管体界面结合良好,耐高温陶瓷管摩擦材料的耐磨性能有所提高,热衰退率仅为5.8%,恢复率达到了107.8%,表明此配方耐高温陶瓷管摩擦材料具有较高的抗热衰退性能和恢复性能;钢纤维的含量影响耐高温陶瓷管摩擦材料的磨损形式,当含钢纤维含量较少时,耐高温陶瓷管摩擦材料以脆性脱落和疲劳磨损混合磨损形式为主;而随添加钢纤维含量的增多,其磨损形式转变为磨粒磨损;钢纤维过量加入时,则主要磨损形式为脆性脱落和疲劳磨损,并伴有黏着磨损.

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