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铁弹畴转向增韧:应用于陶瓷涂层的一种潜在高温增韧机制

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材料导报 2022年第17期36卷 71-80页

作者：杜金平王衍飞刘荣军万帆国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室长沙410073

陶瓷具有极其优异的耐高温性能,是一种不可替代的可在高温等极端环境条件下服役的材料。然而,陶瓷的本征脆性已经严重制约了其更为广泛的应用,特别是在力、热条件复杂的极端高温环境下的应用,例如应用于高性能航空发动机上的热障涂层(TB... 详细信息

陶瓷具有极其优异的耐高温性能,是一种不可替代的可在高温等极端环境条件下服役的材料。然而,陶瓷的本征脆性已经严重制约了其更为广泛的应用,特别是在力、热条件复杂的极端高温环境下的应用,例如应用于高性能航空发动机上的热障涂层(TBCs)。陶瓷的高温增韧机制相对匮乏,其高温增韧目前已经成为一个亟待解决的关键问题。不同于传统利用纤维、晶须等增韧陶瓷的方式,铁弹畴转向增韧主要利用铁弹性材料在受外力下发生的铁弹畴转向过程来耗散驱动裂纹扩展的能量,是一种高温下依然有效的增韧机制,因而非常适用于高温陶瓷涂层的增韧。本文从铁弹性定义与铁弹畴转向增韧的基本原理出发,对铁弹畴转向增韧的研究进展进行了综述,分析了铁弹增韧的相对优势和发展前景。此外,本文就目前学界关注较多的铁弹性材料(包括氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)、稀土铝酸盐、稀土铌酸盐和稀土钽酸盐)的研究和应用情况进行了重点介绍,并对相关材料的应用前景进行了展望。最后,本文以新型热障涂层材料稀土锆酸盐为代表介绍了以铁弹体作为增韧第二相的研究进展。

关键词：陶瓷断裂韧性铁弹性铁弹畴转向增韧

锶钽氧氮化物功能陶瓷的高效合成、致密化及介电性能研究

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无机材料学报 2023年第8期38卷 885-892页

作者：李俊生曾良刘荣军王衍飞万帆李端国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

AB(O,N)_(3)型钙钛矿氮氧化物是一类新型功能陶瓷材料,具有独特的介电/磁/光催化等性能,在能源存储与转化领域应用前景广阔,但传统制备工艺耗时长且产物纯度较低。本研究以尿素为氮源、金属氧化物为前驱体,采用无压放电等离子烧结设备... 详细信息

AB(O,N)_(3)型钙钛矿氮氧化物是一类新型功能陶瓷材料,具有独特的介电/磁/光催化等性能,在能源存储与转化领域应用前景广阔,但传统制备工艺耗时长且产物纯度较低。本研究以尿素为氮源、金属氧化物为前驱体,采用无压放电等离子烧结设备一步合成了钙钛矿氮氧化物SrTa(O,N)_(3)陶瓷粉体,并实现了快速致密化。深入研究了升温速率和合成温度对粉体组成与微观形貌的影响,并对优化后制备的陶瓷块体进行了介电性能表征。结果表明,较高的升温速率和适中的合成温度有利于氮化反应的充分进行,在100℃/min和1000℃下制得的SrTa(O,N)_(3)粉体纯度最高,氧氮化物相含量约97%,粒径分布区间为100~300 nm,Sr、Ta、O、N四种元素分布均匀。较优的致密化工艺为烧结温度1300℃、升温速率300℃/min、保温时间1 min,经烧结制得的SrTa(O,N)_(3)陶瓷试片致密度可达94%以上,且纯度很高,该材料在300 Hz时的介电常数高达8349,介电损耗为10–4量级,优于文献报道值。本研究制备的SrTa(O,N)_(3)陶瓷的高介电常数与致密度和纯度的调控密不可分,这是因为气孔和杂质会降低材料介电常数,高致密度和高纯度是SrTa(O,N)_(3)氧氮化物陶瓷获得优异介电性能的关键。

关键词：钙钛矿氧氮化物尿素放电等离子烧结介电常数

碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响

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材料工程 2023年第8期51卷 142-148页

作者：缪花明刘荣军王衍飞李俊生李端万帆国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。... 详细信息

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。研究了碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明,由纤维体积分数与C/C素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m^(2)),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道,最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa,51.75 GPa,11.32 MPa·m^(1/2)。初始预制体结构和C/C中间体结构的综合调控是CVI-GSI联用工艺制备高性能C/C-SiC复合材料的关键。

关键词： C/C-SiC复合材料预制体结构气相渗硅化学气相渗透碳布叠层

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高温电磁透波材料的研究进展

材料导报 2023年第18期37卷 39-49页

作者：向天意李端李俊生王衍飞万帆刘荣军国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

高速飞行器的飞行马赫数不断提高,位于其前端的天线罩部件对高温透波材料提出了迫切需求。本文综述了近年来耐温1300℃以上电磁透波材料体系(包括透波陶瓷增强体、透波陶瓷基复合材料和透波涂层等)以及新型制备工艺(包括快速烧结技术和3... 详细信息

高速飞行器的飞行马赫数不断提高,位于其前端的天线罩部件对高温透波材料提出了迫切需求。本文综述了近年来耐温1300℃以上电磁透波材料体系(包括透波陶瓷增强体、透波陶瓷基复合材料和透波涂层等)以及新型制备工艺(包括快速烧结技术和3D打印技术等)的研究进展,同时介绍了本团队在相关领域的最新研究工作,指出高温透波领域还存在新型连续透波纤维成本高昂、高温透波领域可用材料体系较少及透波材料高温下透波与烧蚀性能演变规律尚不明确等问题,最后对高温透波领域在透波纤维工艺优化、新型高温透波材料预测、透波材料使役性能分析与评估等方面未来的发展趋势做了展望。

关键词：天线罩电磁透波陶瓷纤维陶瓷基复合材料界面

PIP工艺制备C/Zr_(0.5)Hf_(0.5)C-SiC复合材料及其微观结构和弯曲性能

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材料工程 2023年第8期51卷 155-161页

作者：刘星煜万帆高世涛王衍飞李端李俊生刘荣军国防科技大学空天科学学院长沙410073 中国人民解放军96901部队31分队北京100094

基于自制Zr_(0.5)Hf_(0.5)C先驱体和商业化液态聚碳硅烷,通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺成功制备C/Zr_(0.5)Hf_(0.5)C-SiC复合材料,研究纤维表面热解C涂层厚度对复合材料微观结构及弯曲性能的影响。结果表明:自制Zr_(0.5)Hf_(0.5)C先驱体... 详细信息

基于自制Zr_(0.5)Hf_(0.5)C先驱体和商业化液态聚碳硅烷,通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺成功制备C/Zr_(0.5)Hf_(0.5)C-SiC复合材料,研究纤维表面热解C涂层厚度对复合材料微观结构及弯曲性能的影响。结果表明:自制Zr_(0.5)Hf_(0.5)C先驱体在1400℃下即可转化生成单一Zr_(0.5)Hf_(0.5)C固溶体。因具有良好的渗透性,转化生成的Zr_(0.5)Hf_(0.5)C基体同时存在于C/Zr_(0.5)Hf_(0.5)C-SiC复合材料的纤维束内和束间,呈包裹SiC基体的层状形貌。C/Zr_(0.5)Hf_(0.5)C-SiC复合材料主要由C,SiC和Zr_(0.5)Hf_(0.5)C相组成;具有不同热解C涂层厚度(0.67,0.84,1.36μm)的3组复合材料密度分别为2.07,1.99,1.98 g/cm^(3);随热解C涂层厚度的增加复合材料中SiC含量减少。弯曲加载中3组不同热解C涂层厚度复合材料均呈现假塑性断裂模式,弯曲强度,弯曲模量和断裂韧度分别在410 MPa,60 GPa和15.6 MPa·m^(1/2)以上。良好的界面结合和预先引入的SiC基体是C/Zr_(0.5)Hf_(0.5)C-SiC复合材料获得优良弯曲性能的关键。

关键词： Zr_(0.5)Hf_(0.5)C 超高温陶瓷先驱体浸渍裂解微观结构弯曲性能

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暴雨条件下弃土场稳定性分析

四川建筑 2022年第1期42卷 99-101页

作者：王衍飞西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都611756

随着交通工程的增多,开挖场地后堆积形成的弃土场越来越成为危害工程环境的隐患。文章通过对某弃土场的工程地质调查和室内外试验选取参数,运用Geostudio软件SEEP/W模块和SLOPE/W模块,对弃土体边坡自然工况和暴雨工况进行数值计算。结... 详细信息

随着交通工程的增多,开挖场地后堆积形成的弃土场越来越成为危害工程环境的隐患。文章通过对某弃土场的工程地质调查和室内外试验选取参数,运用Geostudio软件SEEP/W模块和SLOPE/W模块,对弃土体边坡自然工况和暴雨工况进行数值计算。结果表明,在合理支护措施下,弃土场能在不利工况下保持稳定,但仍需要加强监测和排水措施。

关键词：弃土场 Geostudio 暴雨渗流稳定性

(NdCa)(AlFe)O(x=0～0.3)陶瓷铁弹性和红外发射率研究

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材料工程 2023年 87-93页

作者：张玥王衍飞杜金平万帆李俊生李端刘荣军国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室

采用1600℃高温固相反应6 h，在NdAlO3中引入Ca2+,Fe3+合成(Nd1-xCax)(Al1-xFex)O3-x/2(x=0,0.1,0.2,0.3)，并采用放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)陶瓷试样，探究Ca2+,Fe3+的引入对NdAlO3的物相组成、发射率和铁弹性的影响。结果表明：高温固相反应成功形成固溶体；引入Ca2+和Fe3+后，氧空位增加并产生轻微晶格畸变，使NdAlO3在2.5～10μm的发射率最高提升至0.9；杂质离子的引入使物相由菱方相逐渐转变为立方相，从而导致铁弹畴消失，但陶瓷试样的断裂韧度仍保持较高水平。

关键词：铝酸钕钙钛矿铁弹畴发射率掺杂

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3D打印天线罩技术研究进展

材料导报 2022年第22期36卷 76-85页

作者：李俊生李端李学超高世涛王衍飞万帆刘荣军国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073 中国人民解放军96901部队31分队北京100094

天线罩是位于飞行器头部集防热、透波、承载等多功能于一体的结构/功能部件,高性能天线罩的设计与制备成为新型飞行器研制的瓶颈之一。3D打印技术是近年来发展的增材制造新技术,能够实现复杂结构的一体化成型,克服传统成型工艺的各种局... 详细信息

天线罩是位于飞行器头部集防热、透波、承载等多功能于一体的结构/功能部件,高性能天线罩的设计与制备成为新型飞行器研制的瓶颈之一。3D打印技术是近年来发展的增材制造新技术,能够实现复杂结构的一体化成型,克服传统成型工艺的各种局限性,在天线罩领域具有广阔的应用前景。本文概括了常用3D打印技术的特点,分别从3D打印天线罩模具制备、3D打印天线罩结构设计、3D打印天线罩材料成型、3D打印设备优化四个方面,综述了3D打印技术在天线罩领域的研究现状,并对其未来发展趋势进行了展望。

关键词： 3D打印天线罩模具透波材料设计

(NdCa)(AlFe)O(x=0～0.3)陶瓷的铁弹性和红外发射率研究

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材料工程 2023年

作者：张玥王衍飞杜金平万帆李俊生李端刘荣军国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室

采用1600 ℃高温固相反应6 h，在NdAlO3中引入Ca2+，Fe3+合成(Nd1－xCax)(Al1－xFex)O3－x/2(x=0，0.1，0.2，0.3)，并采用放电等离子烧结(spark plasma sintering，SPS)陶瓷试样，探究Ca2+，Fe3+的引入对NdAlO3的物相组成、发射率和铁弹性的影响。结果表明：高温固相反应成功形成固溶体；引入Ca2+和Fe3+后，氧空位增加并产生轻微晶格畸变，使NdAlO3在2.5～10 μm的发射率最高提升至0.9；杂质离子的引入使物相由菱方相逐渐转变为立方相，从而导致铁弹畴消失，但陶瓷试样的断裂韧度仍保持较高水平。

关键词：铝酸钕钙钛矿铁弹畴发射率掺杂