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碳纤维增韧陶瓷基复合材料高温氧化性能研究进展：氧化机制、氧化损伤实验与模型

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复合材料学报 2024年第9期41卷 4518-4534页

作者：方国东王章文李赛王兵孟松鹤哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所

碳纤维增韧陶瓷基复合材料兼具陶瓷材料优良的抗氧化腐蚀性能和碳纤维材料增强增韧的力学性能，已成为最有潜力的高超声速飞行器热防护候选材料。碳纤维增韧陶瓷基复合材料在多物理场耦合服役环境下的高温氧化损伤失效机制对热防护材料... 详细信息

碳纤维增韧陶瓷基复合材料兼具陶瓷材料优良的抗氧化腐蚀性能和碳纤维材料增强增韧的力学性能，已成为最有潜力的高超声速飞行器热防护候选材料。碳纤维增韧陶瓷基复合材料在多物理场耦合服役环境下的高温氧化损伤失效机制对热防护材料设计及性能表征与评价至关重要，也一直是国内外学者研究的热点。本文从高温氧化机制、耦合失效实验、高温氧化模型3个方面对C/SiC和C/ZrB2-SiC复合材料进行详细论述和总结，对相应的研究方法的局限性和适用范围进行分析和评价，并展望了碳纤维增韧陶瓷基复合材料氧化损伤研究的发展趋势，进而为碳纤维增韧陶瓷基复合材料在热力氧耦合条件下的热/力响应及性能评价研究起到指导作用。

关键词：碳纤维增韧陶瓷基复合材料氧化机制损伤失效实验氧化模型

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超高温陶瓷复合材料研究进展

无机材料学报 2024年第6期39卷 571-590页

作者：张幸红王义铭程源董顺胡平哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所哈尔滨150001

随着高速飞行器朝着更宽空域、更长时间和更高速度的方向发展,对飞行器的鼻锥、前缘和发动机燃烧室等关键结构的热防护性能提出了更加严苛的要求,发展在极端环境下使用的高性能热防护材料是当前的研究重点。超高温陶瓷复合材料具有优异... 详细信息

随着高速飞行器朝着更宽空域、更长时间和更高速度的方向发展,对飞行器的鼻锥、前缘和发动机燃烧室等关键结构的热防护性能提出了更加严苛的要求,发展在极端环境下使用的高性能热防护材料是当前的研究重点。超高温陶瓷复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,是一类极具应用潜力的非烧蚀型热防护材料。然而,本征脆性问题限制了超高温陶瓷复合材料的工程化应用,需通过组分结构调控对其进行强韧化。同时,飞行器有效载荷提升也对超高温陶瓷复合材料提出了轻量化的要求。本文系统概述了超高温陶瓷复合材料近年来取得的主要研究进展,包括压力烧结、泥浆浸渍、前驱体浸渍裂解、反应熔渗、化学气相渗透/沉积与“固-液”组合工艺等制备方法,颗粒、晶须、软相物质、短切纤维和连续纤维等强韧化方法及其机制,抗氧化烧蚀性能与机理,以及轻量化设计等。讨论了超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间的关系,并指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的挑战以及未来的发展趋势。

关键词：超高温陶瓷复合材料强韧化抗氧化烧蚀轻量化综述

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仿真模拟主动调节负泊松比力学超材料

复合材料学报 2024年第1期41卷 467-476页

作者：姚永涛丛琳王鸿涛王军哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨150080 内蒙动力机械研究所呼和浩特010000

负泊松比材料作为一种新型的超材料,鉴于其优异的力学性能,在航天、航空、工业、医药科学等领域具有广泛的应用前景。为得到性能、结构可主动调节的超材料,首先以负泊松比结构为基础,结合形状记忆智能材料,设计出性能可调控的超材料结... 详细信息

负泊松比材料作为一种新型的超材料,鉴于其优异的力学性能,在航天、航空、工业、医药科学等领域具有广泛的应用前景。为得到性能、结构可主动调节的超材料,首先以负泊松比结构为基础,结合形状记忆智能材料,设计出性能可调控的超材料结构单元模型。然后通过基本梁理论计算,获得宏观结构泊松比正负转变与刚体结构之间的临界参数。其次,通过有限元仿真,确定材料泊松比正负调节与填充单元组合比例及排列方式之间的关系。最后对这种二维结构材料的振动特性和力学性能进行了详细的分析。结果表明:这种材料在调节结构力学性能和振动调控方面表现出优异的性能。调节内部单元的填充形式和排列方式,可以得到不同的力学性能和吸能效果;同时,通过引入形状记忆材料和微结构,使材料表现出优异的宏观结构和刚度智能调节性能。

关键词：力学超材料负泊松比吸能可调节设计有限元仿真

考虑几何非线性的正交各向异性层合板随机振动响应数值解

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机械工程学报 2024年第2期60卷 224-233页

作者：张玄刘源侯耀东张承双尹维龙邓清扬哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 西安航天复合材料研究所西安710025

为提高卫星用复合材料结构随机振动响应的分析精度,充分考虑结构几何非线性特征,提出正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值求解方法。首先,基于一阶剪切变形理论建立矩形中厚板的运动方程。然后,采用伽辽金法和摄动法求得层合板... 详细信息

为提高卫星用复合材料结构随机振动响应的分析精度,充分考虑结构几何非线性特征,提出正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值求解方法。首先,基于一阶剪切变形理论建立矩形中厚板的运动方程。然后,采用伽辽金法和摄动法求得层合板结构的非线性固有频率。在此基础上,结合等效线性化法和虚拟激励法推导得到三种边界条件下正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值解。采用提出的非线性随机振动数值解法,结合具体实例分析卫星用复合材料中厚板的随机响应特性,结果表明,采用线性化方法和非线性化方法求解中厚板随机振动响应的结果存在很大差异,非线性方法可显著提高随机振动响应数值求解的精度;外加激励较小时,相同的弯曲边界条件下,不同平面边界条件对随机振动响应的功率谱密度和均方根影响较小,而外加激励较大时不同平面边界条件对随机振动响应的影响显著。提出非线性随机振动响应求解方法为卫星结构动力学分析提供了新的研究思路和研究方法,具有重要的理论研究和工程应用价值。

关键词：几何非线性正交各向异性层合板随机振动中厚板数值解

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航天复合材料结构健康监测技术应用进展

复合材料学报 2024年第9期41卷 4563-4588页

作者：刘青旭陈海峰 BRYANSKY Anton 熊健韦兴宇哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室北京空间飞行器总体设计部

随着飞行器中复合材料的使用占比逐年增加，对其安全性的要求也日益严苛。复合材料的损伤部位隐蔽且情况复杂，使预测失效模式和使用寿命变得困难。因此，需要实时监测结构响应，收集状态信息，评估运行情况，判断损伤和剩余寿命，以确... 详细信息

随着飞行器中复合材料的使用占比逐年增加，对其安全性的要求也日益严苛。复合材料的损伤部位隐蔽且情况复杂，使预测失效模式和使用寿命变得困难。因此，需要实时监测结构响应，收集状态信息，评估运行情况，判断损伤和剩余寿命，以确保飞行器结构的安全稳定运行。本文瞄准航天飞行器对复合材料结构健康监测的需求，首先简述了复合材料结构在典型飞行器结构应用情况以及复合材料结构健康监测技术的研究及应用情况，随后分别对常见的结构健康监测技术进行了详细的讨论，包括光纤传感监测技术、超声导波监测技术、声发射监测技术、机电阻抗监测法等技术的研究进展，接着针对结构健康监测技术在航天飞行器的各种结构如燃料贮箱结构、热防护结构、发动机结构以及机翼前缘结构等其他结构的应用情况进行了分析讨论，然后对典型的结构健康监测技术评估方法的研究进展进行了分析总结，最后讨论总结了航天复合材料结构健康监测技术的发展趋势与面临的挑战。

关键词：复合材料航天结构结构健康监测损伤监测剩余寿命分析

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超构透明吸波体的研究前沿与展望

中国科学：技术科学 2024年第6期54卷 1021-1035页

作者：宋梓诚闵萍萍张锐聪贺乔柏杨磊王天宇韩杰才朱嘉琦哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所哈尔滨150080 哈尔滨工业大学郑州研究院郑州450018 哈尔滨工业大学分析测试中心哈尔滨150080 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150080

吸波材料在电磁隐身技术中发挥着至关重要的作用.与非透明材料相比,透明材料实现电磁吸收面临更复杂和独特的挑战.经典透明吸波体在光学透过率、厚度、电磁吸收带宽、倾角与极化稳定性等多项指标存在难以调和的矛盾.随超构材料应用于透... 详细信息

吸波材料在电磁隐身技术中发挥着至关重要的作用.与非透明材料相比,透明材料实现电磁吸收面临更复杂和独特的挑战.经典透明吸波体在光学透过率、厚度、电磁吸收带宽、倾角与极化稳定性等多项指标存在难以调和的矛盾.随超构材料应用于透明吸波体,上述核心性能指标得到显著改善,从而促进了其在电磁隐身领域的实际应用.本文针对超构透明吸波体研究工作进行了综述,首先介绍了透明吸波体的光学透明与电磁隐身原理,并对经典透明吸波体工作原理与局限进行分析与总结.随后对超构材料改善透明吸波体在宽带电磁吸收、倾角与极化稳定性经典性能的研究进展与设计方法进行了总结.为预示未来发展方向,本文详细阐述了近年来透明吸波体在混合机制设计、多光谱设计、动态可调性能的技术原理与研究前沿,并展望了新兴方向为透明吸波体带来的多机制、多功能、智能化的发展机遇.

关键词：透明吸波体电磁隐身宽带雷达散射截面积漫反射吸波体

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硫族MAX相硼化物的物相稳定性和性能预测

无机材料学报 2024年第2期39卷 225-232,I0001-I0003页

作者：张宇晨陆知遥赫晓东宋广平朱春城郑永挺柏跃磊哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室/复合材料与结构研究所哈尔滨150080 哈尔滨师范大学化学与化工学院哈尔滨150025

Zr2SB、Hf2SB、Zr2SeB、Hf2SeB、Hf2TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物,与典型MAX相相比,具有明显不同的性质,因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M=Zr,Hf;A=S,Se,Te... 详细信息

Zr2SB、Hf2SB、Zr2SeB、Hf2SeB、Hf2TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物,与典型MAX相相比,具有明显不同的性质,因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M=Zr,Hf;A=S,Se,Te)的物相稳定性、力学性能和热性能。理论分析结果与目前可用的实验结果一致。经热力学和本征稳定性分析后发现,只有M2AB可以稳定存在。较短的M−A键与M−B键长使Hf系化合物的键刚度高于Zr系化合物,这也同样导致Hf系化合物的硬度高于Zr系。随着A元素由S到Se再到Te,M−B与M−A键长逐渐增加,键刚度减小导致弹性模量降低。而且,这些化合物的体积模量取决于其平均化学键刚度。更加重要的是,最弱键和最强键的刚度比(kmin/kmax)较高,显示这些MAX相硼化物不同于传统MAX相,均呈本征脆性。考虑晶格振动(声子)和电子激发的贡献后计算得到M2AB等压热容及热膨胀系数(TEC),均在300 K以下随温度升高先快速上升后上升速率逐渐降低,这与其它MAX相类似。较低的键刚度导致Zr系MAX相硼化物的平均线热膨胀系数整体上高于Hf系,而且在300~1300 K区间与大部分MAX和MAB相一致。

关键词：第一性原理 MAX相硼化物物相稳定性力学行为热学性能

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二氧化钒智能窗光热调控原理及进展

光学学报 2024年

作者：陈艺丹赵九蓬豆书亮李垚哈尔滨工业大学化工与化学学院哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所

VO2在341K时发生绝缘体-金属态的转变（IMT），是研究最为广泛的热致变色智能窗材料。虽然对VO2在太阳辐射波段的性能优化方面已有大量研究，但对中远红外波段的热辐射调节却鲜有涉及，这对智能窗的节能效果产生不利影响，限制了其实际... 详细信息

VO2在341K时发生绝缘体-金属态的转变（IMT），是研究最为广泛的热致变色智能窗材料。虽然对VO2在太阳辐射波段的性能优化方面已有大量研究，但对中远红外波段的热辐射调节却鲜有涉及，这对智能窗的节能效果产生不利影响，限制了其实际应用。本文基于太阳辐射能量分布，通过归纳提升VO2智能窗性能的典型光学设计方法，介绍其在太阳辐射波段光谱调控的基本原理，从能量调控角度明确影响VO2热致变色智能窗节能效果的关键因素。在此基础上，结合黑体辐射能量分布，阐明红外辐射对VO2智能窗节能效果的影响规律，总结基于VO2的红外智能窗设计方法、基本原理和研究现状，并对未来发展方向提出了展望。

关键词：二氧化钒热致变色智能窗光学设计红外辐射

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二氧化钒智能窗光热调控原理及进展（特邀）

光学学报 2024年第19期 55-67页

作者：陈艺丹赵九蓬豆书亮李垚哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学化工与化学学院

二氧化钒（VO2）在温度为341 K时发生绝缘体-金属的转变（IMT），是研究最为广泛的热致变色智能窗材料。虽然对VO2在太阳辐射波段的性能优化方面已有大量研究，但对中远红外波段的热辐射调节却鲜有涉及，这对智能窗的节能效果产生不利... 详细信息

二氧化钒（VO2）在温度为341 K时发生绝缘体-金属的转变（IMT），是研究最为广泛的热致变色智能窗材料。虽然对VO2在太阳辐射波段的性能优化方面已有大量研究，但对中远红外波段的热辐射调节却鲜有涉及，这对智能窗的节能效果产生不利影响，限制其实际应用。基于太阳辐射能量分布，通过归纳提升VO2智能窗性能的典型光学设计方法，介绍其在太阳辐射波段光谱调控的基本原理，从能量调控角度明确影响VO2热致变色智能窗节能效果的关键因素。在此基础上，结合黑体辐射能量分布，阐明红外辐射对VO2智能窗节能效果的影响规律，总结基于VO2的红外智能窗设计方法、基本原理和研究现状，并对未来发展方向提出展望。

关键词：光电子学二氧化钒热致变色智能窗光学设计红外辐射