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超轻质石英/酚醛复合材料烧蚀行为与多物理场数值模拟

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复合材料学报 2024年第9期41卷 4802-4816页

作者：闫晓杰金翔宇黄鹤范召林张幸红洪长青哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所

基于超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀防热机制，建立了包含二氧化硅相变的复合材料烧蚀多物理场模型，预测了超轻质石英/酚醛复合材料的表背面温度、热解度、不同层厚度及孔隙压力分布。数值模拟通过计算获得了表面二氧化硅液态层厚度变... 详细信息

基于超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀防热机制，建立了包含二氧化硅相变的复合材料烧蚀多物理场模型，预测了超轻质石英/酚醛复合材料的表背面温度、热解度、不同层厚度及孔隙压力分布。数值模拟通过计算获得了表面二氧化硅液态层厚度变化规律，模型预测的温度结果与烧蚀实验中测量结果吻合。根据各项传热模式的热流分析结果可见，对防/隔热机制影响最主要的是热辐射、热阻塞和二氧化硅气化。针对超轻质石英/酚醛复合材料的典型服役工况，采用0.5～2.5 MW/m2之间热流密度作为环境输入参数，研究了不同热流密度条件下超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀行为，结果表明：超轻质石英/酚醛复合材料表面烧蚀后退量随热流密度的增加而增加；热流密度小于1.5 MW/m2时表面液态层厚度随热流密度的增加而增加，热流密度大于1.5 MW/m2时表面液态层厚度基本保持不变。该模型为深入研究超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀机制提供一定的指导。

关键词：超轻质石英/酚醛复合材料高温烧蚀试验多物理场有限元法二氧化硅相变

连续纤维增强3D打印复合材料工艺缺陷及其失效行为研究进展

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复合材料学报 2024年第9期41卷 4478-4501页

作者：张鑫郑锡涛杨甜甜宋璐阳闫雷雷西北工业大学航空学院西北工业大学飞行器复合材料结构研究所哈尔滨工业大学航天科学与力学系

因设计自由度高、无需模具和快速制造等优点，连续纤维增强3D打印已成为当今最具创新性的先进复合材料成型技术之一。本文综述了连续纤维增强3D打印复合材料工艺缺陷及失效行为的最新研究进展，引入了“干/湿/干湿-混合”的概念对打印... 详细信息

因设计自由度高、无需模具和快速制造等优点，连续纤维增强3D打印已成为当今最具创新性的先进复合材料成型技术之一。本文综述了连续纤维增强3D打印复合材料工艺缺陷及失效行为的最新研究进展，引入了“干/湿/干湿-混合”的概念对打印工艺进行了系统性分类阐述，重点介绍了由于工艺过程引入的三种缺陷及其特点。随后，归纳了连续纤维增强3D打印复合材料的失效力学行为，并分析了引发失效的主要原因。最后，针对如何减少工艺缺陷、改善失效模式和降本增效对连续纤维增强复合材料3D打印技术的未来进行了展望。

关键词： 3D打印连续纤维工艺缺陷失效模式复合材料

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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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变翼尖机翼技术的研究现状与发展趋势

航空学报 2024年

作者：李斌张泽南贾飞孙健刘彦菊冷劲松哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学航天科学与力学系

机翼翼尖对飞行器的气动性能和操控性能有重要影响，在起飞、爬升、巡航、下降等不同飞行阶段，飞行器对机翼翼尖几何参数有不同需求。变翼尖机翼技术是一种多功能、局部变体技术，可用于提升机翼气动性能、提高燃油效率、减轻阵风载荷... 详细信息

机翼翼尖对飞行器的气动性能和操控性能有重要影响，在起飞、爬升、巡航、下降等不同飞行阶段，飞行器对机翼翼尖几何参数有不同需求。变翼尖机翼技术是一种多功能、局部变体技术，可用于提升机翼气动性能、提高燃油效率、减轻阵风载荷、强化操控性能等用途。从气动特性、结构响应和操控特性三方面，对变翼尖机翼技术效益进行梳理，从翼尖变形形式、材料与结构组成两个角度，展开对变翼尖机翼技术研究现状的讨论，指出变翼尖机翼技术正在向多功能集成、组合变形和智能化方向发展。提出变翼尖机翼技术亟需解决的四项关键技术，即全局气动优化、变形/承载一体化蒙皮技术、高效驱动系统设计、智能控制技术，分析了各项关键技术的技术特点和研究难点。

关键词：变体飞行器变翼尖机翼气动特性结构响应操控特性智能材料与结构

国产三代2.5D SiC_(f)/SiC复合材料的界面力学性能

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无机材料学报 2024年第3期39卷 259-266,I0001页

作者：管皞阳张立荆开开师维刚王晶李玫刘永胜张程煜西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室西安710072

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_(f)/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/... 详细信息

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_(f)/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_(f)/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS),根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(σ_(fu))的统计分布,通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_(i))。结果表明:利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_(f)/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能,2.5D SiC_(f)/SiC的IFSS、ISS和Gi分别为56 MPa、(28±5)MPa和(2.7±0.6)J/m2。ISS和Gi较低,表明界面结合较弱,在剪应力作用下易产生裂纹,而IFSS较大,表明界面脱黏后纤维与基体间相对滑动较为困难,阻碍了纤维拔出,不利于发挥纤维的增强作用。根据获得的界面性能和经典ACK模型,较好地预测出比例极限应力,并结合σ_(fu)预测了2.5D SiC_(f)/SiC的拉伸强度。拉伸强度预测值高于实验值,这与界面处径向残余压应力以及纤维承受的残余拉应力有关。

关键词： 2.5D SiC_(f)/SiC 拉伸加/卸载纤维推入界面剪切强度界面脱黏能界面滑动应力

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陶瓷基复合材料界面微区力学行为的研究进展

材料工程 2024年第4期52卷 1-11页

作者：郝浩辉党潇琳马晓康丁金雪范晓孟西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室西安710072

作为热结构材料,陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)在航空航天领域应用潜力巨大。连续纤维的引入解决了陶瓷脆性大的问题,而纤维与基体间微小区域——界面层的设计是保证CMC具有高韧性的关键。一直以来相关研究主要集中于... 详细信息

作为热结构材料,陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)在航空航天领域应用潜力巨大。连续纤维的引入解决了陶瓷脆性大的问题,而纤维与基体间微小区域——界面层的设计是保证CMC具有高韧性的关键。一直以来相关研究主要集中于界面层与CMC宏观力学性能之间的关系,受限于表征难以深入研究界面层微区力学行为的困难。随着微纳力学测试与聚焦离子束(focused ion beam,FIB)技术的发展,近些年来对于CMC界面层结合强度以及其失效行为的表征逐渐增多。在此基础上,本文综述CMC中界面层的作用以及界面剪切强度的影响因素与调控机制,同时汇总当下通过直接或间接手段测试界面剪切强度的方法,重点总结微纳力学手段下纤维push-out/push-in以及微柱压缩等方法的适用条件以及差异,报道这些方法在界面区失效机制研究方面的进展,并指明尚存在的一些问题。其中,纤维pushout/push-in可以反映基体应力作用对界面剪切强度的影响,但测试结果可能受到外部因素的影响;而微柱压缩测试则更多地反映界面层本征特性,无法反映基体应力对界面剪切强度的影响,也无法反映纤维拔出过程。最后展望未来的研究方向:进一步拓展界面微区力学行为的表征方法,同时确定微区力学与宏观力学性能间的影响机制并建立模型,最终实现CMC的界面层优化。

关键词：陶瓷基复合材料界面层微区力学行为界面剪切强度

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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

前驱体转化陶瓷法制备Ti_(3)SiC_(2)陶瓷及其热稳定性研究

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无机材料学报 2024年第6期39卷 733-740页

作者：郑斌康凯张青叶昉解静贾研孙国栋成来飞长安大学材料科学与工程学院西安710064 西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室西安710072

Ti_(3)SiC_(2)具有良好的高温稳定性,可作为改性材料来提高C/C复合材料的抗氧化性能,应用潜力巨大。本工作以钛粉和液态聚碳硅烷(Liquid Polycarbosilane,LPCS)作为原料,采用前驱体转化陶瓷(Polymer Derived Ceramics,PDC)法在1200、130... 详细信息

Ti_(3)SiC_(2)具有良好的高温稳定性,可作为改性材料来提高C/C复合材料的抗氧化性能,应用潜力巨大。本工作以钛粉和液态聚碳硅烷(Liquid Polycarbosilane,LPCS)作为原料,采用前驱体转化陶瓷(Polymer Derived Ceramics,PDC)法在1200、1300、1400、1500℃下制备了四种相含量的Ti_(3)SiC_(2)陶瓷,研究了烧结温度对其物相组成及形貌的影响,以及不同Ti_(3)SiC_(2)相含量对陶瓷材料的抗氧化和抗热震性能的影响。结果表明,在Ti:Si物质的量比为3:1.5,烧结温度为1300、1400、1500℃条件下,均有层状结构的Ti_(3)SiC_(2)生成。当烧结温度为1400℃时,陶瓷产物中Ti_(3)SiC_(2)质量分数达到92.10%,抗弯强度达172.68 MPa。在1300℃静态空气环境下氧化7 h,陶瓷氧化增重随Ti_(3)SiC_(2)相含量增大而逐渐降低,这是由于氧化过程中材料表面生成了以TiO_(2)为主相的保护膜,有效延缓了氧气向内部扩散。对试样进行1300℃空气热震和抗弯强度测试发现,随着热震次数的增加,所有材料的残余强度均有所下降;但随着Ti_(3)SiC_(2)相含量增大,试样的抗热震性能和残余强度均提高。Ti_(3)SiC_(2)相质量分数为92.10%的试样经过30次热震后失重30.66%,残余强度为120.18 MPa,这主要归因于层状结构的Ti_(3)SiC_(2)大幅增加了裂纹扩展路径及其良好的抗氧化性能。

关键词： Ti_(3)SiC_(2) 无压烧结抗氧化性能抗热震性能

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圆顶形层联机织预制体参数化几何建模

航空学报 2024年第16期45卷 260-270页

作者：张长龙陈利王静岳万里史晓平天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 天津工业大学复合材料研究院先进纺织复合材料教育部重点实验室天津300387

通过一体化仿形织造技术制备的圆顶形层联机织预制体(DIWP)具有可设计性好、结构稳定、承载能力强等特点。探究DIWP微细观结构并构建其参数化几何模型,对于预测DIWP力学性能并指导其工艺设计十分重要。基于预制体宏观结构特征、织造工... 详细信息

通过一体化仿形织造技术制备的圆顶形层联机织预制体(DIWP)具有可设计性好、结构稳定、承载能力强等特点。探究DIWP微细观结构并构建其参数化几何模型,对于预测DIWP力学性能并指导其工艺设计十分重要。基于预制体宏观结构特征、织造工艺参数对DIWP参数化模型构造方法进行了全面研究,并使用SolidWorks软件建立了实体几何模型。结果表明:通过引入纬斜角可以描述DIWP纱线的空间坐标与运动路径之间的关系;一元二次函数形式的抛物线凸透镜形纱线截面假设适用于DIWP;讨论3种不同细观结构的DIWP参数化模型,进一步得到了具有系统性、可靠性、普适性研究价值的DIWP的参数化模型构造理论;模型解析式全部由MATLAB软件推导得出,可求解且唯一;参数化模型能够有效表征DIWP的空间拓扑关系、计算纤维体积含量,与实测值对比,误差为-3.43%。所得结论为DIWP的仿真模拟提供了理论依据,并对其实际制备工艺的设计具有指导意义。

关键词：圆顶形层联机织预制体参数化模型纬斜角一元二次函数纤维体积含量