纤维增韧碳化硅陶瓷复合材料

第1章绪论

1.1陶瓷材料1

1.1.1陶瓷材料的断裂强度1

1.1.2陶瓷材料的断裂韧性2

1.2陶瓷基复合材料3

1.2.1陶瓷材料的强韧化途径3

1.2.2陶瓷材料的强韧化机理与效果11

1.3连续纤维增韧陶瓷基复合材料原理12

1.3.1连续纤维增韧陶瓷基复合材料的模量失配12

1.3.2连续纤维增韧陶瓷基复合材料的强度12

1.3.3连续纤维增韧陶瓷基复合材料的韧性13

1.3.4连续纤维增韧陶瓷基复合材料的强韧性15

1.3.5连续纤维增韧陶瓷基复合材料体系19

1.4连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料26

1.4.1CFCC-SiC的制备方法26

1.4.2CVI制备CFCC-SiC的优势29

1.5CFCC-SiC的应用32

1.5.1CFCC-SiC的应用领域32

1.5.2CFCC-SiC面临的新挑战42

1.6对CFCC-SiC改性研究的趋势42

1.6.1CFCC-SiC的自愈合改性43

1.6.2难熔金属碳化物对CFCC-SiC的改性44

1.6.3结构功能一体化44

1.7CFCC-SiC的模拟表征与优化设计45

参考文献45

第2章连续纤维增韧碳化硅基复合材料的本征结构

2.1引言53

2.2CFCC结构的仿生描述54

2.3CFCC-SiC的结构单元54

2.3.1纤维58

2.3.2界面相61

2.3.3基体63

2.3.4表面涂层65

2.4纤维预制体结构65

2.5孔隙68

2.6裂纹70

2.7工艺路线对本征结构的影响71

2.8CFCC-SiC的本征结构特征72

参考文献73

第3章连续纤维增韧碳化硅基复合材料的本征性能

3.1引言75

3.2复合材料的内应力及其分布75

3.3力学行为与性能测试77

3.3.1非线性行为78

3.3.2断裂韧性79

3.3.3拉伸81

3.3.4压缩和弯曲87

3.3.5高温拉拉疲劳93

3.3.6高温蠕变98

3.4热物理性能99

3.4.1热膨胀性能99

3.4.2热扩散性能100

3.4.3阻尼性能103

3.4.4热辐射106

3.5其他本征性能109

3.5.1摩擦性能109

3.5.2抗辐照性能115

3.6CFCC-SiC本征性能的特征118

参考文献118

第4章CFCC-SiC环境性能的模拟测试

4.1引言121

4.2环境性能模拟测试理论与方法122

4.2.1相似理论122

4.2.2分步模拟测试方法124

4.2.3加速模拟测试方法125

4.3航空发动机热结构材料的环境性能测试系统126

4.3.1控制性环境因素126

4.3.2静态气氛应力耦合环境性能测试设备127

4.3.3动态燃气应力耦合环境性能测试设备129

4.3.4航空发动机热结构材料环境性能测试系统的性能指标131

4.4环境性能演变信息的在线获取方法132

4.4.1材料应变的在线采集132

4.4.2电阻变化的在线采集133

4.4.3声发射信息的在线采集134

4.5环境性能演变控制因素解耦的因素协同分析法135

4.5.1环境性能演变控制因素的解耦实例135

4.5.2理论基础137

4.6环境性能模拟测试与解耦分析方法的评价141

参考文献142

第5章CFCC-SiC的环境性能表征方法

5.1引言146

5.2剩余环境性能的表征146

5.2.1剩余强度表征方法146

5.2.2剩余模量表征方法148

5.2.3阻尼表征方法150

5.3过程环境性能的表征152

5.3.1失重率表征方法152

5.3.2声发射表征方法154

5.3.3电阻表征方法158

5.4CFCC-SiC环境性能表征方法的综合评价159

参考文献160

第6章CFCC-SiC环境性能演变

6.1引言162

6.2热物理化学环境中CFCC-SiC的性能演变163

6.2.1氧分压的影响163

6.2.2水分压的影响166

6.2.3盐浓度的影响167

6.2.4氧水耦合的影响167

6.2.5氧盐耦合的影响169

6.2.6水盐耦合的影响169

6.2.7氧水盐耦合的影响170

6.2.8热物理化学环境的影响本质与控制性因素171

6.3热物理化学应力耦合环境中的性能演变174

6.3.1应力大小的影响174

6.3.2应力类型的影响178

6.3.3应力的影响本质与控制性参数185

6.4静态气氛应力热循环耦合环境中的性能演变187

6.4.1热循环187

6.4.2环境气氛对热循环的影响193

6.4.3疲劳应力对热循环的影响195

6.4.4热循环的影响本质与控制性因素198

6.5动态燃气应力耦合环境中的性能演变198

6.5.1加速系数的表征199

6.5.2温度的影响199

6.5.3流速的影响201

6.5.4应力对加速系数的影响204

6.5.5动态燃气环境因素的影响本质与控制性因素204

6.6CFCC-SiC的环境性能演变规律205

参考文献205

第7章CFCC-SiC的环境损伤与失效机制

7.1引言208

7.2CFCC-SiC的环境失效机制209

7.2.1C/SiC在热物理化学环境单一因素中的损伤机理209

7.2.2热物理化学环境的损伤控制因素210

7.2.3静态气氛应力耦合环境下的损伤失效212

7.2.4动态燃气应力耦合环境下的损伤失效222

7.3CFCC-SiC环境损伤演变和寿命预测模型227

7.3.1环境因素对性能的影响227

7.3.2应力和温度对微裂纹的控制模型229

7.3.3含裂纹CFCC-SiC的氧化动力学模型230

7.3.4静态气氛应力耦合环境的寿命预测236

7.3.5动态燃气应力耦合环境的寿命预测238

7.4CFCC-SiC环境寿命预测的验证239

7.4.1静态气氛应力耦合环境寿命预测的验证239

7.4.2动态燃气应力耦合环境寿命预测的验证241

7.4.3CFCC-SiC寿命预测的有效性242

7.5环境控制性要素与微结构控制单元243

7.5.1热物理化学环境243

7.5.2应力条件243

7.6CFCC-SiC损伤失效机制的综合表述244

参考文献249

第8章CFCC-SiC的优化设计

8.1引言250

8.2材料设计的两要素模型250

8.3CFCC-SiC的两要素设计过程254

8.4CFCC-SiC的制造过程模拟255

8.4.1制备过程产物的热力学计算256

8.4.2CVI过程的多物理场耦合模拟257

8.5CFCC-SiC的服役过程模拟269

8.5.1服役过程产物的热力学计算269

8.5.2CFCC-SiC环境性能的计算模拟274

8.5.3SiC氧化行为的分子模拟278

8.6CFCC-SiC优化设计的实验研究与验证283

8.6.1CFCC-SiC的界面相优化设计284

8.6.2CFCC-SiC表面涂层的优化设计290

8.6.3CFCC-SiC优化设计的实验验证300

8.6.4CFCC-SiC优化设计的启示301

参考文献302

附录

附录一术语与符号305

附录二CFCC-SiC的连接性能308

附录三CFCC-SiC性能测试试样形状与尺寸309

附录四西北工业大学C/SiC复合材料性能统计资料314

　　本书共8章。第1章主要介绍陶瓷脆性本质及其强韧化途径，连续纤维增韧陶瓷基复合材料的强韧化原理、工艺方法及其发展趋势。第2章主要介绍CFCC-SiC的本征结构。第3章主要介绍CFCC-SiC的本征性能。第4章主要介绍CFCC-SiC的环境性能模拟方法。第5章主要介绍CFCC-SiC的环境性能表征与评价。第6章主要介绍CFCC-SiC的环境性能演变。第7章主要介绍CFCC-SiC的环境损伤与失效机制。第8章主要介绍CFCC-SiC的优化设计与应用验证。全书可供材料和相关领域的科研工作者、生产人员及高校师生参考阅读。　　本书以陶瓷基复合材料的强韧化为核心，以CFCC-SiC为对象，以航空发动机热端部件环境为背景，分别介绍了复合材料的原理、工艺方法及发展趋势，CFCC-SiC的本征结构与性能，环境性能模拟方法以及CFCC-SiC在服役环境下结构与性能的演变规律与失效机理，CFCC-SiC的优化设计与应用验证等，展示了我国在CFCC-SiC基础研究方面的成果，以及国际上的相关研究进展。本书为CFCC-SiC在航空发动机热端部件中的应用奠定了理论基础，将促进CFCC-SiC在航空、航天等领域的应用。　　本书具有深厚的学术背景，反映了我国在陶瓷基复合材料方面的创新性成果，可供材料和相关领域的科研工作者、生产人员及高校师生参考阅读。【作者简介】　　张立同，女，西北工业大学教授，博士生导师，我国著名航空航天材料专家，1995年当选为中国工程院院士。1956～1961年就读北京航空学院和西北工业大学。曾在美国NASA空间结构材料商业发展中心作高级访问学者。现任超高温结构复合材料国防科技重点实验室学术委员会主任，国防科工局咨询委员会委员、教育部科技委委员、中国复合材料学会副理事长等。长期从事航空航天材料及其制造技术研究，创新发展了连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料、高纯超细石英纤维、BAS玻璃陶瓷、定向自生共晶复相陶瓷、纳米吸波材料等。获国家技术发明一等奖1项、国家科技进步一、二、三等奖4项，省部级二等以上奖15项，授权国家发明专利26项。获“何梁何利基金科学与技术奖”，“全国五一劳动奖章”和“国防科技工业杰出人才奖”等。