先进复合材料修复和氧化

admin · 发表于 2025-1-18 18:44:13

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先进复合材料由于具有卓越的性能已成功用于航空、航天和军事等高技术领域，然而修复题目已成为限制其进一步发展和应用的重大题目之一。本文针对先进复合材料修复工艺和氧化防护等学科前沿题目，主要开展了以下几个方面的研究工作：1. 提出了C/C复合材料深度粘接修复的新构思，研发成功其深度粘接修复新技术，并研制出一种用于C/C复合材料深度修复的高温粘接剂，确定了粘接剂的优化配方，在深入研究粘接层厚度、炭纤维含量和热处理温度对粘接样品力学性能影响规律的基础上确定了优化的粘接工艺，所粘接的C/C复合材料具有良好的力学和抗热震性能，层间剪切强度达到8.5MPa。2. 深入研究了粘接层厚度、炭纤维含量和热处理温度对粘接样品力学性能的作用机理，提出了粘接C/C复合材料的三种失效模型。当粘接层厚度、炭纤维含量和热处理温度合适时，在粘接剂中和粘接界面上产生的孔洞小而均匀，同时炭纤维均匀分布在胶料中，起着桥联和降低粘接剂整体热膨胀系数的作用，而且形成的高强度Al2SiO5固溶体和自愈合相能渗入到粘接剂和C/C复合材料本体粘接表面的微孔中形成钉扎结构，这些作用使粘接样品有高的力学性能。3. 针对飞机刹车的使用环境，研发出成本低廉、制备工艺简单和使用方便的C/C复合材料用磷酸盐基抗氧化涂层，深入分析研究了涂层的氧化防护机理。通过优化确定了涂层配方和热处理工艺。该涂层具有良好的抗氧化性能，在700℃下空气中氧化100h后，失重率为0.952%；经过从900℃到室温的50次热循环后，失重率仅为1.32%。采用所研发的工艺粘接出了炭盘缩比件，并用磷酸盐涂层进行了氧化防护处理，在摩擦磨损试验机上模拟飞机刹车的正常、最大、极限和中止起飞四种能量状态进行了考核试验，结果表明深度粘接修复方案可行，粘接修复的工艺安全、可靠，磷酸盐基涂层氧化防护性能良好，所修复的样品能满足飞机使用要求。4. 针对C/C复合材料的高温氧化防护要求，设计和制备出了两种高温氧化防护多层复合涂层。G1涂层分别以SiC系为内层，Al2O3改性的硼硅酸盐系涂层为外层；G2涂层以B4C系涂层为内层，SiC系中间层，SiO2系为外层。确定了涂层的优化制备工艺，分析研究了G1和G2涂层的高温抗氧化性能。带G1涂层的样品在1300℃氧化50小时后，失重率为1.03%，但随着温度的进一步升高和时间延长，该涂层开始失效。而G2涂层的样品在1500℃氧化50h后，失重率仅为1.30%，其氧化失重率的Arrhenius曲线由三个区域组成，而转折点分别为700和1100℃左右，从500-700℃，Ea是8.078kJ/mol，800-1100℃，Ea变成-8.610kJ/mol，1200-1500℃，Ea重新变为5.826kJ/mol。5. 通过实验深入研究了G2涂层的抗氧化机理，该复合涂层均匀致密，各层之间以及涂层和本体之间没有明显的界面，涂层各层之间以及涂层和本体之间有很好的相容性和梯度过渡性，同时复合涂层在横截面方向存在的表面裂纹、内裂纹和贯彻裂纹，在低温时通过贯穿裂纹生成的B2O3能愈合裂纹，中高温时还能生成硼硅酸盐和SiO2愈合裂纹，这样就有效地阻止C/C复合材料本体的氧化。6. 研发成功树脂基复合材料的贴补和挖补修补技术，采用正交设计试验法深入研究了修补参数对弯曲强度恢复值的影响规律，确定了优化的修补工艺参数：对于17层厚和损伤孔径为20mm的 T300/BMP-316层压板，贴补参数为补片直径60mm，补片厚度7层，修补结构试验件的弯曲强度恢复值达到90.45%；挖补参数为损伤孔直径35mm，楔形角30:1，挖补结构试验件的弯曲强度恢复值达到92.83%。通过有限元分析模型模拟获得的贴补和挖补优化工艺参数与修补工艺研究试验的结果相吻合。

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