关键词： 碳化硅陶瓷   3D打印技术   流变性能   反应烧结   微结构  

摘要： 碳化硅陶瓷是重要的结构材料,在工业生产与高技术领域有着广泛的应用。然而传统的碳化硅陶瓷加工成型技术在制备陶瓷素坯的过程中需要使用模具,使得整个生产周期耗时长、成本高,在制造形状复杂、复合结构的陶瓷部件上存在较大的限制。陶瓷3D打印技术的出现颠覆了传统的陶瓷制造模式,在复杂结构和复合性能陶瓷部件的制造、一体化成型、轻量化设计、缩短研发周期和降低产品成本等方面具有巨大的发展潜力。直写成型技术与光固化成型技术分别因其工艺简单、材料适用性广和成型精度高的优点受到广泛的研究和关注。本课题基于3D打印技术结合反应熔渗烧结提出了两种制备碳化硅陶瓷复合材料的新方式。首先,进行了直写成型用碳化硅复合浆料的制备。采用添加粘结剂提高浆料模量的策略,以海藻酸钠作为粘结剂,碳化硅粉体、短切碳纤维和炭黑为原料制备了具有剪切变稀行为的水基碳化硅陶瓷浆料。2%海藻酸钠溶液制备的浆料模量最高,具有最好的粘结性能。炭黑添加量不影响浆料的粘度;炭黑含量为15vol%时,浆料初始模量最高。随着短切碳纤维含量的增加,浆料粘度减小,剪切应力先增后降;短切碳纤维含量为25vol%时的浆料粘度最低。不同炭黑与短切碳纤维添加量的浆料均具有较高的分散性,展现出典型的剪切稀化行为,能够满足直写成型的需求。之后,采用自搭建的直写成型装置进行3D打印,在1650℃下反应烧结实现了碳化硅陶瓷复合材料的致密化与近净成型。考察了打印条件、浆料固含量、炭黑与短切碳纤维含量对试样成型与烧结的影响。多打印层数与塑料薄膜基底显著改善干燥坯体的开裂状况。挤出剪切力诱导短切碳纤维定向分布。固含量的增加可以提高3D打印陶瓷部件的力学性能;固含量为32.38vol%、34.68vol%的烧结试样的最大弯曲强度分别为238MPa、300MPa,最大断裂韧性分别为3.9 MPa·m、4.6MPa·m。试样烧结收缩率<2%,致密度>99%。抗弯强度随炭黑含量增加呈现先增大后稳定的趋势,最大抗弯强度为275.26MPa。短切碳纤维含量从0vol%增大到15vol%过程中,试样的抗弯强度逐渐增加,极值点为252.53MPa;而25vol%时抗弯强度则急剧减小。最后,对数字光处理技术制备碳化硅陶瓷复合材料进行了初步探索。制备得到了最高固含量为20.86vol%、可光固化的短切碳纤维光敏浆料。实验发现,曝光功率与曝光时间的增加可以促进光敏浆料固化厚度的提高,最高固化厚度可达到46μm。通过优化的曝光参数制备了具有复杂网格结构的短切碳纤维预制体。光敏树脂的固化粘结与短切碳纤维的交错钉扎两者协同作用,实现了短纤维预制体相邻层的紧密结合。样品脱粘收缩存在各向异性。液相硅熔渗实现了碳纤维预制体的致密化。绝大部分短切碳纤维被硅化原位反应生成β-SiC。

关键词： 不确定性分析   稳健拓扑优化   周期性结构   各向同性   材料微结构   多层级结构  

摘要： 随着增材制造技术的兴起,拓扑优化成为结构优化的重要工具。它是在给定的载荷与边界条件下,寻求最优的孔洞数目及其分布形式,使得结构的性能达到最优,其应用范围涵盖航空、航天、船舶以及高铁等诸多领域。工程实际中存在着各种各样的不确定性,而这些不确定性只能尽量减小但无法避免。多种不确定性因素耦合在一起将会产生较大的偏差。本文将结构设计中的拓扑优化技术与不确定性分析相结合,采用边界光滑的双向渐进拓扑优化(Bi-directional Evolutionary Topology Optimization,BETO)方法,开展了连续体、周期性连续体、各向同性材料以及多层级结构的稳健拓扑优化方法研究。主要工作如下:首先,提出了一种基于正交分解(Orthogonal Decomposition)与均匀采样(Uniform Sampling)的不确定性分析方法(简称ODUS),克服了现有区间量化方法处理载荷不确定性时存在推导复杂、计算效率低、难以得到显式敏度信息等难题。采用正交分解技术,将载荷不确定性变量分离为若干个与有限元分析无关的系数,节约了量化不确定性过程中的计算成本;通过均匀采样技术,将原始的不确定性问题转化为广义的确定性问题,得到显式的敏度信息便于求解。此外,还进一步分析了载荷大小样本量与方向样本量对ODUS计算精度的影响。提出了一种包含结构响应极值的相对离散度指标,可用于直观地对比确定性设计结果与稳健性设计结果。通过典型算例,验证了所提方法的有效性与高效性。其次,提出了一种周期性连续体结构稳健拓扑优化方法,克服了周期性单胞拓扑构型易受载荷扰动影响的问题。在进行节点敏度过滤之前,对设计域的所有单元根据指定的周期数进行敏度平均,再将单元敏度转化为节点敏度,基于敏度一致的思想得到周期性设计,克服了单元节点数无法等距划分结构设计域的问题。采用ODUS方法,将载荷不确定性问题转化为确定性条件下的多工况问题,并按大小、方向与混合三种不确定性情况,推导了周期性连续体结构稳健设计的敏度信息。通过二维与三维算例,验证了所提方法的有效性与稳健性。接着,提出了一种各向同性材料微结构稳健拓扑优化方法。考虑到基材料的概率不确定性,将微结构极端性能期望与方差的加权作为目标函数。通过引入非侵入式的多项式混沌展开(Polynomial Chaos Expansion,PCE)法,对材料不确定性进行了高效量化,解决了材料属性与目标函数之间的关系无法显式表达的问题。采用能量均匀化法,评估材料微结构的宏观等效属性,得到了四种具有极端性能的各向同性材料微结构,验证了所提方法的有效性与优越性。随后,提出了一种多源混合不确定性条件下多层级结构稳健拓扑优化方法。对于其中“有界但未知”的载荷区间不确定性,采用ODUS方法进行量化;对于服从概率分布的材料不确定性,采用非侵入式的PCE方法进行求解。分别研究了单载不确定性、多载不确定性、材料不确定性、混合不确定性下周期性约束对多层级结构稳健设计的影响。将所提方法应用于三维Michell结构,得到了性能优良的拓扑构型,并采用增材制造技术,将不同情形下的设计结果进行打印,验证了所提方法的有效性与实用性。最后,总结了全文的研究成果与创新之处,并展望了未来的研究工作。

摘要： The ability of components to preserve their structural integrity and diffuse damage under stable conditions is paramount for various applications in the automotive and aerospace industries. At the same time, requirements for weight savings have driven these industries towards extensive use of Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRPs) that have high specific strength and stiffness. However, CFRPs are inherently brittle and suffer from low damage tolerance, which has been identified as the main limitation for their use. Recent research has shown that these seemingly contradictory design requirements can be met through careful microstructural design. Natural composites have proven an excellent source of inspiration for new microstructures, as they typically retain their structural integrity under the attacks of predators despite their weak and brittle main constituents. In particular, the crossed-lamellar microstructure, found in many mollusc shells, exhibits remarkable damage behaviour due to its complex microstructure, leading to torturous cracks paths through various damage diffusion mechanisms. In this work, we design, prototype and test CFRPs with a crossed-lamellar microstructure. First, the feasibility of such microstructure in CFRP is studied using a parametric unit cell Finite Element (FE) model, and prototyping procedures for such microstructure are subsequently developed. Experimental characterisation of the failure mechanisms of the microstructures shows that the toughening mechanisms of the natural crossed-lamellar microstructure can be reproduced in CFRP. To further improve damage diffusion in the microstructure, hybrid metal/crossed lamellar composites are conceived and tested. The results show that such composites diffuse damage under stable conditions up to record large curvatures, while also retaining their structural integrity. Finally, we investigate metal/crossed-lamellar composites with in-plane fibres to improve the stiffness and strength of the m

关键词： 填充方钴矿   冷冻研磨   多尺度结构   纳米复合材料   热电优值   热电转换效率  

摘要： 填充方钴矿(SKD)是目前最具有应用前景的一种中温区热电材料。方钴矿晶体结构中的孔隙可填入稀土、碱土、碱金属等原子,通过填充原子既可以提高载流子输运性能,又可以产生有效的声子共振散射进而抑制晶格热导率,所以填充不同原子是用来提高方钴矿热电性能的常用方法。尽管多元素填充方钴矿的热电性能更高,但是单元素填充方钴矿具有成分简单、合成工艺容易控制、性能稳定、可批量合成等优点,因而更适合用来制备热电器件。所以如何提高单元素填充方钴矿材料的综合性能(热电性能和力学性能),对于推动其器件化进程具有重要的意义。尤其是在组成不变的前提下,调控其微结构是提高性能的一条可行途径。本论文以镱(Yb)填充方钴矿为研究对象,率先引入超低温冷冻研磨(CG)技术制备高质量热电粉体,然后以纳米第二相复合和烧结工艺优化为主要调控手段,制备了具有多尺度微纳结构的Yb填充方钴矿热电材料,实现其热电性能和力学性能的协同提高,获得了目前文献报道最高性能的方钴矿热电器件。本论文研究的主要内容如下:1:采用熔融-淬火-高温退火的方法,结合等离子体烧结技术(SPS)快速烧结技术,大批量合成了n型Yb填充YbCoSb。基于Yb填充量的研究,得到热电性能稳定的化合物YbCoSb,其在800K的温度下热电优值(ZT)值达到1.14。2:在稳定批量合成YbCoSb材料的基础上,我们采用超低温冷冻研磨技术(CG),通过调控冷冻研磨工艺,在不破坏结构的前提下,制备了具有不同粒径的填充方钴矿微纳米粉体。结合退火处理和SPS烧结工艺调控,调节优化各个工艺参数,确立了合适的制备工艺,最终制备得到热电性能优异的多尺度微纳结构YbCoSb块体材料。多尺度微结构不仅增加了晶格内部扰动,而且增强了在纳米、微米等多尺度下的声子散射,有效降低了晶格热导率,同时产生的能量过滤效应,有效地提高了塞贝克(Seebeck)系数和功率因子(PF),最终批量制备样品的ZT值在800K时达到1.39左右。3:为了进一步提高材料的热电性能,我们通过调节初始元素的组分特别是Yb的组分和调节冷冻研磨工艺并结合等离子体烧结技术等工艺,成功制备出原位第二相纳米复合材料。调整Yb的最初添加量,使得材料在晶界上产生大量的YbO纳米点,获得结构上的优化。结果发现,当Yb的初始含量大于0.3时,可以在晶粒表面原位生长出少量的第二相纳米YbO颗粒,构成原位的复合材料YbCoSb/YbO。当Yb的初始含量为0.35时,其热电性能表现最为优异,在825 K时其ZT值高达1.55左右,这是单填充方钴矿热电材料迄今为止文献报道的最高值。而且在300K75K温度范围内,平均ZT值达到了1.09左右,这甚至比最佳的多填充方钴矿材料还要高,并且在精确控制各项工艺参数的前提下可以稳定制备。4:通过引入均匀分散的纳米颗粒构成纳米第二相复合是优化热电材料性能的一种有效途径,纳米第二项可以散射声子降低热导率,并且在提高热电性能的同时可以改善其力学性能。将冷冻研磨结合SPS烧结工艺作为制备基础,以YbCoSb为基体相,选择纳米β-SiC粉体为增强相,在粉体冷冻研磨阶段把两者进行有效地混合,最终成功合成YbCoSb/SiC纳米复合材料。本文系统研究了复合纳米SiC对方钴矿材料热电性能和力学性能的影响。在复合适量的SiC时,分散均匀的β-SiC纳米颗粒引发的能量过滤效应可以显著地提高材料的塞贝克系数和功率因子,并且增强声子散射,降低了晶格热导率,最终成功提高了材料的热电优值。当SiC复合含量为0.5vol%时,YbCoSb/SiC复合材料的ZT值在850K时达到了1.42。于此同时,复合纳米SiC也显著地提高了材料的力学性能(硬度、断裂韧性和弯曲强度)。5:以单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)为纳米增强相,通过冷冻研磨技术实现了碳管在YbCoSb粉体的均匀分散,结合SPS烧结技术制备了YbCoSb/SWCNT和YbCoSb/MWCNT纳米复合材料。研究表明,经过碳纳米管复合,材料的热电性能和力学性能都有了显著的提高,且多壁碳纳米管对热电性能的影响更为强烈。在YbCoSb基体中引入适量的CNT,在烧结过程中抑制其晶粒生长,制备出具有多尺度微结构块体材料,不但可以增强电输运性能,而且能够有效地提高声子散射强度,显著地降低晶格热导率,显著提高ZT值。当MWCNT的复合量0.5%vol时,其ZT值在850K达到了1.44。通过复合碳纳米管,不但提升了热电性能,而且有效地增强了方钴矿材料的力学性能。使用此高性能的填充方钴矿纳米复合材料,制备出了具有优异性能的方钴矿材料热电器件。在低温端24℃和高温端625℃的条件下,器件输出功率高达4.6W,比纯Yb填充方钴矿器件的输出功率提高了约36%。特别是在转换效率方面,在600K的温差下转化率高达9.3%,相比单填

关键词： 柔性压阻材料   互锁结构   导电高分子   传感材料  

摘要： 柔性压阻材料是指能够自由弯曲、扭曲、折叠甚至拉伸,并将外部机械应力转化为电阻(抗)信号的一种柔性导电复合材料。为了克服传统导电填充型柔性压阻材料灵敏度低、响应慢、迟滞严重以及稳定性差的问题,互锁结构柔性压阻材料(Interlocking structural Flexible Piezoresistive Sensing Materials,IFPSM)被广泛研究。其机理是利用互锁表面的微结构在受力时导电接触面积或接触点的变化实现对压力的检测。因此,表面微结构的类型、尺寸以及层级是压阻性能的关键影响因素。当前,表面微结构大多通过光刻等微纳加工和植物模板转印实现;其难以实现微结构在纤维等曲面的制备和尺寸的调节。为此,本论文围绕制备高灵敏的柔性压阻材料,在一维(纤维)、二维(膜)基体及多孔材料表面构筑尺寸可调的导电高分子微结构,同时研究微结构尺寸与IFPSM灵敏度的关系。针对纤维表面微结构构筑及尺寸调控的难题,采用溶胀诱导聚氨酯(TPU)膨胀及原位聚合的方法在其表面构建了波长为1.2-10.2μm的二维聚吡咯褶皱结构。该工艺实现了在极细(<50μm)和较粗(>500μm)的纤维表面上构筑尺寸可调的导电褶皱。所制得的柔性压阻材料的褶皱尺寸越小灵敏度越高;当褶皱波长为1.2μm时,灵敏度可达0.4 kPa,响应时间小于53 ms,使用稳定性高于4000次。同时,单根导电纤维不具备压阻效应,IFPSM随压力的电阻变化全部来源于互锁微结构导电接触点数量的变化。以工业砂纸作为模板,构筑了表面粗糙度可调的聚氨酯薄膜(R介于10-45μm);再通过溶胀-原位聚合的方法在粗糙表面引入波长为0.5μm的聚吡咯导电褶皱,制得了具有粗糙层级表面微结构薄膜。通过与柔性叉指电极互锁构筑了“桥接”型IFPSM,粗糙度越大,灵敏度越高。R为45μm的粗糙层级薄膜构筑的IFPSM对压力的的灵敏度最大可达6.1 kPa(0-2 kPa),使用稳定性大于3500次,响应和松弛时间分别为18 ms和35 ms。同时,电阻随压力在5 kPa以内均达到“饱和”状态,且不同粗糙程度下的“饱和”电阻基本一致。因此,其灵敏度由起始电阻决定。采用有机/水界面聚合的方法制备了长度约为1μm,直径约为50 nm的高比表面积(105 m/g)聚苯胺纳米纤维;并通过“浸渍-干燥”工艺将其负载在直径为10μm的棉纤维无纺布上,构建了致密、均一、稳定的多孔层级导电网络结构,制备了一种具有压敏和气敏功能的双重传感材料。该多孔层级结构既保证了足够的气体逸散通道和吸附比表面积,也确保形成了足够的可变导电接触点。研究聚苯胺纳米纤维负载量对压敏、气敏性能的影响发现,压敏最佳负载量在导电“渗流阈值”附近(0.36 wt%);而气敏灵敏度随负载量提高而升高。为了解决负载量的矛盾,利用多片负载量在渗流阈值附近的传感薄膜组装成了多层互锁IFPSM,该多层互锁结构能够同时提高压敏和气敏性能。其中,5层互锁结构的传感材料其压敏灵敏度达0.89 kPa,气敏灵敏度达18.8(50 ppm NH)。实现了气敏和压敏性能的同时提高。

关键词： 正电子湮没   微观结构   缺陷   纳米复合材料   离子辐照  

摘要： 纳米陶瓷具有硬度高、耐腐蚀和高温时稳定性好等良好的性能。对单一纳米氧化锆、氧化铝国内外已开展许多研究,将其二两者混合具有更优越的性能,基于氧化铝和氧化锆的复合纳米结构材料在耐火工程材料具有潜在应用,是目前国内外关注的热点之一。另外,随着人们对核能的迫切需求,核电站核电材料在长期高温辐照的严峻环境下,其安全问题显得尤为重要,氧化镁具有良好的导热性和导电性,正好弥补了氧化锆纳米陶瓷导热性差的缺点,因此,研究氧化镁/氧化锆纳米复合陶瓷材料的微结构及缺陷十分关键,这有利于对其抗辐照性能的了解。本文采用正电子湮没寿命谱(Positron annihilation lifetime spectroscopy,PALS)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)等方法,对比研究了氧化铝、氧化锆和氧化铝/氧化锆纳米复合陶瓷在不同从室温到1000℃的退火温度下微结构与缺陷的演变规律。另外,我们也采用SRIM模拟和慢正电子束多普勒展宽技术对氙离子辐照后氧化镁/氧化锆纳米复合材料微观结构的变化进行初步探索。获得主要结论如下:1.在退火温度低于500℃时,氧化铝纳米陶瓷、氧化锆纳米陶瓷和氧化铝/氧化锆纳米复合陶瓷三种样品的晶粒尺寸均保持不变,随后退火温度增加,氧化铝纳米陶瓷的晶粒尺寸保持不变,氧化锆纳米陶瓷的和氧化铝/氧化锆纳米复合陶瓷的晶粒尺寸有所增加,但由于氧化铝纳米陶瓷的抑制作用,氧化铝/氧化锆纳米复合陶瓷的晶粒生长更缓慢。TEM的结果显示在退火的温度发生改变时,氧化铝纳米陶瓷晶体的尺寸大小基本不变,而氧化铝/氧化锆纳米复合陶瓷只有在退火温度高于500℃的情况下,晶粒才会慢慢长大,并且发生了团聚,这更加直观的证实了XRD和正电子的实验结果。2.氧化铝纳米陶瓷、氧化锆纳米陶瓷和氧化铝/氧化锆纳米复合陶瓷三种样品内主要是空位、空位团和微孔洞三种不同的缺陷,并且缺陷的位置主要集中在晶界处。对比氧化锆纳米陶瓷内的缺陷,氧化铝纳米陶瓷和氧化铝/氧化锆纳米复合陶瓷内空位团或微孔洞缺陷尺寸更大,而相对数量更少。在低于500℃温度下退火时,氧化锆纳米陶瓷、氧化铝纳米陶瓷和氧化铝/氧化锆纳米复合陶瓷内总的缺陷密度保持不变,高于500℃由于晶粒生长,缺陷开始回复,氧化锆纳米陶瓷变化更明显,而氧化铝/氧化锆纳米复合陶瓷由于相互抑制对方的晶粒生长,稳定性更高。3.用SRIM程序所模拟的能量为5.2 MeV的氙离子注入到纳米复合陶瓷氧化镁/氧化锆中,最大损伤量出现在距离表层2.26μm的深度处,而整个辐照损伤层深度约为3.3μm。辐照产生的空位分布在0～2.3μm的区间。能量为5.2Me V的氙离子注入到氧化镁/氧化锆纳米复合陶瓷中时,氙离子的注入导致的损伤层已超过正电子的探测深度,开始S参数随辐照剂量而增加,当氙离子辐照剂量大约在2×10ion/cm时,此时氧化镁/氧化锆纳米复合陶瓷缺陷浓度已达到饱和,S-W数据分布在一条直线上,说明能量为5.2 Me V的氙离子注入到氧化镁/氧化锆纳米复合陶瓷中时,缺陷种类是空位型基体缺陷保持不变。

关键词： Mechanical engineering   Nanoscience   Nanotechnology   Energy   Materials science  

摘要： According to the Lawrence Livermore National Laboratory, nearly 70% of energy produced in the United States was wasted in the form of heat in 2018. With this ongoing energy crisis and increasing energy demands, there lies an urgent need for improved energy harnessing materials. Thermoelectric (TE) materials can convert a temperature gradient into an electric potential or vice versa. The efficiency of these materials is characterized using a dimensionless figure of merit (ZT). In order for these materials to become economically feasible, the ZT values need to be significantly increased from their current standing. Nanostructuring of these materials is a plausible option that can significantly increase ZT. In this study, we seek to demonstrate through classical molecular dynamic simulations and experimental investigations how the nanostructuring of particle size in Ge2Sb2Te5 nanocomposites can reduce the lattice thermal conductivity, and in turn, increase the figure of merit of TE materials.

关键词： 激光直写   热氧化法   射流微通道复合换热   扰流柱-纳米线复合微结  

摘要： 随着电子元器件散热在高换热效率、可靠性等方面的要求,传统的散热技术已经无法满足要求,因此微通道散热技术作为高效散热方式成为了研究热点。然而传统的微通道散热技术存在高压降和温度梯度大等问题,无法保证器件表面温度的均匀性,严重影响其换热性能。为此,本文提出了一种射流-微通道复合散热器扰流柱-纳米线微结构制备方法,对其形成机理、传热性能进行系统研究,主要研究工作如下:（1）采用激光直写方式加工微通道扰流柱结构并分析了激光直写的机理,研究了激光加工参数对扰流柱结构形成的影响,最后优选出加工扰流柱结构的微通道参数:输出功率21W,扫描速度300mm/s,扫描次数为60次,扫描间距为5 μm,并成功制备扰流柱结构微通道。（2）研究热氧化参数对微通道中生长CuO纳米线的影响,得到热氧化最优实验参数:温度500℃,保温时间6h。并基于最优激光直写参数得到的扰流柱结构微通道进行热氧化处理,成功制备出微复合结构（扰流柱与CuO纳米线相结合）的微通道,并验证了其稳定性,证明CuO纳米线能够稳定生长。（3）基于Fluent仿真的基础上,设计了扰流柱结构的微通道,系统的研究了射流冲击和在初始横流作用下的射流冲击对流传热性能的影响。结果表明,在射流冲击条件下,射流孔冲击的正中心位置,微通道壁面温度最低,压强最大,Nu随着Re的增加而增大;在初始横流作用下,总流量固定时,微通道壁面平均温度随横流-射流比值增大不断上升。然而,射流流量固定时,微通道壁面平均温度却随着其比值增大而逐渐减少。（4）搭建射流-微通道复合换热性能测试装置,研究三种不同换热方式以及光滑和扰流柱-纳米线微通道的换热性能。实验表明,单一射流冲击Nu约为单一横流Nu的1.1～1.6倍,具有良好的对流传热性能,;对比于光滑微通道,扰流柱-纳米线微通道壁面平均温度比光滑微通道降低6.25%～9.57%,具有较好的对流传热性能。

关键词： SiC纳米线   SiOC陶瓷先驱体   SiZrOC陶瓷先驱体   TaSi2抗氧化涂层  

摘要： 连续碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMC)是一种理想的热防护材料,相对于传统的脆性陶瓷隔热瓦材料,它具有高孔隙率、低密度、强韧化、高可靠性和良好的高温稳定性等优点,必将成为高超声速飞行器热防护系统中重要的候选材料。本论文针对新一代高超声速飞行器对新型防隔热一体化材料的实际需求,系统研究了Cf/Si(Zr)OC陶瓷基复合材料的微结构调控及性能,提出了原位生长Si Cnw增强Cf/Si OC陶瓷基复合材料的制备方法,并在复合材料表面制备了多元Ta Si2基梯度化涂层,通过氧化烧蚀试验方法对复合材料的抗氧化性能进行了评价。考察了Si OC陶瓷先驱体及Cf/Si OC陶瓷基复合材料的制备工艺及性能。研究发现,采用分子设计理论,以甲基三甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷作为结构单体,可以合成新型的Si OC陶瓷先驱体。当甲基三甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷的比例为4:1时,陶瓷产率最高可达81.6%。采用先驱体浸渍-裂解(PIP)工艺,制备了不同密度的Cf/Si OC陶瓷基复合材料,研究了其力学性能和热物理性能。当浸渍裂解次数由一次增加至三次时,复合材料的压缩强度由0.99MPa增加到3.21MPa,导热系数由50°C时的0.1566W·(m·K)-1上升至1200°C时的0.5643W·(m·K)-1,热膨胀系数由200°C时的2.458×10-6/°C上升至1200°C时的2.843×10-6/°C。在空气环境下,复合材料的失重率从33.3%降低至20.2%。提出了原位生长Si Cnw增强Cf/Si OC陶瓷基复合材料的制备方法。以甲基三氯硅烷为先驱体,采用化学气相渗透工艺,在碳纤维三维编织体表面原位生长了Si Cnw,揭示了Si Cnw的生长机制,制备了Cf/Si Cnw/Si OC陶瓷基复合材料,相比Cf/Si OC陶瓷基复合材料,其力学性能和热物理性能均得到提高。当浸渍裂解次数由一次增加至三次时,Cf/Si Cnw/Si OC陶瓷基复合材料的压缩强度从2.13MPa提升至6.16MPa。相同热环境下,复合材料的热导率降低,比热容和热膨胀系数均增加。在空气环境下,复合材料的失重率从30.1%降低至18.7%。提出了在Si OC先驱体中引入Zr元素提高复合材料热稳定性的新工艺。以聚甲基氢硅氧烷和正丙醇锆为原料,合成了Si Zr OC陶瓷先驱体,揭示了其聚合机理。结果表明,将Zr元素引入Si OC陶瓷体系中,提高了先驱体陶瓷的高温稳定性,同时陶瓷产率随着Zr/Si比的增加而增加。探究了温度对Si Zr OC陶瓷裂解行为的影响,随着裂解温度的升高,Si Zr OC陶瓷的高温稳定性增强。采用浸渍-裂解工艺制备了Cf/Si Zr OC陶瓷基复合材料。研究了不同密度的Cf/Si Zr OC陶瓷基复合材料的力学性能和热物理性能,当浸渍裂解次数由一次增加至四次时,复合材料的压缩强度由24.70MPa增加到53.54MPa,热导率随浸渍-裂解次数和温度的增加而增大,失重率从43.30%降低至11.32%。在Cf/Si Zr OC复合材料表面制备了多元Ta Si2基梯度化抗氧化涂层,提高了复合材料的抗氧化性能。涂层组分以硼硅酸玻璃为粘结剂,加入具有高发射率的Ta Si2和Mo Si2,同时加入Si C晶须增韧,经过1400°C高温烧结制备而成。静态氧化温度为1500°C,氧化时间为20min～120min。经过120min考核后,复合材料的失重率为7.43%,表明涂层具有较好的抗氧化性能。氧-乙炔火焰烧蚀实验结果表明,当表面烧蚀温度分别为1400°C和1500°C,烧蚀时间1000s时,试样的质量烧蚀率分别为5.31×10-5g/(s·cm2)和5.60×10-5g/(s·cm2),线烧蚀率分别为1.3×10-4mm/s和4.1×10-4mm/s,涂层显示出优异的抗烧蚀性能。当表面烧蚀温度为1600°C时,涂层能承受住200s的烧蚀,随着热流密度的增加,涂层表面的硼硅酸玻璃挥发严重,会出现大量的“烧蚀坑”,导致涂层表面的致密度下降。经1600°C/800s烧蚀后,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.96×10-4g/(s·cm2)和4.7×10-3mm/s。

关键词： 湿磨废加气混凝土   粉磨特性   力学性能   水化特性   胶凝特性  

摘要： 我国在大力建设基础设施和更新城市建筑的过程中会产生大量的建筑垃圾,造成极大的资源浪费,如何将这些建筑垃圾“变废为宝”已成为一大社会问题。加气混凝土作为我国的主导墙体材料,在建筑更新、运输、施工过程中自然会产生许多废加气混凝土,由于其孔隙率高、强度低、水化较完全,因而在应用于水泥基材料中面临着强度低、无水化活性的难题。利用传统的机械激发、化学激发方法激发废加气混凝土的活性,其激发效果有限;利用煅烧方法激发其活性,处理成本较高且不环保,因此本文依托湖北省技术创新专项重大项目(2018AAA002),采用湿磨的方式处置废加气混凝土,得到不同粒径的废加气混凝土料浆,研究了湿磨处置前后废加气混凝土的物化特性,并对比分析了废加气混凝土与粉煤灰、磷渣、钢渣的粉磨特性。研究结果表明,在物化特性方面,随着湿磨时间的延长,湿磨废加气混凝土的pH值明显增加,溶出的离子更多,颗粒分布更加均匀,但对其物相组成基本无影响。在相同湿磨条件下,湿磨3min后,废加气混凝土与粉煤灰、钢渣、磷渣四种材料废加气混凝土的中值粒径减幅最大,为56.4μm;湿磨至20min时,废加气混凝土的中值粒径最小,说明其更易磨;湿磨时间延长至120min,废加气混凝土的中值粒径始终最小,但减幅相对较小,说明易磨性略有下降。依据上述湿磨废加气混凝土的物理和化学特性变化,研究了湿磨废加气混凝土对水泥物理和力学性能的影响,结果表明:湿磨废加气混凝土的粒径减小会使复合体系的标准稠度用水量随之增多,凝结时间变短,抗压强度明显提升,但当湿磨废加气混凝土取代水泥的量达到40%时,体系的早期抗压强度明显下降。利用水化热、电阻率、XRD、TG、MIP、SEM等测试方法,深入研究了湿磨废加气混凝土对水泥水化进程和微结构的影响,结果表明:废加气混凝土粒径的减小,加快了废加气混凝土-水泥复合材料的水化反应速率,增加了水化产物的生成量,明显降低了体系的孔隙率,但废加气混凝土掺量达40%时,水化反应速率明显变慢,水化产物也随之减少,孔隙率也相应增加。最后,对比分析了废加气混凝土、粉煤灰、磷渣、钢渣的胶凝特性,结果表明,以湿磨废加气混凝土取代30%水泥时,复合材料的28d抗压强度和毛细吸水率与磷渣-水泥基复合材料相当,并且其1d、3d、7d抗压强度相对更高。