2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、提高渦輪前進(jìn)口溫度、減輕結(jié)構(gòu)重量和增加服役壽命是發(fā)展先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)永恒的主題。要求其熱端部件材料在高溫應(yīng)力氧化環(huán)境下具有長時(shí)服役性能。碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)是繼高溫合金后最有潛力用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的高溫結(jié)構(gòu)材料,但由于CMC-SiC材料的裂紋和孔隙,成為氧化介質(zhì)擴(kuò)散的通道,導(dǎo)致其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫氧化環(huán)境中的服役壽命降低。目前,國內(nèi)已發(fā)展了適用于1000℃以下的B-C陶瓷和硅硼玻璃兩種自愈合改性CMC-SiC復(fù)合材料,

2、而在1000℃以上其抗氧化性能明顯衰減。本文發(fā)展的Si-B-C陶瓷自愈合改性CMC-SiC的使用溫度可提高至1300℃,可在更寬溫度范圍具有長壽命服役能力。
  本文首先研究了Si-B-C陶瓷在空氣和水氧環(huán)境下的本征氧化行為,分析其在不同環(huán)境與溫度下的氧化機(jī)理,并建立相應(yīng)氧化模型。據(jù)此以CVI/CVD法制備的Si-B-C陶瓷作為改性組元,對(duì)CMC-SiC進(jìn)行基體和涂層進(jìn)行改性。系統(tǒng)研究了Si-B-C陶瓷對(duì)基體改性C/(SiC-Si

3、BC)m的本征熱物理性能和室溫力學(xué)性能的影響規(guī)律,以及氧化環(huán)境對(duì)涂層和基體改性CMC-SiC的抗氧化性能和自愈合機(jī)理的影響規(guī)律。上述研究為自愈合改性CMC-SiC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端構(gòu)件中的應(yīng)用奠定了理論與工藝基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下:
  1)研究了CVD Si-B-C陶瓷在空氣和水氧環(huán)境的本征氧化行為。結(jié)果表明:(1)Si-B-C陶瓷在兩種環(huán)境1000℃以下氧化失重呈線性增加,失重速率隨溫度升高而加快,且水加快Si-B-C的氧

4、化;在兩種環(huán)境1200℃以上,氧化失重曲線呈多段線性變化,且在水氧環(huán)境下初始階段的氧化失重速率小于空氣氧化環(huán)境下的速率;(2)Si-B-C陶瓷空氣氧化后形成的玻璃由B2O3、SiO2和Si-O(SiC)組成,隨溫度升高,B2O3含量先升高后快速降低,Si-O(SiC)鍵作為SiO2從α磷石英向α方石英轉(zhuǎn)變的中間鍵態(tài),隨溫度升高先增加,1200℃開始減少;(3)Si-B-C在水氧環(huán)境氧化后,硼硅玻璃由Si(OH)4、H3BO3、SiO2、

5、B2O3和B2O組成。隨溫度升高H3BO3快速揮發(fā),1000℃揮發(fā)殆盡;SiO2隨溫度升高而增加,與B2O3形成硼硅玻璃而降低B2O3揮發(fā)速率。但溫升至1400℃,硼硅玻璃快速分解,其中B2O3與水形成H3BO3快速揮發(fā),并伴有少量B2O3揮發(fā),故B2O3含量下降。
  2)研究了Si-B-C陶瓷基體改性C/(SiC-SiBC)m的本征結(jié)構(gòu)、熱物理性能和室溫力學(xué)性能。結(jié)果表明:(1)C/(SiC-SiBC)m復(fù)合材料基體形成的多層

6、結(jié)構(gòu)影響其力學(xué)性能。C/(SiC-SiBC)m的壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和面內(nèi)剪切強(qiáng)度較C/SiC明顯下降;斷裂韌性和斷裂功較C/SiC有所提高;彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度與C/SiC相當(dāng);(2)C/(SiC-SiBC)m未改變C/SiC熱膨脹系數(shù)與溫度關(guān)系,均隨溫度升高而增加。但在相同溫度下,C/(SiC-SiBC)m比 C/SiC的熱膨脹系數(shù)低1×10-6 K-1;(3)C/(SiC-SiBC)m與C/SiC的熱擴(kuò)散系數(shù)均隨溫度升高而降低,但

7、C/SiC-SiBC)m比C/SiC的低。
  3)研究了C/(SiC-SiBC)m在高溫空氣環(huán)境的氧化、熱震和疲勞性能,以及水氧環(huán)境下的氧化行為。結(jié)果表明:(1)C/(SiC-SiBC)m的基體可形成多層結(jié)構(gòu)的防護(hù)體系,顯著提高其抗氧化性能。700℃~1400℃空氣氧化50h的重量變化率極??;1200℃以下強(qiáng)度保持率為98%以上,1300~1400℃強(qiáng)度保持率約為85%。700℃~1400℃14H2O/O2中50h氧化后,試樣重

8、量變化率極?。怀?00℃外,其余溫度殘余強(qiáng)度均低于空氣氧化結(jié)果。(2)C/(SiC-SiBC)m在兩種氧化環(huán)境下具有相同氧化損傷機(jī)理。1000℃以下材料損傷受 Si-B-C陶瓷的氧化速率控制;1200℃以上損傷受氧化介質(zhì)在硼硅玻璃中的擴(kuò)散控制。(3)C/(SiC-SiBC)m的熱震性能顯著提高。在700℃、1000℃和1300℃至室溫?zé)嵴?0次的最大失重僅為0.34%,度保持率在94%以上。(4)C/(SiC-SiBC)m的熱震損傷機(jī)制

9、有應(yīng)力損傷和氧化損傷兩種。700℃熱震強(qiáng)度和模量的衰減主要以氧化損傷為主;1000℃模量衰減主要為應(yīng)力損傷所致;1300℃熱震強(qiáng)度和模量衰減主要是應(yīng)力損傷,氧化損傷為次。(5)C/(SiC-SiBC)m在空氣環(huán)境的疲勞壽命顯著提高。其損傷以氧化損傷為主,疲勞應(yīng)力引起的損傷加速氧化損傷。1000℃以下氧化損傷受碳相氧化控制,1000℃以上試樣損傷受氧在硼硅玻璃中擴(kuò)散控制。
  4)研究了Si-B-C涂層改性SBS-C/SiC(SBS

10、表示SiC/SiBC/SiC涂層)的空氣氧化行為和疲勞性能,以及水氧環(huán)境的氧化行為。表明:(1)SBS-C/SiC與C/SiC相比,顯著提高1000℃以上空氣環(huán)境的抗氧化性能,SBS-C/SiC的強(qiáng)度保持率高于83.9%,失重率低于0.29 wt.%。(2)SBS-C/SiC在14H2O/O2環(huán)境下具有優(yōu)異的抗氧化性能。1200℃以下氧化50h的強(qiáng)度保持率在97%以上,1300℃~1400℃的強(qiáng)度保持率為87%左右。同時(shí),環(huán)境中水分壓的

11、提高促使硼硅玻璃反應(yīng)生成易揮發(fā)H3BO3,導(dǎo)致SBS-C/SiC抗氧化性能有所降低,氧化后強(qiáng)度保持率比低水分壓的有所下降。(3)在空氣和水氧環(huán)境下,SBS-C/SiC具有相同氧化損傷機(jī)理,且與基體改性的試樣損傷機(jī)理相同。(4)SBS-C/SiC與C/SiC相比,顯著提高了空氣環(huán)境的高溫疲勞壽命,同時(shí)疲勞壽命優(yōu)于基體改性的C/(SiC-SiBC)m。其損傷機(jī)理與基體改性的試樣相同。
  5)探索研究了SBS-SiC/SiC在空氣和水

12、氧環(huán)境的氧化行為。表明:(1)Si-B-C涂層可顯著提高SiC/SiC的抗氧化性能。700℃~1400℃空氣氧化50h,SBS-SiC/SiC的重量變化率極小,1300℃以下強(qiáng)度保持率為95%以上,1400℃為71.3%;700℃~1400℃水氧氧化50h,其重量變化率極小,1300℃以下強(qiáng)度保持率為89%以上,1400℃為66.9%,強(qiáng)度保持率整體低于空氣環(huán)境。(2)SBS-SiC/SiC在1000℃以下的氧化損傷受 Si-B-C涂層

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