• 2021年第51卷第4期文章目次
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    • >综述
    • 航天运载器结构先进材料及工艺技术应用与发展展望

      2021, 51(4):1-9. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.001

      摘要 (187) HTML (189) PDF 3.26 M (517) 评论 (0) 收藏

      摘要:先进结构是支撑航天运载器研制及航天任务实施的基础,而先进材料与工艺技术则是先进航天运载器结构研制的重要基石。本文在简要论述航天运载器结构特点及我国发展趋势的基础上,综述了我国航天运载器结构金属材料、复合材料和智能材料的应用与发展需求,最后从超大型结构制造、整体高精高性能制造、复合材料结构制造、增材制造和绿色制造五个方面综述了航天结构先进工艺技术的未来发展趋势,并对重点研究方向进行了展望。

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    • 航天器轻量化多功能结构设计与制造技术研究进展

      2021, 51(4):10-22. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.002

      摘要 (153) HTML (386) PDF 7.47 M (623) 评论 (0) 收藏

      摘要:轻质多功能结构是航天器装备实现轻量化的重要技术途径,本文针对航天器轻量化多功能结构设计与制造技术进行概述,重点介绍了高承载三维点阵结构、热变形稳定结构、智能折展结构、分离解锁结构、电磁隐身结构、以及复合材料新型连接技术等方面的现状及发展趋势,浅析了航天器装备新型结构研制面临的关键技术问题。

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    • 航天复合材料研究进展

      2021, 51(4):23-28. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.003

      摘要 (168) HTML (274) PDF 2.41 M (475) 评论 (0) 收藏

      摘要:航天复合材料的性能与应用水平是衡量航天型号先进性与可靠性的重要标志,是支撑航天型号发展的关键材料,决定型号性能与成败。本文总结了近年来在热结构、防热、热透波、隔热以及结构复合材料领域的重要研究进展,提出极端环境服役新材料、可重复使用防隔热材料、第三代结构复合材料以及复合材料构件低成本快速制造等是航天复合材料未来发展的重要方向。

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    • 航天先进结构复合材料及制造技术研究进展

      2021, 51(4):29-36. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.004

      摘要 (161) HTML (192) PDF 3.92 M (586) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着航天装备的发展,对轻质的树脂基结构复合材料技术提出了新的发展需求,推动了结构复合材料及其制造技术的新发展。本文重点从结构复合材料材料体系、制造方法及应用等方面介绍了近年来国内外航天先进结构复合材料研究与应用新进展,并结合航天飞行器发展需求,对未来航天结构复合材料研究与应用发展方向进行了探讨。

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    • 国内铝锂合金基础研究及应用技术开发

      2021, 51(4):37-47. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.005

      摘要 (94) HTML (33) PDF 3.39 M (524) 评论 (0) 收藏

      摘要:总结了国内在铝锂合金主合金元素Cu、Li以及微合金元素Mg、Ag、Zn、稀土的(微)合金化效果及作用机理方面的研究结果。在主合金元素的研究方面,重点阐述了铝锂合金强度随Cu+Li总原子分数及Cu/(Cu+Li)原子分数比例增加而提高,但晶间腐蚀(IGC)抗力则随Cu/Li比增加而逐渐降低的规律及相关机理。在微合金化元素研究方面,主要阐述了Mg+XX=Ag/Zn)添加促进T1(Al2CuLi)相形核并提高铝锂合金力学性能的机理,其强化效果的规律表现为:Mg+Ag+Zn>Mg+Ag>Mg+Zn>Mg,同时还阐明了添加微量Zn元素提高铝锂合金IGC抗力,而添加微量Ag则降低IGC抗力的现象及其机理;另外,还总结了稀土(RE)元素分别在高Cu/Li比铝锂合金(以T1相为主强化相)及低Cu/Li比铝锂合金[以δ΄(Al3Li)相为主强化相]中的不利影响及有利影响的作用机理。除此之外,简述了国内航天用2195铝锂合金旋压、摩擦搅拌焊、氩弧焊、化铣等应用技术的开发情况。

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    • 原位自生TiB2/Al基复合材料的制备及性能

      2021, 51(4):48-62. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.006

      摘要 (107) HTML (58) PDF 21.94 M (331) 评论 (0) 收藏

      摘要:在合金的基础上进一步引入纳米陶瓷颗粒,从而制备出颗粒增强金属基复合材料,是提高金属材料综合性能的重要手段。本文从原位自生TiB2/Al基复合材料的制备方法、不同加工工艺下复合材料的微观组织、复合材料的力学性能三个方面总结了其研究现状,同时展望了原位自生TiB2/Al基复合材料的发展方向。通过原位自生方法制备出的TiB2颗粒增强铝基复合材料具有颗粒尺寸小、与基体界面结合良好等优点。通过合金化设计、热加工塑性变形、快速凝固工艺可进一步改善纳米陶瓷颗粒的分散性。相对于外加法制备的金属基复合材料,原位自生TiB2/Al基复合材料具有更加优异的力学性能,如弹性模量、强度、抗疲劳性能、抗蠕变性能等。

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    • 低温贮箱用复合材料的研究进展

      2021, 51(4):63-72. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.007

      摘要 (101) HTML (92) PDF 7.50 M (514) 评论 (0) 收藏

      摘要:系统地概括了低温贮箱用复合材料的研究背景、进展动态及研究现状,重点介绍了复合材料低温贮箱成型工艺、复合材料与低温推进剂之间的安全性及复合材料自身的低温力学性能。研究表明:自动铺丝成型工艺推动了无内衬的复合材料低温贮箱的发展;在冷热循环作用下界面等薄弱区域萌生大量微裂纹,机械载荷促进下形成低温推进剂泄漏路径;开发满足液氧相容性要求、工艺要求和力学性能优异的环氧树脂,是发展液氧贮箱用复合材料体系的关键;研究冷热循环作用和改性方法对于复合材料力学性能的影响,对可重复使用航天器复合材料低温贮箱应用的意义重大。

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    • 基于形状记忆聚合物复合材料航天航空可变形结构技术研究进展

      2021, 51(4):73-83. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.008

      摘要 (126) HTML (76) PDF 8.90 M (512) 评论 (0) 收藏

      摘要:形状记忆聚合物及其复合材料是一种在相应的外界刺激下可以在临时形状和初始形状之间进行切换的智能材料,具有低密度、低成本、可回复变形大,刺激方式可控等优点,在航天航空领域,如:空间可展开结构、锁紧释放机构、变体等,展现出来了巨大的应用潜力。这些应用大多处于开发阶段,一部分完成了地面功能验证,少部分进行了航天实验。本文首先总结了形状记忆聚合物(SMP)和形状记忆聚合物复合材料(SMPC)的分类,以及恶劣的空间环境因素下SMP的性能变化。随后总结了SMPC的空间可展开结构,包括:铰链、桁架、太阳能电池阵;SMPC的解锁释放结构;SMPC的变体结构以及基于4D打印的SMPC可展开结构的潜在应用。最后,对形状记忆材料和结构的发展前景进行了展望。

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    • 航天功能防护涂层设计与调控

      2021, 51(4):84-94. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.009

      摘要 (118) HTML (36) PDF 6.41 M (373) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着航空航天技术的不断发展,航天材料在使用过程中会面临更加复杂苛刻的服役环境,研究出具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性等不同防护功能的涂层材料成为当前的研究重点。本文系统归纳和评述了润滑涂层、耐磨涂层与耐蚀涂层材料的研究进展,主要包括DLC薄膜、MoS2薄膜、氮化物涂层、石墨烯基涂料等。在此基础上并探讨了复合、梯度多层、纳米多层等结构设计方法和工艺技术及对涂层性能的增强机制。指出航天功能防护涂层未来将向着通过跨尺度结构设计,综合多种防护机理制备出超长寿命的航天功能防护涂层的方向发展。

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    • 基于MEMS工艺的爆炸箔芯片与高压开关研究现状

      2021, 51(4):95-103. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.010

      摘要 (83) HTML (69) PDF 25.74 M (540) 评论 (0) 收藏

      摘要:爆炸箔起爆器作为新型高安全性和高可靠性火工品,可广泛应用于武器系统的点火起爆、飞行器以及航天器的作动分离等诸多技术领域。从火工品的集成化、小型化以及低成本的发展趋势出发,介绍了南京理工大学微纳含能器件工信部重点实验室基于薄膜集成工艺、低温共烧陶瓷工艺以及印制电路板工艺开展的关于MEMS爆炸箔芯片和高压开关的研究现状。从设计、制备、发火性能、成本等方面分析和对比了各自的特点。最后介绍了爆炸箔芯片在超压起爆以及爆电耦合等新技术领域的研究进展。

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    • >计算材料学
    • 带螺旋内筋薄壁筒形件旋压变形特征

      2021, 51(4):104-108. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.011

      摘要 (109) HTML (61) PDF 7.72 M (467) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用有限元模拟和实验结合的方法,研究了带螺旋内筋薄壁筒形件旋压变形特征。首先建立带螺旋内筋薄壁筒形件旋压有限元模型,并通过实验验证模型的可靠性。然后基于有限元模拟结果,分析旋轮作用下不同区域的应力特征及成形工件不同区域的应变特征。结果表明:筒壁区材料在旋轮作用下受三向压应力,内筋处外层材料受三向压应力,内层材料径向受压应力,切向和轴向受拉应力;成形后工件具有明显的不均匀变形特征,外层材料应变大于内层材料应变,筒壁区材料应变大于内筋处材料应变;筒壁区材料的应变特征为径向压缩应变,切向和轴向为拉伸应变,而内筋区的应变特征主要为外层材料的径向压缩应变和内层材料的径向拉伸应变。

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    • 基于聚酰亚胺泡沫的蒸汽管路绝热结构设计与性能验证

      2021, 51(4):109-115. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.012

      摘要 (75) HTML (34) PDF 1.90 M (428) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对核潜艇动力装置蒸汽管路对新型绝热材料的需求,设计并制造了一种以聚酰亚胺泡沫为主要功能层的用于潜艇蒸汽管路表面的新型绝热结构。参照潜艇二回路管路应用要求,对绝热结构的绝热功能和使用过程中的结构稳定性进行了验证,阐明了绝热机理。结果表明:新型绝热结构经280 ℃、480 h连续加温考核试验和720 h静置试验,该绝热结构件外表面温度控制在45.2~46.5 ℃,整个考核期间结构和尺寸变形量几乎为0且趋于稳定。在蒸汽管路构件表面施工多层聚酰亚胺泡沫作为绝热结构,解决了现有无机岩棉类体系存在的工艺性差、环保性差等问题,该研究可为舰艇新型绝热结构的应用发展提供工程技术参考。

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    • >新材料新工艺
    • 轻质烧蚀防热材料结构组成对烧蚀形貌的影响

      2021, 51(4):116-119. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.013

      摘要 (117) HTML (59) PDF 2.61 M (470) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用石英灯烧蚀试验对研制的一种轻质烧蚀防热材料在不同防热结构下的烧蚀形貌和隔热性能进行了研究。结果表明:不同的防热结构形式,轻质烧蚀防热材料的烧蚀形貌不同,防热结构的纵向温度梯度和面内温度梯度均影响轻质防热材料的烧蚀形貌,温度梯度越小,热量在材料表面积聚越严重,因此表面碳化特征越明显。在不同材料的面内组合状态下,轻质烧蚀防热材料可实现与较高密度材料的匹配烧蚀,说明其烧蚀防热效率较高。在防热结构设计时,可综合考虑其面密度和烧蚀形貌,合理利用防热结构组成,实现高效防隔热和轻量化设计。

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    • 超高温陶瓷改性C/SiC复合材料的制备及其性能

      2021, 51(4):120-125. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.014

      摘要 (103) HTML (84) PDF 4.50 M (469) 评论 (0) 收藏

      摘要:以碳纤维为增强体,聚碳硅烷和聚烷基铪为前驱体,采用前驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备C/SiC-HfC复合材料,将其与同种工艺所得C/SiC复合材料进行对比评价分析。发现C/SiC-HfC复合材料具有较低密度和较好的高温力学性能,且在1 650 ℃静态氧化实验中,含有HfC的基体对纤维具有更佳保护效果。C/SiC-HfC密度约为1.92 g/cm3,常温弯曲强度为345 MPa,1 800 ℃高温无氧环境弯曲强度可达424 MPa。C/SiC-HfC复合材料表现出更加优异高温力学性能是由于HfC组分的添加抑制了SiC晶粒的生长,降低了基体内部较大裂纹产生的概率。在1 650 ℃空气环境下,含有HfC的基体对纤维具有更佳保护作用,主要是由于HfC组分的添加使材料表面的SiC及时氧化成SiO2,SiO2在纤维和基体表面形成包覆层,防止了材料内部的进一步氧化。

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    • 铝锂合金曲面件超低温成形工艺

      2021, 51(4):126-130. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.015

      摘要 (121) HTML (77) PDF 1.63 M (515) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对铝锂合金室温成形性差和热成形性能弱化的难题,利用发现的超低温下伸长率与硬化指数同时提高的双增效应,提出铝锂合金曲面件超低温成形新工艺。通过2195铝锂合金板材在不同温度和热处理状态下的超低温变形行为研究,确定发生双增效应的临界温度为低于-140 ℃,伸长率可提高至40%以上、硬化指数达到0.44;利用建立的超低温成形工艺实验装置,首次试制出直径200 mm的2195铝锂合金球底曲面件,深径比达到0.55、成形极限提高104%;阐明超低温成形试件壁厚分布规律与回弹规律,最大减薄率为10.3%。

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    • TiB2颗粒对2195铝锂合金焊接头焊接性的影响

      2021, 51(4):131-135. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.016

      摘要 (94) HTML (70) PDF 4.91 M (234) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了解决2195铝锂合金在焊接时裂纹敏感性高、焊接头软化等问题,通过调整焊丝的化学成分,添加微米级原位自生TiB2颗粒,制备出BJ-4210焊丝,并对焊接头的抗裂性、力学性能及显微组织进行了研究。研究表明,TiB2颗粒在熔池中作为形核质点,能够降低焊缝晶粒尺寸并且改变晶粒形态,从而有效的降低接头的裂纹敏感性,提高接头的力学性能,其拉伸强度达到370 MPa,延伸率为3.1%。BJ-4210焊丝的研制可为2195铝锂合金的工程应用提供技术支撑。

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    • 新型低密度Nb-Ti合金抗氧化涂层制备及组织性能分析

      2021, 51(4):136-139. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.017

      摘要 (89) HTML (66) PDF 1.86 M (513) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对新型低密度Nb-Ti合金抗氧化性能需求,开展了Si-Cr-Ti系抗氧化涂层研究,重点分析了所制备涂层抗氧化性能和微观组织在氧化前后的变化。结果表明, 1 200 ℃下涂层寿命大于10 h,涂层抗热震性能良好;涂层与基体之间形成一层扩散层,保证了涂层的结合强度;在高温大气环境下,涂层表面生成一种隔绝氧气填补涂层表面空隙的玻璃质SiO2层,因而具有良好的抗氧化性能。

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    • >测试分析
    • 不同预变形量T8态时效2195铝锂合金微观组织与强度贡献

      2021, 51(4):140-146. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.018

      摘要 (91) HTML (189) PDF 6.01 M (457) 评论 (0) 收藏

      摘要:以21 mm厚度2195铝锂合金板材为对象,研究了T8态时效时预变形量对其微观组织及力学性能的影响以及不同因素对屈服强度的贡献。结果表明:随着预变形量增大,时效时析出的T1相尺寸减小,数密度增大;而θ′相尺寸和数密度都减小。148 ℃/38 h时效时,预变形量从3%增加到15%,屈服强度由596 MPa增大到638 MPa,但伸长率由13.8%降低到10.7%。随着预拉伸量逐渐增大,时效析出相对屈服强度贡献逐渐降低,而加工硬化对屈服强度的贡献逐渐提高。合金的屈服强度取决于加工硬化和时效析出强化的共同作用。

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    • 交替盐雾环境下Ti-15-3钛合金与MT700/603B连接件的接触腐蚀行为

      2021, 51(4):147-153. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.019

      摘要 (88) HTML (75) PDF 6.59 M (379) 评论 (0) 收藏

      摘要:研究交替盐雾环境下Ti-15-3钛合金与MT700/603B碳纤维复合材料的接触腐蚀行为,分析碳纤维表面状态、缝隙宽度、腐蚀时间等对腐蚀敏感性和腐蚀特征影响。结果表明,缝隙宽度为0.06 mm时钛合金腐蚀最为严重。缝隙腐蚀和接触腐蚀相比,在相同腐蚀条件下后者的腐蚀失重速率、腐蚀氧化层面积均显著大于前者,表明钛合金接触腐蚀的腐蚀程度较缝隙腐蚀更为严重。Cr分布不均匀区域腐蚀更为严重。

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    • 大尺寸整体C/SiC复合材料蒙皮骨架松动问题分析

      2021, 51(4):154-158. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.020

      摘要 (100) HTML (131) PDF 2.69 M (325) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对大尺寸整体C/SiC复合材料骨架和蒙皮结构在165 dB热噪声试验调试过程中出现的蒙皮松动问题进行分析,提出了蒙皮与骨架装配时空悬面积过大引起蒙皮呼吸振动幅度增加,从而导致噪声振动环境中蒙皮松动的现象。仿真分析表明,在相同的加速度激励下随着蒙皮与骨架局部空悬面积变大,位移响应增大约1.72倍;通过装配间隙为0.2、0.6、1 mm的3组平板试验件进行验证,当蒙皮与骨架间隙较大时,其胶层厚度也较大,经过多次热加载后,胶层粘接性能下降,蒙皮与骨架之间空悬现象显现,在振动激励下导致蒙皮松动。最后提出了大尺寸复合材料蒙皮与骨架装配时需保证最大间隙不超过0.3 mm的改进措施。

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    • >工程实践
    • 稀土镁合金铸件表面微观缺陷形成机理及修复技术

      2021, 51(4):159-164. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2021.04.021

      摘要 (115) HTML (45) PDF 2.56 M (418) 评论 (0) 收藏

      摘要:VW63Z稀土镁合金铸件表面微观缺陷经过荧光检测的结果表现为“条状荧光”现象,当该缺陷出现在铸件非加工面时,由于无法经过机械加工去除将直接导致铸件报废。本文探究了铸件表面缺陷的微观组织及其形成机理,结果表明微观缺陷主要成分为稀土氧化物的双层氧化膜,其中部分存在夹杂物;金属液汇流导致表面微观缺陷更易形成。应用激光熔凝技术对铸件表面微观缺陷进行处理,当平顶激光束输出功率为800 W时,重熔层组织呈树枝晶形貌特征,晶粒细小并与基体结合良好,重熔层深度约为915 μm,控制铸件热影响范围的同时基本可以修复铸件表面缺陷,原缺陷位置荧光检测未见条纹状缺陷。

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