• 2023年第53卷第1期文章目次
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    • >综述
    • 多尺度模拟计算方法在超高温高熵陶瓷材料中的应用进展

      2023, 53(1):1-12. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.001

      摘要 (713) HTML (532) PDF 1.74 M (1410) 评论 (0) 收藏

      摘要:超高温高熵陶瓷材料以难熔金属碳化物、硼化物、氮化物等为组元,具有较高的硬度、高温强度以及良好的热稳定性,已成为超高温陶瓷领域研究的热点方向之一。与传统材料相比,超高温高熵陶瓷涉及复杂成分空间、多个尺度维度、极端多场耦合服役环境,采用传统经验试错法开发超高温高熵陶瓷效率过低,故而需要改变材料研究范式,依靠多尺度模拟计算方法提高超高温高熵陶瓷研发与应用效率。本文首先简要介绍了具有代表性的多尺度材料计算方法,进而综述了多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的典型应用成果,最后对多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的前景进行了展望。

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    • 气凝胶隔热材料在空间探测领域研究与应用进展

      2023, 53(1):13-20. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.002

      摘要 (1533) HTML (544) PDF 1.26 M (1427) 评论 (0) 收藏

      摘要:气凝胶材料具有纳米颗粒组成的骨架结构,形成独特的纳米尺度孔洞,密度和热导率极低,可以节省航天器空间和质量资源,是空间探测领域极端低温和高温温度环境(-230~1 800 ℃)下优选的隔热保温材料。本文详细综述了气凝胶材料在国内外航天器中装置隔热、空间电源保温、低温储箱保温以及星际宇航服等领域应用进展,并对气凝胶在空间探测中的未来发展进行了展望。

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    • 芳香族聚酰胺纤维在航空领域的研究进展

      2023, 53(1):21-28. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.003

      摘要 (378) HTML (726) PDF 617.03 K (1350) 评论 (0) 收藏

      摘要:介绍了国内外芳香族聚酰胺纤维的历史发展,归纳了其优异的热力性能、稳定性和电绝缘性,分类概述了其在军民用领域的应用潜力,进而系统阐述了芳香族聚酰胺纤维及其复合材料在蜂窝材料、压力瓶、飞机轮胎、发动机等航空领域的应用,总结出我国在发展芳香族聚酰胺纤维方面面临高性能和高产能的需求。

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    • >计算材料学
    • 前驱体浸渍裂解过程中SiC/SiC复合材料微观工艺应力模拟研究

      2023, 53(1):29-37. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.004

      摘要 (755) HTML (675) PDF 1.18 M (1188) 评论 (0) 收藏

      摘要:前驱体浸渍裂解工艺(PIP)是SiC/SiC复合材料的一种近净成形制备方法,但前驱体裂解过程中产生的应力阻碍了该工艺的产业化应用。本文构建了一种化学-力学耦合模型来研究前驱体裂解过程中应力的产生和演化机理。首先以反应动力学模型描述了前驱体的裂解过程;其次基于三相球模型建立了一个解析模型计算基体的均匀化力学性质;最后结合上述模型构建了有限元模型,在微观尺度模拟计算了代表性体积单胞(RVC)内的工艺应力演变。结果表明:基体在贫基体的界面处承受显著的环向拉伸应力;对于由纯前驱体组成的基体,基体内的工艺应力主要是由裂解过程引起的化学收缩导致的,受温度引起的热膨胀影响较小;随着PIP循环次数的增加,化学收缩和热膨胀的角色发生互换。

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    • XM23胶的单轴拉伸试验及超弹性本构模型构建

      2023, 53(1):38-42. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.005

      摘要 (462) HTML (303) PDF 676.97 K (1233) 评论 (0) 收藏

      摘要:XM23胶广泛应用于航天光学遥感器,用于粘接光学透镜与金属结构件,可以起到减振作用。目前对XM23胶的力学性能的研究都是基于线弹性理论,但XM23胶是一种高聚合物,表现出非线性特征,无法使用线弹性材料的杨氏模量和泊松比进行准确地表征。本文首先通过XM23胶的单轴拉伸试验测试出该胶的应力应变数据,基于超弹性理论,尝试运用3种超弹性本构模型进行数据拟合。分析发现,Mooney-Rivlin 3参数本构模型最适于表征XM23胶的力学性能,其本构模型材料参数为-0.205 9 MPa、为0.688 8 MPa、为0.055 7 MPa。利用此本构模型使用有限元软件模拟了该胶的单轴拉伸试验,仿真得到应力应变数据在误差范围内与试验数据一致。XM23胶的超弹性本构模型构建为XM23胶的胶接结构有限元建模提供了理论和数据支撑。

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    • TC2钛合金薄壁型材下陷成形工艺参数分析及优化

      2023, 53(1):43-49. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.006

      摘要 (419) HTML (559) PDF 4.09 M (1173) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用试验和计算机模拟相结合的方法,对TC2钛合金薄壁型材的单边下陷成形工艺开展研究。通过在室温至600 ℃范围内对TC2合金型材的热拉伸变形行为进行分析,建立了该型材热拉伸的Johnson-Cook本构模型。在此基础上,对L截面TC2钛合金型材的单边下陷过程进行计算机模拟,分析了下陷过程中型材应力、应力三轴度的分布。结果表明,下陷区L拐角处容易产生应力集中,由于变形前段该区域的应力三轴度Rd>0,呈拉应力状态,因此微裂纹容易在应力集中处形核并沿型材纵向扩展。通过对成形温度、下陷段长度和过渡圆角半径进行优化,得到最佳工艺参数条件为成形温度300 ℃,下陷区长度21 mm,过渡圆角半径49 mm。

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    • >新材料新工艺
    • MoSi2-YSZ高发射涂层对硅橡胶基防热材料的隔热及抗热振性能影响

      2023, 53(1):50-55. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.007

      摘要 (1001) HTML (430) PDF 1.94 M (1270) 评论 (0) 收藏

      摘要:制备了MoSi2-YSZ复合硅橡胶基辐射型热防护涂层,并对其耐烧蚀性能和抗热振性能进行了表征。结果表明:与传统烧蚀型涂层相比,辐射型涂层在0.3~2.5 μm波段发射率达到0.93以上,且静态热流测试背板温升降低60%,热振测试背板温升降低30%。辐射型涂层在热振测试中由于辐射散热机制表现出对温度响应的迟滞性,使得背板温度变化率的峰值降低40%。MoSi2氧化形成的致密氧化层具有良好的保护性和自愈合性,从而提高了涂层的耐烧蚀和抗热振性能。

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    • 一种三臂聚醚胺固化环氧树脂的反应动力学

      2023, 53(1):56-63. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.008

      摘要 (503) HTML (447) PDF 1.84 M (1237) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了探究新型韧性固化剂的工艺使用方法,采用非等温差示扫描量热(DSC)法研究了三臂聚醚胺(TAPE)固化剂与4,4’—二氨基二苯甲烷环氧树脂(AG-80)和4—(二缩水甘油基氨基)苯基缩水甘油醚(AFG-90)的固化反应动力学,以Málek法和等转化率法对体系的动力学模型和固化反应机理进行了判定,并对两种体系的力学性能进行了探究。结果表明:两种环氧体系的固化起始放热温度50 ℃左右,具有良好的反应活性;体系的固化反应过程符合Sestak-Berggren动态[SB(mn)]模型;两种体系的断裂伸长率大于3.74%,具有良好的反应活性和韧性。

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    • 2219铝合金厚板TIG焊接头组织与力学性能研究

      2023, 53(1):64-68. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.009

      摘要 (690) HTML (605) PDF 1.26 M (1176) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用氦弧打底+氩弧填充、盖面的焊接工艺对2219-T87铝合金15 mm厚板进行TIG焊接试验,研究其焊缝成形和组织力学性能。结果表明,此工艺焊缝成形美观,无可见焊接缺陷,气孔抑制效果好,接头平均抗拉强度为278.22 MPa,平均断后延伸率为3.89%,接头平均强度系数达到58.94%。接头硬度整体表现为焊缝中心最低,从焊缝中心到母材呈现先增大后局部降低再增大的趋势;且焊缝中心填充层硬度高于打底层和盖面层。熔合区的微观组织为柱状树枝晶和胞状树枝晶,且垂直于熔合线生长,在靠近熔合区两侧出现了等轴细晶带。焊接接头断面有较多撕裂棱和韧窝,局部发现第二相粒子和微孔,其断裂机制为典型的韧性断裂。

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    • 2195铝锂合金钨极氩弧焊接工艺研究

      2023, 53(1):69-74. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.010

      摘要 (586) HTML (518) PDF 790.00 K (1163) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对2195铝锂合金在焊接时裂纹敏感性高、气孔敏感性高、易氧化等问题,开展氩弧焊接工艺研究,对焊接头的抗裂性、力学性能及显微组织进行了分析。研究表明,提高焊缝金属中的Cu含量,可以有效降低2195铝锂合金熔焊接头的裂纹敏感性,裂纹率K1=0%,K2=0%。2195铝锂合金单面双层焊接接头力学性能最佳,抗拉强度超过376 MPa,延伸率达到5.5%。提高焊接试板的清理深度可以解决焊接气孔敏感性高的问题,增加氩气拖后保护及背保护措施可以有效防止焊接氧化问题。熔焊工艺研究可为2195铝锂合金的工程应用提供技术支撑。

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    • 连续型和非连续型蜂窝芯材的共振吸声结构性能研究

      2023, 53(1):75-79. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.011

      摘要 (526) HTML (250) PDF 958.34 K (1168) 评论 (0) 收藏

      摘要:以芳纶纸蜂窝、内嵌树脂隔板和微穿孔面板为原料,制备了连续和非连续双自由度共振吸声结构,对两种共振吸声结构的力学性能和吸声系数进行对比研究。结果表明:连续蜂窝芯材所制备共振吸声结构的压缩和拉伸性能高于非连续型共振吸声结构,其中非稳定型压缩强度和拉伸强度高19%,稳定型压缩强度高32%,稳定型压缩模量高43%,剪切性能基本相当;两层蜂窝芯材容易出现孔格错位(非连续型共振吸声结构),引起错位区域的微孔堵塞,使该结构的共振吸收峰与理论值出现较大差异。

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    • 基于形状记忆聚合物复合材料的双向形状记忆行为

      2023, 53(1):80-84. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.012

      摘要 (850) HTML (499) PDF 771.14 K (1195) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了解决当前大多形状记忆聚合物仅能实现单向形状记忆效应的难题,将TDE-86环氧树脂改性的氢化双酚A型形状记忆环氧树脂和以聚丁二烯为软段的聚氨酯弹性体相结合,制备了一种具备层合结构的形状记忆聚合物复合材料。该复合材料通过形状记忆环氧树脂产生的回复力与预拉伸聚氨酯弹性体产生的收缩力之间的平衡从而实现无应力下的双向形状记忆行为,即在90~ 110 ℃温度范围内,加热弯曲而冷却反向弯曲。结果表明:聚氨酯弹性体预拉伸量越大,材料在整个温度范围内的弯曲程度也越大;当回复温度在形状记忆环氧树脂玻璃化温度及以上时,材料回复程度较大;增加聚氨酯弹性体厚度会增大材料初始的弯曲程度,但会减小材料在双向形状记忆过程中的变形和回复程度。

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    • >测试分析
    • 三种高强铝合金高温组织实时观察研究

      2023, 53(1):85-93. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.013

      摘要 (429) HTML (756) PDF 1.81 M (1159) 评论 (0) 收藏

      摘要:2219、2A14、2195铝合金是航天领域常用的三种结构材料,特别是2195合金,因其密度低、比强度和比刚度高等优势在航天的应用越来越广泛。本文基于高温金相实时观测系统,在50 K/min加热速率下对强化态(固溶+时效)下的三种铝合金常温(约25 ℃)至软化温度(约600~660 ℃)下微观组织及相组成的变化过程进行了实时观察。结果表明:强化态下的三种铝合金均在高于其固相线的温度下发生了熔化,高温金相视场中的初始熔化位置位于圆形相(含有Al、Cu元素)附近,而块状相(含有Al、Cu、Fe等元素)则最后发生熔化。重新凝固后材料显微硬度降低50%左右,表明基体中的增强相减少;先析α相中Cu含量降低,大部分Cu元素均富集于晶界上形成接近共晶成分的网状富Cu相;未溶块状相熔点较高,重新凝固后被推移到晶界。对三种铝合金分析对比结果表明,2195合金固液温度区间最小,高温下形成的网状富Cu液膜最容易被拉开,因此该材料热裂纹敏感性最大。

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    • 高温钛合金高密度夹杂原因分析及预防措施

      2023, 53(1):94-97. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.014

      摘要 (208) HTML (206) PDF 967.80 K (1245) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用X射线透射成像仪、光学显微镜和能谱分析等手段对热处理后高温钛合金锻件中的缺陷进行研究,显微组织照片显示,热处理后高温钛合金正常组织为初生α相含量约15%的双态组织,过渡区域组织为粗大的魏氏组织,β相含量高,晶界和晶内析出针状α,与正常组织差异大。夹杂位置存在与基体有明显区别的不熔块。能谱分析显示,不熔块为以Ta元素为主的高密度夹杂。高密度夹杂形成主要原因:配料时高熔点元素以纯金属粉末的形式配入,并以人工手动布料的方式加入电极块,压制电极块时纯金属粉末由于布料不均匀发生团聚,使高熔点金属粉“粒度”增大,化料时直流电弧来不及将 “大粒度”的金属粉全部熔化,团聚的金属粉就掉入熔池,随后进入凝固的铸锭中成为高密度夹杂。可以通过改变布料方式或选用含难熔金属组元的中间合金来进行改善。采用混料方式添加难熔金属元素后,锻件中未发现高密度夹杂。

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    • >工程实践
    • 装配间隙对顶盖环缝搅拌摩擦焊焊接质量的影响

      2023, 53(1):98-102. DOI: 10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.015

      摘要 (245) HTML (461) PDF 1.23 M (1125) 评论 (0) 收藏

      摘要:结合超声波相控阵、金相观察、力学试验分析技术,研究了由于铣切角度不同产生的装配间隙对顶盖环缝搅拌摩擦焊焊缝质量及力学性能的影响。结果显示当铣切角差异带来的装配间隙大于1.30 mm时,焊缝中存在孔洞型体积缺陷,装配间隙越大,缺陷越严重;装配间隙的存在会使得焊缝的致密程度降低,焊缝的延伸率下降,并且在装配间隙大于1.30 mm时,焊缝的抗拉强度会发生大幅度地下降。

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