Abstract:

液体推进剂环境下密封橡胶的老化与失效是影响运载火箭推进系统可靠性的关键因素。为评估其长期贮存性能，加速老化试验成为研究材料退化规律与寿命预测的重要手段。本文针对典型密封橡胶在推进剂介质中的加速老化研究进展进行综述，总结老化机理、性能演变规律及现有寿命评估方法，并对该领域未来研究方向进行展望，以期为耐介质橡胶的材料优化与工程应用提供参考。

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以主被动复合为代表的组合冷却形式是一种高效的燃烧室冷却手段，但是这种冷却方式存在较多的影响因素和复杂的内部相互作用。本文旨在探究复合材料与气膜冷却的主被动复合热防护形式下，复合材料火焰筒对气膜冷却效果产生的影响，构建复合材料平板气膜冷却物理模型与数值方法，通过改变气膜冷却进气角度与纤维增韧复合材料的纤维角度开展仿真工作。结果表明：随着x的增大，对应大纤维角度的综合冷却效率降幅较大，而小纤维角度的冷却效果降幅相对较小；在气膜孔下游一定区域内，对应大纤维角度的综合冷却效率急剧降低，而小纤维角度的冷却效果降幅相对较小；进气角度越小，纤维走向对气膜孔下游冷却效果的影响越小，对气膜孔上游冷却效果差异较下游明显，且纤维角度的影响远小于进气角度的影响。

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全聚焦成像是当下阵列超声成像算法的研究热点之一，但因其成像机理，原始信号的噪声和过程扰动会影响其最终的成像质量。对此，本文将医学超声成像领域已成熟应用的基于相干系数的自适应加权方法与工业超声领域的全聚焦成像算法相结合，得到TFM-CF（全聚焦-相干系数）算法，并利用相控阵标准试块开展检测成像验证试验，采用量化指标评价TFM-CF与原TFM算法。结果表明：TFM-CF处理下的分辨力和对比度均优于原算法，对于不等深横孔，分辨力指标FWHM平均提升了20 μm，对比度CR平均提高了2.71 dB，在不等距横孔试验中，分辨力指标FWHM平均提升41 μm，对比度平均提高5.26 dB，证明了基于相干系数的自适应加权方法可有效提升全聚焦成像质量。

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针对电子产品在高过载环境下耐受力低的问题，研究并制备了性能优良的环氧灌封胶。采用ANSYS19.2软件对产品组件进行20 000 g冲击条件下的模拟仿真，计算不同加固方式下BGA焊球的等效应力分布。结果表明，同时采用底部填充胶与灌封胶的组件，其焊球受到的等效应力最小。通过可靠性试验与分析对仿真结果进行验证，试验结果表明，同时采用底部填充和灌封加固的方法能有效提高电子产品在20 000 g高过载环境下的可靠性。

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通过与涡轮叶片相同状态DD6［001］单晶合金试样的疲劳试验，得到足够数量的试验数据，以4个应力疲劳寿命试验子样和10⁷寿命的疲劳强度试验子样进行数据变化规划。运用安全子样筛选法优化处理各数据子样，利用Origin绘制疲劳应力-寿命数据最佳拟合图线，获得存活概率为0.13%、50%和99.87%的疲劳P-S-N曲线。按照随机疲劳极限模型建立DD6［001］合金3种存活概率的疲劳强度（应力）与寿命关系方程。相关结论可作为航空发动机用DD6［001］单晶合金叶片耐久容限概率设计建模和试验的可靠性输入疲劳性能数据，可用于预测和推论零件的使用疲劳寿命或强度和DD6［001］合金制造零件的疲劳性能验收、评估数据的量化指标。

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连接件在工程结构中扮演着至关重要的角色，而腐蚀、疲劳、冲击等因素常常同时存在于连接件服役过程中，须研究这些因素共同作用下连接件的力学性能。本文以金属-复合材料螺栓连接件为研究对象，通过试验和仿真方法，研究其在腐蚀-疲劳-冲击共同作用下的拉伸性能。研究结果表明，仿真结果与试验结果吻合良好，证明了仿真模型在模拟腐蚀-疲劳-冲击作用下螺栓连接件力学行为方面的有效性和准确性；腐蚀、疲劳和冲击的共同作用下对连接件拉伸强度的削弱效应显著，盐雾腐蚀时间越长，螺栓连接件的载荷-位移曲线峰值越低。

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采用复合材料贴补修复圆形穿透损伤的2A12铝合金板材，对比了完好、圆形穿透损伤、单面修复、双面修复4种修复形式试验件的拉伸强度，并基于复合材料贴补的单面修复工艺，研究了3种不同孔径的圆形穿透损伤胶接修复试验件的拉伸强度；同时，考虑到受损铝合金本征弹性强度和胶接强度对修复件强度恢复率的影响，提出了损伤比例和应有胶接面积S_胶之间的关系公式。研究结果表明，复合材料单面贴补和双面贴补的修复效果均满足修理后结构强度的验收标准，其强度恢复率分别达到99.68%和109.43%；3种损伤孔径胶接修复件的拉伸强度随孔径变化较小；断裂均发生在金属母材通孔所在的横截面，复合材料补片形状完整，破坏模式主要为母板拉伸破坏和胶层剪切破坏。

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针对卫星发动机支架对结构刚度与轻量化的应用需求，研究3D打印技术在该部件制造中的适用性与可靠性。以3D打印卫星发动机支架法兰盘和上接头为研究对象，通过随炉试件力学性能测试、X射线与荧光检测评估零件宏观力学性能及内部质量；开展胶黏剂拉伸剪切强度测试、管剪试验以及高温静力加载试验，考核胶接质量与结构稳定性。验证结果表明：随炉试件力学性能满足设计要求（屈服强度≥180 MPa，弹性模量为65~85 GPa，断裂伸长率≥7.0%）；零件内部质量与表面质量合格；胶接接头拉伸剪切强度≥16 MPa，室温和高温管剪破坏载荷均显著高于鉴定级载荷；3D打印接头支架与发动机组合体的振动试验各项数据均优于旧编织接头支架。3D打印技术制造的卫星发动机支架在力学性能、胶接质量及结构稳定性方面均满足应用要求，具备良好的工程可靠性。

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功率VDMOS在航天领域各类二次电源系统中已得到广泛应用，但其在键合过程中会出现芯片端机械损伤的问题。以功率VDMOS器件为研究对象，发现键合失效是由于键合过程焊盘受到不同程度的机械作用而产生的损伤。影响机械损伤的主要因素包括芯片结构、键合材料、键合参数。结果表明：按键合损伤程度由轻到重划分，可分为多晶硅损伤、裂纹、弹坑。焊盘表面的Al层对键合机械作用起缓冲作用，其厚度由4 μm增加至6 μm可有效降低损伤程度。显微组织分析与仿真结果显示键合损伤出现在键合点两端，调整下移量与振幅可改变键合界面应力分布。降低键合压力和超声功率，可避免应力集中导致的键合损伤。

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为解决某航天产品中CCGA封装FPGA芯片A3管脚的连接失效问题，构建“多维度检测+多学科耦合分析”体系，结合X光检测、SEM分析及力学、热学仿真展开研究。结果显示，失效并非芯片焊柱本体缺陷或焊接工艺批次性问题所致，而是焊料与阻焊层、铜带与焊料形成的双薄弱环节，在力学载荷与温度循环作用下萌生裂纹，且焊点内近距离分布的大空洞进一步加速裂纹扩展的偶发缺陷导致的结果。基于失效机理，提出及时更换备用板的解决方案，后续拟通过惰性气体/真空焊接降低气泡率、优化PCB设计强化力学支撑，为航天级CCGA封装器件的高可靠应用提供技术参考与可落地的工艺改进路径。

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采用玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）筋替代传统钢筋，发展BFRP筋增强海水海砂混凝土结构，为同时解决河砂资源匮乏及海洋混凝土结构中钢筋易锈蚀等问题提供了新方案。然而，BFRP筋在高碱性环境中仍可能发生纤维-树脂界面粘结劣化与树脂基体水解，进而导致其力学性能退化。本文基于机电阻抗（EMI）技术，研制了一种压电片-BFRP筋劣化监测传感器，并结合加速腐蚀试验，测定并分析了BFRP筋层间剪切强度的退化过程以及传感器监测信号的变化规律。结果表明，在高温强碱性环境下，随腐蚀龄期延长，BFRP筋的层间剪切强度呈现先小幅上升后持续下降的趋势；而传感器电导响应的特征峰值频率及各统计类损伤指标则表现出单调递增或递减的规律性变化。通过建立传感器特征指标与BFRP筋力学性能指标之间的回归方程，实现了对BFRP筋劣化程度的定量预测。

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针对螺栓连接结构在横向振动下易发生松动的问题，通过横向振动试验获取不同位移幅值下螺栓轴向力衰减曲线，研究了位移幅值对30CrMnSiA螺栓连接结构松动行为的影响。利用光学显微镜、扫描电子显微镜和白光干涉仪分析了接触螺纹表面的损伤形貌，并借助能谱仪对损伤区化学成分进行了分析。结果表明：随位移幅值增加，螺栓连接结构的松动程度显著增大，松动程度由2.7%（A_f=0.10 mm）增至13.8%（A_f=0.35 mm），接触螺纹表面损伤加剧；当位移幅值超过0.25 mm时，松动过程出现轴向力二次快速下降阶段；螺纹表面磨损机制由小位移幅值下的磨粒磨损和黏着磨损为主，逐渐转变为大位移幅值下的疲劳磨损为主，螺栓连接结构的松动行为由位移幅值调控的界面磨损机制决定。

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中地球轨道航天器长期工作于地球辐射带的质子辐照环境，开发兼具高电子阻止本领与低位移损伤的抗辐照玻璃盖片是降低空间辐照环境对太阳电池影响的关键。本文基于SRIM程序模拟了10 MeV质子辐照下铅掺杂硼硅酸盐玻璃（0~10% Pb）的能量沉积与损伤演化规律。研究结果发现：铅掺杂显著提升电子阻止本领，总电离能损占比超过99%，且随铅浓度线性增加，质子平均射程从743.5 μm（未掺杂）扩展至866.6 μm（10%铅掺杂），射程分散度增加32.3%；然而，铅掺杂亦加剧深层位移损伤，空位密度峰值向射程末端迁移，总空位数随铅浓度呈非线性增长，增速趋缓源于玻璃网络松散化导致的核阻止截面降低及原子结合能减弱。研究表明，铅掺杂通过增强电子相互作用抑制浅层损伤，但深层位移缺陷的累积需通过优化掺杂浓度与玻璃结构致密性平衡。

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本文研究了Q235碳钢在海南滨海大气环境中的腐蚀行为。通过为期4 a的大气暴露试验，分析了Q235碳钢的腐蚀动力学规律、腐蚀形貌以及腐蚀产物。试验结果显示，Q235碳钢在海南滨海大气环境下的腐蚀速率随时间推移呈上升趋势，锈层对基体没有明显的保护作用。腐蚀产物主要为γ-FeOOH，长时间暴露后还会出现β-FeOOH和少量Fe₃O₄。本研究对于理解Q235碳钢在海南滨海大气环境中的腐蚀机理及预测其腐蚀寿命具有重要意义。

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K424合金是一种高Al、Ti，低密度型的镍基铸造高温合金，采用该材料制备的涡轮叶片在超温工况下使用后发生开裂。为了研究K424合金叶片在超温工况下的失效机理，通过体视显微镜、光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、硬度测试仪等手段对叶片形貌、成分及组织进行了分析。结果显示：叶片裂纹呈沿枝晶特征，断面氧化层厚度超过1 μm，断裂模式为蠕变疲劳+高温氧化，其断裂机理为在超温工况下，立方状γ''相（尺寸约为0.4 μm）转变为二次球状γ''相（尺寸约为0.08 μm），抗蠕变性能下降，因此在枝晶晶界、岛状γ/γ''共晶与基体界面以及块状碳化物与基体界面等应力集中、变形不协调、强度薄弱部位出现蠕变疲劳裂纹。裂纹萌生后受富氧燃气影响，断面上的Al、Cr、Ti元素发生择优高温氧化，体积增大，进一步加剧了裂纹扩展。

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某批次1Cr17Ni2螺栓在电机装配后放置期间发生断裂。通过宏/微观形貌分析、能谱分析等手段，确认其失效模式为脆性断裂，失效机理为氢脆。为探究失效原因并评估同规格其他批次螺栓的使用安全性，采用显微硬度、金相分析、氢含量测试对失效批次及其他两批次螺栓进行了比对试验，采用逐级加载法复现了螺栓失效模式。结果表明：失效批次螺栓内部氢含量显著高于其他批次，且其马氏体组织分布不均、晶粒粗大，导致局部氢富集，在装配应力作用下引发氢脆延迟断裂。在实验室环境下通过逐级加载法成功复现了失效批次失效现象，并评定其他两批次螺栓未呈现氢脆敏感性，可安全使用。逐级加载法可有效复现氢脆失效，可用于螺栓产品使用前的氢脆敏感性快速评定。

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针对双相高强钢FB590在各类结构部件与安全部件中的应用需求，本文研究了其冲压预弯曲变形及退火热处理后试样的疲劳断口形貌与失效机理。研究结果表明，FB590试样疲劳断口由疲劳源区、裂纹扩展区和疲劳瞬断区组成，呈典型疲劳断裂特征。原始板材试样的裂纹多源于表面缺陷或内部夹杂物引起的局部应力集中，瞬断区韧窝尺寸较大，显示出良好的延展性。预弯曲变形后，R20试样（r=20 mm）表现出多源疲劳断裂，裂纹起始于内表面加工缺陷，高应力状态下疲劳条纹呈沟脊状，低应力状态下呈解理状，韧窝数量和尺寸减小，延性下降；R10试样（r=10 mm）疲劳裂纹源于夹杂物，瞬断区呈混合断裂，韧窝数量更少。经退火处理后，R20an试样仍呈多源断裂，起始于表面缺陷或夹杂物，高应力状态下为穿晶断裂，低应力状态下为沿晶断裂，瞬断区由少量韧窝和大量孔洞组成；R10an试样表现为单源断裂，裂纹扩展区可见晶界塑性滑移痕迹，疲劳断裂方式主要为穿晶断裂，瞬断区韧窝数量较少。综合分析表明，预弯曲变形显著降低了FB590的疲劳性能，退火处理虽可一定程度改善疲劳性能，但对弯曲变形引起的延性损伤恢复作用有限。

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某金属隔膜贮箱在挤出效率试验过程中发生隔膜泄漏失效，对漏点部位进行了宏观及微观形貌观察、能谱分析和金相分析，并对金属隔膜在挤出效率试验翻转过程的应力应变情况进行了仿真分析。结果表明：由于隔膜泄漏部位本体内部存在气孔缺陷，气孔直径（约0.45 mm）几乎穿透壁厚（约0.45 mm），造成该区域的承载能力较弱。在挤出效率末期以前隔膜翻转产生的厚度减薄量小于0.01 mm，此时气孔缺陷未泄漏，在挤出效率试验末期隔膜与贮箱液腔内壁即将贴合，隔膜所受压差增至1.7 MPa，此时气孔缺陷所在位置的应力达到300 MPa、应变达到0.2，超出缺陷暴露的极限，致使隔膜泄漏。

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通过宏观观察、金相分析、断口检测、能谱分析、热仿真测试等方法，对不锈钢微流量控制器中的真空电子束焊缝及扩散焊裂纹进行了深入研究。结果表明，焊接裂纹的主要原因是真空电子束焊缝对接面上存在由扩散焊产生的含磷低熔点共晶相。这些低熔点共晶相不仅增加了真空电子束焊缝熔池内的磷元素杂质，从而引发结晶热裂纹，而且在真空电子束焊热影响区内的低熔点共晶相也会熔化，导致扩散焊缝开裂。此外，真空电子束焊缝采用离焦量较大的修饰焊方法，使得焊缝宽度较大而熔深较浅，其柱状晶近乎平行于焊缝对接面生长，从而降低了焊缝抵抗凝固过程拉应力的能力，进一步增加了结晶热裂纹产生和扩展的风险。最终，在气密检测过程中，该零件以真空电子束焊缝和扩散焊连接处的结晶热裂纹为源向外扩展，导致泄漏。

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新一代运载火箭采用环保高效的液氧/煤油作为火箭推进剂，液氧的沸点低至零下183 ℃，对运载火箭箭体阀瓣的低温密封性提出了苛刻的要求。目前金属/非金属（聚三氟氯乙烯）低温阀瓣采用热压成型工艺制备，其非金属内部易产生黑色杂质缺陷，存在密封失效的风险。针对非金属内部存在黑色杂质的现象，分析非金属内部黑色杂质缺陷的形成原因，提出通过非金属粉末过筛工艺方法减少黑色杂质缺陷，提升阀瓣密封可靠性和安全性，同时通过力学试验测试和阀门装配试验对内部含黑点缺陷的密封件进行风险分析。以上研究结果表明：通过元素分析确认非金属内部黑色杂质是因高温高压条件下低分子量的聚三氟氯乙烯氧化变黑所致。此外，力学试验结果表明非金属内部黑点对其拉伸强度、模量、断裂伸长率以及冲击强度均没有影响，密封面±1.5 mm内存在黑点的低温阀瓣阀门装配试验也通过典试试验考核。

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金属软管因自身结构特点及复杂工况环境，易发生泄漏失效，严重影响其可靠性。本文基于多起典型失效案例，系统分析了金属软管的主要泄漏模式及机理。研究表明，疲劳泄漏是金属软管最常见的失效形式，其诱因包括钢丝网套编织疏松、波纹管制造缺陷、选型不当导致的附加振动或共振以及装配应力集中等，裂纹扩展特征表现为多源的疲劳扩展。腐蚀泄漏主要由应力腐蚀和局部点蚀引发，环境介质与残余应力协调作用导致脆性开裂或穿透性腐蚀孔。焊接缺陷泄漏集中于氩弧焊氧化膜夹杂与钎焊料漫流等工艺问题，形成微通道。机械损伤泄漏涉及制造过程戳伤或使用中干涉磨损导致的壁厚减薄，而微动磨损则因网套与波纹管长期接触引发渐进式损伤。

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对片式厚膜电阻器和电阻排失效分析案例进行了总结，失效模式主要表现为开路和电阻阻值变化，通过实际案例介绍了导致开路和阻值变化的8种原因。采用光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱分析仪等测试方法，从失效现象到具体分析过程对厚膜电阻器的分析方法进行分类整理。总结出在该类产品的失效分析过程中基本的分析顺序是由外至内。

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开展高强度铝合金在自冲铆接工艺中裂纹的形成与扩展的研究，建立自冲铆接工艺成形仿真模型，分析高强度铝合金自冲铆接头成形过程中裂纹的形成与扩展，并进行了自冲铆接工艺试验验证。研究发现：冲压速度对7075铝合金自冲铆接头的机械内锁结构和强度有明显影响；随着冲压速度的增加，接头处裂纹从裂缝转为裂口，接头的机械内锁尺寸和强度分别有所下降；冲压速度与板材的等效塑性应变率呈正相关，冲压速度越高，板材的等效塑性应变率越高，下板更易出现裂纹且接头的受损程度更大；针对低延展性铝合金材料进行自冲铆接，应减小冲压速度从而提高自冲铆接头的成形质量。

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碳纤维增强复合材料（CFRP）的非均质各向异性在二次加工过程中容易引发加工缺陷和材料损伤，从而导致材料性能偏差，影响设计标准。目前CFRP加工质量的表征及其对材料力学性能的影响研究尚不充分。本文采用多尺度表征方法，选取毛刺高度Δh、三维粗糙度Sa值、表面孔隙率P作为CFRP铣削质量的评价指标，探讨了铣削参数对上述评价指标的影响。通过V形剪切试样、开孔拉伸试样的力学性能测试，研究了各指标对力学性能的影响规律。结果表明，主轴转速与进给速度是影响毛刺高度与三维粗糙度的主要因素，而切削深度则对表面孔隙率影响显著，同时发现开孔拉伸强度对加工质量更敏感，强度退化率最高为14.3%；三维粗糙度、表面孔隙率对面内剪切强度的退化有显著影响，其强度退化率最高为10.21%。该研究可为航空器CFRP结构件加工质量与力学性能相关性研究提供基础。

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Fe-Mn-Al-C系高Al钢是一种机械性能优良的新型轻质奥氏体合金钢。本文通过冲击磨损试验对铸态（ZG-1-Z）和锻态（ZG-1-D）下的Fe-20Mn-6Al-1.5C-5Cr试验钢的耐磨性能进行了研究，并与Mn13钢进行了对比。试验结果表明，各试验钢在不同时间冲击磨损后的失重率不同，Mn13钢的失重率随冲击时间增加而线性增长，试验钢（ZG-1-Z、ZG-1-D）的失重率同样随着冲击时间的增加而增加，但在冲击时间为1 h、2 h时，冲击对失重率增长影响相对较小。Mn13钢的磨损形式主要表现为塑性变形，试验钢（ZG-1-Z、ZG-1-D）磨损面上呈现出大面积的切削犁沟形貌，且表面形成一层厚度约为5 μm的疲劳裂纹层。经纳米压痕测试，不同冲击时间对Mn13钢硬度值影响较小，对铸态（ZG-1-Z）试验钢硬度值影响较大，锻态（ZG-1-D）试验钢硬度变化平稳，存在明显硬化层且整体硬度值较高。