复合材料手册第5卷：陶瓷基复合材料

本书是《复合材料手册》（简称CMH-17）的第５卷，主要介绍了陶瓷基复合材料体系、组分及其制备工艺，给出了陶瓷基复合材料的设计指南、测试方法、数据处理方法以及提交CMH-17协调委员会的数据格式，收录了经CMH-17协调委员会认证的部分材料性能数据。 本书可供航空、材料领域及其他相关行业的工程技术人员、研发人员、管理人员以及高等院校师生参考使用。。

焦健，研究员，1999年本科毕业于中国科学技术大学化学物理系，2003年硕士毕业于中科院大连化学物理研究所，2006年德国斯图加特大学获化学博士学位，2006-2009年在美国能源部橡树岭国家实验室进行博后研究。现任中国航发北京航空材料研究院表面工程研究所副所长兼陶瓷基复合材料中心主任，主要从事航空发动机用陶瓷基复合材料的研究。 陈秀华，高级工程师，现在上海交通大学航空航天学院任教，其主要研究方向为复合材料的设计、分析与试验验证技术；高温、超高温材料的分析与试验验证技术；飞机、航空发动机结构强度计算，设计优化理论；CAE仿真软件的开发。

第1章 总论 3

1.1 手册介绍 3

1.2 手册内容概述 4

1.3 第5卷内容及工作组简介 5

1.3.1 第5卷内容简介 5

1.3.2 陶瓷基复合材料工作组的目标 5

1.4 目的 7

1.5 范围 8

1.5.1 第1部分:指南 9

1.5.2 第2部分:设计和保障 9

1.5.3 第3部分:测试 9

1.5.4 第4部分:数据要求和数据集 9

1.6 文件的使用和限制 10

1.6.1 信息来源 10

1.6.2 数据的使用和应用指导 10

1.6.3 强度性能和许用值的术语 11

1.6.4 参考文献的使用 11

1.6.5 商标和产品名的使用 11

1.6.6 毒性?对健康的危害和安全性 11

1.6.7 消耗臭氧的化学物质 11

1.7 批准程序 12

1.8 符号?缩写以及单位制 12

1.8.1 符号和缩写 13

1.8.2 单位制 31

1.9 定义 33

参考文献 55

第2章 背景和概述 56

2.1 背景 56

2.2 CMC结构基础 57

2.3 手册目标 60

参考文献 61

第3章 工艺?表征和制造 66

3.1 CMC体系?工艺?性能和应用 66

3.1.1 CMC在航空发动机热端及排气部件上的应用 66

3.1.2 CMC体系?制备工艺及性能 68

3.1.3 SiC/SiC CMC体系 69

3.1.4 氧化物/氧化物CMC体系 83

3.2 纤维增强材料的类型和技术 89

3.2.1 引言 89

3.2.2 氧化物基陶瓷纤维 89

3.2.3 硅基陶瓷纤维 97

3.3 界面相/界面技术和方法 108

3.3.1 引言 108

3.3.2 界面相组成 113

3.3.3 总结 118

3.4 纤维架构的制造和成型 119

3.4.1 引言 119

3.4.2 纤维制造商 119

3.4.3 纤维铺设技术与设备 119

3.4.4 纤维编织 121

3.4.5 纤维结构选择 124

3.4.6 计算机建模与仿真 139

3.4.7 织物机织和编织厂商 140

3.5 外部防护涂层 141

3.5.1 非氧化物CMC的外部防护涂层 141

3.5.2 氧化物CMC的外部防护涂层 177

3.6 表征方法 195

3.6.1 引言 195

3.6.2 样品制备 195

3.6.3 光学显微镜 195

3.6.4 扫描电子显微镜 197

3.6.5 微观结构表征 198

3.6.6 三维微观结构评价 202

3.6.7 应用微焦X射线计算机断层成像的微观结构表征 203

3.7 无损评定方法(缺陷表征) 204

3.7.1 需求和要求 206

3.7.2 无损检测方法 207

3.7.3 材料状态和缺陷 226

3.7.4 转换/实施问题 230

3.7.5 检测验证 234

3.8 加工 236

3.8.1 引言 236

3.8.2 常规加工 237

3.8.3 超声加工 240

3.8.4 水射流加工 242

3.8.5 磨削加工 247

3.8.6 激光加工 248

3.8.7 电火花加工 249

参考文献 250

第4章 材料和生产过程的质量控制 272

4.1 引言 272

4.2 材料采购的质量保证程序 272

4.2.1 规范和文件 272

4.2.2 供应商层面控制 273

4.2.3 用户层面控制 274

4.3 部件制造验证 276

4.3.1 过程验证 276

4.3.2 无损检测 278

4.3.3 破坏性试验 279

4.4 材料和工艺的变更管理 281

4.4.1 引言 281

4.4.2 新材料或新工艺的验证 281

4.4.3 差异与风险 283

4.4.4 生产成熟度 287

第5章 应用?工程案例及经验 290

5.1 1974—1995年联合技术公司CerCompTM  CMC的研发及测试历程 290

5.1.1 概述 290

5.1.2 引言 290

5.1.3 制备过程 291

5.1.4 模拟环境及地面装机考核 291

5.1.5 结论 295

5.2 SiC/SiC CMC燃烧室衬套研发及地面装机考核 295

5.2.1 概述 295

5.2.2 项目团队?研发策略及研发进度 296

5.2.3 CMC衬套设计 298

5.2.4 陶瓷基复合材料模拟环境考核 299

5.2.5 CMC地面装机考核 300

5.3 氧化物/氧化物CMC燃烧室衬套研发及地面装机考核 309

5.3.1 概述 309

5.3.2 项目团队?研发策略和研发进度 310

5.3.3 混杂氧化物CMC衬套的设计与制造 312

5.3.4 混杂氧化物CMC衬套模拟环境考核 313

5.3.5 混杂氧化物CMC衬套发动机模拟环境考核 315

5.3.6 考核后检测 318

参考文献 322

第6章 设计与分析 327

6.1 引言 327

6.2 应用和设计需求的定义 327

6.2.1 重要程度分类及范例 327

6.2.2 确立设计的需求(载荷?环境?寿命周期?持续时间等) 327

6.2.3 验证方案(验证及校验矩阵) 327

6.3 设计与分析的考虑因素?选择和方法 327

6.3.1 纤维类型 327

6.3.2 纤维形态与预制体 328

6.3.3 涂层及界面相 329

6.3.4 基体类型 329

6.3.5 考虑因素的选择 330

6.3.6 制造工艺的选择 330

6.3.7 输入属性的定义 330

6.4 材料与部件的模拟分析验证 330

6.4.1 全局有限元分析及局部微观模型 330

6.4.2 静力学?屈曲及振动分析 330

6.4.3 寿命预测或寿命终止属性的应用 330

6.4.4 环境因素对结构性能及寿命的影响 330

6.4.5 失效模式及影响分析 331

6.4.6 耐久性及损伤容限 331

6.4.7 热-力耦合模型 331

6.4.8 氧化-力耦合模型 331

6.4.9 线性及非线性失效分析 331

6.4.10 确定性及随机性分析方法 332

6.5 试验验证 332

6.5.1 材料性能测试及许用值(试样/元件试验) 332

6.5.2 典型设计特征(典型件试验) 332

6.5.3 关键结构(零件试验) 332

6.5.4 全尺寸结构验证(部件试验) 332

参考文献 332

第7章 维修与保障 333

7.1 检查能力 333

7.2 损伤及损伤容限 333

7.3 维修 333

7.4 寿命限制及标识牌 333

7.5 认证证明包 333

第8章 热-力-物理试验方法———总览 337

8.1 引言 337

8.1.1 积木式方法 337

8.1.2 试验级别和数据的使用 338

8.2 试验计划的编制 340

8.2.1 概述 340

8.2.2 基于统计性能的基准方法和替代方法 340

8.2.3 数据等同问题 340

8.2.4 试验方法选择 340

8.2.5 母体样本和规模 341

8.2.6 材料和工艺的差异 341

8.2.7 材料使用极限 341

8.2.8 非大气环境试验 341

8.2.9 数据归一化 341

8.2.10 数据文件 341

8.2.11 应用情况所特有的试验要求 341

8.3 推荐的试验矩阵 341

8.3.1 材料筛选 341

8.3.2 材料验证 342

8.3.3 材料验收试验矩阵 343

8.3.4 替代材料等同性实验矩阵 343

8.3.5 一般材料/结构元件试验矩阵 343

8.3.6 基准值的替代方法 343

8.3.7 作为CMH -17基准值的数据证实 343

8.4 数据处理和文件要求 343

8.4.1 引言 343

8.4.2 由复合材料得出的单层性能 343

8.4.3 数据归一化 343

8.4.4 数据文件的要求 346

第9章 提交CMH-17数据用的材料性能试验和表征 347

9.1 引言 347

9.2 材料和工艺规范要求 347

9.3 数据取样的要求 347

9.4 试验方法的要求 347

9.4.1 热性能 347

9.4.2 力学性能 353

9.4.3 物理性能 370

9.4.4 化学性能 374

9.4.5 电学性能 374

9.4.6 环境试验 374

第10章 增强体评估 376

10.1 引言 376

10.2 力学性能 376

10.2.1 弹性(泊松比?模量) 376

10.2.2 强度 376

10.2.3 蠕变/蠕变断裂 376

10.2.4 疲劳 376

10.3 热性能 376

10.3.1 热膨胀系数 376

10.3.2 热导率 376

10.3.3 环境(腐蚀?侵蚀?磨损等) 376

10.3.4 氧化 376

第11章 基体材料评估 377

11.1 引言 377

11.2 力学性能 377

11.2.1 弹性(泊松比?模量) 377

11.2.2 强度 377

11.2.3 蠕变/蠕变断裂 377

11.2.4 疲劳 377

11.3 热性能 377

11.3.1 热膨胀系数 377

11.3.2 热导率 377

11.3.3 环境(腐蚀?侵蚀?磨损等) 377

11.3.4 氧化 377

11.3.5 其他物理性能(粉末或预制体性能) 377

第12章 界面材料评估 378

第13章 复合材料评估 379

13.1 密度 379

13.1.1 适用性 379

13.1.2 测试方法 380

13.1.3 密度测试的注意事项 381

13.1.4 分析方法 383

13.1.5 数据报告 383

13.2 纤维体积分数 383

13.3 CTE 383

13.4 扩散性 383

13.5 比热容 383

13.6 拉伸 383

13.6.1 适用范围 383

13.6.2 测试方法 383

13.6.3 平面内拉伸测试的注意事项 384

13.6.4 样品制备 385

13.6.5 环境 385

13.6.6 测试次数 386

13.7 压缩 386

13.8 弯曲 386

13.9 剪切 386

13.9.1 适用范围 386

13.9.2 测试方法 386

13.9.3 剪切测试注意事项 387

13.9.4 样品制备 390

13.9.5 环境 390

13.9.6 测试次数 391

13.10 层间拉伸 391

13.11 缺口 391

13.11.1 缺口测试方法 391

13.11.2 缺口测试的注意事项 391

13.12 层间断裂韧性 392

13.13 裂缝扩展 392

13.14 蠕变 392

13.15 疲劳 392

13.16 TMF - 热机械疲劳 392

13.17 磨损 392

13.18 轴承 392

13.19 双向测试 393

参考文献 393

第14章 组合件试验——问题综述 394

14.1 引言 394

14.2 连接试验 394

14.2.1 定义 394

14.2.2 失效模式 394

14.2.3 热效应 394

14.2.4 连接构型 394

14.2.5 设计要求 394

14.2.6 材料挤压强度 394

14.2.7 开孔拉伸/压缩强度 394

14.2.8 热-机械疲劳强度 394

14.2.9 蠕变和应力断裂 394

14.2.10 紧固件验证试验 395

14.3 管 395

第15章 机械加工和研磨 396

15.1 引言 396

15.2 机械加工考虑事项 396

15.3 模具要求 396

15.4 试验件制备 396

第16章 数据的提交?格式和要求 399

16.1 引言 399

16.2 数据提交要求 400

16.2.1 材料和工艺规范要求 401

16.2.2 采样要求 401

16.2.3 测试方法要求 401

16.2.4 数据文件要求 402

16.3 格式和单位 406

16.4 设计特性 407

第17章 统计方法 408

17.1 引言 408

17.2 背景 408

17.2.1 基于统计的设计许用值 408

17.2.2 非结构化数据的基准值 408

17.2.3 批次间存在差异时的基准值(结构化数据) 409

17.2.4 计算软件 409

17.3 基于统计的材料特性的计算 409

17.3.1 多批次/环境数据的计算过程指南 409

17.3.2 使用单点法的计算过程指南 412

17.3.3 材料性能的长时间变化 414

17.4 材料等效性和材料验收的统计方法 414

17.4.1 确定同一材料的现有数据库和新数据集之间是否等效的测

试 414

17.4.2 过程控制的统计步骤 418

参考文献 422

第18章 CMC性能数据 423

18.1 引言 423

18.1.1 手册中数据的结构 423

18.1.2 数据的表述 423

18.2 CMC体系-性能数据 432

18.3 CMC体系-已有数据 432

18.3.1  9/99 EPM SiC/SiC 432

18.3.2  增强SiC/SiC  438

18.3.3  C/SiC        448

18.3.4  Hi-Nicalon/SiC(MI) 458

18.3.5  AS- N720 -1    464

18.3.6  Sylramic S-200  474

附录A  LCF和破坏载荷中剩余强度减缩公式推导  483

索引 487