自愈合陶瓷基复合材料制备与应用基础

《自愈合陶瓷基复合材料制备与应用基础》是西北工业大学张立同院士团队的第二本陶瓷基复合材料专著，全书共六章。第1章主要介绍CFCC的本征结构与性能问题，SHCMC的发展、途径和应用。第2章主要介绍SHCMC的制备方法。第3章主要介绍SHCMC的制备过程机理。第4章主要介绍SHCMC的制备过程控制。第5章主要介绍SHCMC制备过程的理论计算。第6章主要介绍SHCMC的本证性能和环境性能表征。

张立同，西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室教授，中国工程院院士。航空航天材料专家，从事陶瓷及陶瓷基复合材料的教学与科研，提出陶瓷基复合材料新型强韧化理论，首创了低成本、高性能耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料的制造技术，为发展我国连续纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备技术做出重大贡献，2004年获国家技术发明一等奖。

第1章绪论1
1．1CFCC的本征结构与性能问题1
1．1．1强韧性与弱界面1
1．1．2非线性与基体开裂2
1．1．3基体开裂与环境损伤11
1．2提高基体开裂应力16
1．2．1模量匹配16
1．2．2热膨胀系数匹配17
1．2．3微结构控制19
1．3提高环境自适应性21
1．3．1多层涂层自愈合22
1．3．2多层基体自愈合23
1．3．3纤维表面自愈合25
1．3．4基体弥散自愈合27
1．4自愈合陶瓷基复合材料的应用28
1．5小结31
参考文献32
第2章自愈合陶瓷基复合材料的制备方法35
2．1引言35
2．2陶瓷基复合材料的制备方法36
2．2．1料浆浸渗-热压烧结法36
2．2．2直接氧化沉积法37
2．2．3化学气相浸渗法39
2．2．4先驱转化法49
2．2．5反应性熔体浸渗法52
2．2．6定向凝固法55
2．3自愈合陶瓷基复合材料的制备方法56
2．3．1多元多层基体/涂层自愈合材料的制备方法57
2．3．2纤维表面自愈合复合材料的制备方法58
2．3．3多元弥散基体自愈合复合材料的制备方法63
2．4小结65
参考文献66
第3章自愈合陶瓷基复合材料的制备过程机理68
3．1引言68
3．2反应过程机理在线分析技术70
3．2．1表面非均相沉积动力学在线检测技术71
3．2．2气相均相成分在线检测技术73
3．3CVD PyC的制备过程机理76
3．3．1CVD PyC过程气相成分的检测76
3．3．2CVD PyC过程沉积动力学的测定84
3．3．3CVD PyC过程机理及反应模型86
3．4CVD SiC的制备过程机理93
3．4．1气相产物定性分析93
3．4．2气相产物定量分析98
3．4．3气相均相化学反应模型100
3．4．4MTS在H2中的热解反应路径102
3．4．5CVD SiC表面非均相反应模型106
3．5CVD (Si)-B-C的制备过程机理112
3．5．1CVD (Si)-B-C体系气相成分检测113
3．5．2CVD (Si)-B-C体系反应模型119
3．6小结121
参考文献122
第4章自愈合陶瓷基复合材料的制备过程控制127
4．1引言127
4．2沉积温度影响127
4．2．1沉积温度对速度的影响128
4．2．2沉积温度对产物质量的影响134
4．3气体分压影响143
4．3．1气体分压对沉积速率的影响145
4．3．2反应气体分压对沉积产物质量的影响148
4．4总压的影响150
4．4．1总压对沉积速率的影响150
4．4．2总压对沉积产物质量的影响152
4．5其他影响因素156
4．6多元多层沉积过程的协同控制161
4．6．1气相沉积的时空效应161
4．6．2多元多层沉积的界面干涉效应162
4．6．3多元多层CVI的协同控制方法164
4．7小结165
参考文献166
第5章自愈合陶瓷基体材料制备过程的理论计算169
5．1热力学数据的理论计算169
5．2热力学相图与工艺优化170
5．2．1C3H6热解制备PyC体系物种的浓度分布170
5．2．2MTS-H2制备SiC体系物种的浓度分布173
5．2．3BCl3-CH4-H2制备B4C体系物种的浓度分布180
5．2．4BCl3-C3H6-H2制备B4C体系物种的浓度分布183
5．3微观反应动力学与反应路径1875．3．1过渡态理论187
5．3．2丙烯热解体系反应势能面分析188
5．3．3C3H6-BCl3-H2热解体系反应势能面分析200
5．4制备工艺与微结构控制211
5．5小结212
参考文献212
第6章自愈合陶瓷基复合材料的性能表征215
6．1本征力学行为215
6．1．12D C/SiC-BxC的拉伸行为215
6．1．22D C/SiC-BxC的弯曲行为222
6．1．32D C/SiC-BxC的室温拉伸加卸载行为227
6．1．42D C/SiC-BxC的面内剪切行为229
6．1．52D C/SiC-BxC的层间剪切行为233
6．1．62D C/SiC-Bx C的单轴压缩性能238
6．2热物理性能240
6．2．12D C/SiC-BxC热膨胀性能240
6．2．22D C/SiC-BxC的热扩散性能240
6．3环境性能241
6．3．1环境性能表征241
6．3．2蠕变应力对自愈合复合材料环境性能演变的影响243
6．3．3温度对自愈合复合材料氧化及性能演变的影响253
6．3．4BxC层厚度对性能演变的影响255
6．3．5动态风洞环境中自愈合复合材料的氧化损伤演变256
6．3．6水分压对自愈合复合材料氧化行为的影响260
6．4自愈合陶瓷基复合材料的失效261
6．4．1自愈合陶瓷基复合材料的失效模式261
6．4．2自愈合陶瓷基复合材料失效模式的影响因素262
6．5自愈合机理271
6．5．1复合材料的自愈合机理271
6．5．2BxC氧化机理273
6．6小结279
参考文献280
索引282

作为一种耐高温、强韧、轻质的新型战略性材料，连续纤维增韧补强碳化硅陶瓷基复合材料（Continous Fibre-reinforced Silicon Carbide Ceramic Matrix Composite，CFCC-SiC）出现于20世纪70年代，至今已有大量研究和广泛应用，在国防和民用高技术领域显示出强大的生命力。 20世纪90年代初，西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室自主发展了以化学气相渗透（Chemical Vapor Infiltration，CVI）为主的CFCC-SiC及其构件制备技术，实现了工程化制造，目前已开始步入产业化研究阶段。同期，国内相关单位的研究也取得很大进展，使我国CFCC-SiC的研究与应用跃居国际前列，并进入快速发展阶段。航空和航天动力及其高速飞行器、刹车系统、对地观察、能源和电子信息等诸多领域对CFCC-SiC的市场需求快速增长，从事系统设计、材料研究、技术研究和生产的各类人员，迫切需要有更多的CFCC-SiC科技专著出版。 西北工业大学超高温结构复合材料研究团队1999年获得了首批国家重大基础研究计划项目“特种材料的模拟表征与优化设计”的支持，并集合相关项目的基础研究成果撰写出了我国CFCC-SiC领域的第一本学术专著——《纤维增韧碳化硅陶瓷复合材料——模拟、表征与优化设计》。该书作为一本基础性著作，主要介绍团队在CFCC-SiC模拟、表征与优化设计方面的共性研究成果。针对不同应用领域的特殊要求，团队将出版系列专著，介绍CFCC-SiC制备与应用基础方面的研究成果。
　　　　2005年，研究团队获得了国家重大基础研究计划的继续支持，面向航空发动机对长寿命CFCC-SiC的迫切需求，开展自愈合陶瓷基复合材料(Self-Healing Ceramic Matrix Composites，SHCMC)的研究。自愈合陶瓷基复合材料通过组元在服役过程中与环境介质发生原位反应生成的高温玻璃相封填裂纹、孔隙及其他缺陷，阻止环境介质对CFCC-SiC内部的进一步侵蚀与损伤，有效地延长CFCC-SiC的服役寿命，为CFCC-SiC在航空发动机热端部件的应用奠定基础。本书依循《纤维增韧碳化硅陶瓷复合材料——模拟、表征与优化设计》一书的整体构思和框架，集合相关项目的基础研究成果撰写而成。随着CFCC-SiC研究与应用的不断深入，面向其他应用领域的CFCC-SiC专著将会陆续出版，以求形成系列。 本书围绕自愈合陶瓷基复合材料制备与应用基础问题展开，全书共六章。第1章绪论主要介绍CFCC的本征结构与性能问题，SHCMC的发展、途径和应用，由成来飞教授和张立同教授执笔。第2章主要介绍SHCMC的制备方法，由张立同教授和刘永胜副教授执笔。第3章主要介绍SHCMC的制备过程机理，由成来飞教授和赵春年博士执笔。第4章主要介绍SHCMC的制备过程控制，由刘永胜副教授、张立同教授执笔。第5章主要介绍SHCMC制备过程的理论计算，由苏克和曾庆丰副教授和张立同教授执笔。第6章主要介绍SHCMC的本征性能和环境性能表征，由栾新刚副教授和成来飞教授执笔。 本书内容引用了刘永胜、卢翠英、杨文彬、赵春年等博士学位论文里的观点，同时也包括了矫桂琼教授和乔生儒教授在材料本征力学性能方面的研究结果。此外，李建章博士负责本书的校对与整理，团队的技术人员为制备大量性能测试试件付出辛勤劳动；本书的出版得到国家科学技术学术著作出版基金的支持。在此一并表示感谢。 本书作为新型复合材料专著，可供相关领域的高校师生、科技人员与生产人员参考。
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