有机无机转化法制备超高温陶瓷基复合材料技术研究

摘要:超高温陶瓷基复合材料是以连续碳纤维为增强体、超高温陶瓷为基体的一类复合材料,具有密度低、韧性好、耐高温、抗氧化及耐烧蚀等优异性能,在新型高速飞行器热结构应用方面有着不可替代的作用。碳纤维增强体和陶瓷基体是超高温陶瓷基复合材料的两个重要组成部分,对复合材料使役性能起着决定性作用,但是,碳纤维与陶瓷基体的理化性质差异大,如何将碳纤维与陶瓷基体进行有效复合,以便充分发挥碳纤维轻质、高强韧特性与陶瓷基体抗氧化、耐烧蚀特性,是超高温陶瓷基复合材料基础研究和工程应用需要解决的主要问题。本文论述了有机无机转化法制备超高温陶瓷基复合材料技术的发展思路,介绍了超高温有机陶瓷前驱体的设计与合成、C/ZrC-SiC和C/HfTaC-ZrC-SiC复合材料的研究结果,探讨了解决新型高速飞行器高温气动/燃气环境氧化烧蚀问题的材料技术方案,为连续纤维增强超高温陶瓷基复合材料的技术发展和工程应用提供借鉴。

高密度集成电路散热用高导热金刚石/铜复合材料研究进展

摘要:集成电路规模不断增大,体积越来越小,散热问题已成为高密度集成电路进一步发展的关键问题。金刚石/铜复合材料具有优异的高导热性和低膨胀特性,有望在未来解决高热流密度情况下的散热问题。然而,金刚石与铜的界面亲和性差,存在较高的界面热阻,改善金刚石/铜界面亲和性、提高其热导率通常从烧结方法和金刚石与铜的界面调控两方面入手。本文聚焦于新一代高密度集成电路散热用高导热金刚石/铜复合材料,综述了其主要制备工艺和高导热优化工艺等方面的研究进展。进一步分析了其导热性能提升的瓶颈问题。最后,展望了其发展方向与应用优势。将为金刚石/铜复合材料及其相关高导热材料的制备与应用提供指引与参考。

高性能结构吸波陶瓷基复合材料设计与性能表征研究进展

摘要:高性能结构吸波陶瓷基复合材料是实现航空高温部件宽频吸波和高承载一体化的理想候选材料。本文以宏观– 细观– 微观多尺度协同设计为核心研究思路,系统地概述了高性能结构吸波复合材料的基本设计原则。从材料设计的角度出发,综合考虑阻抗匹配和电磁损耗之间的良好平衡,以实现对电磁波的宽频高效吸收。深入梳理微观组分材料(如碳化硅、氮化硅等陶瓷基体,以及碳纳米管、金属氧化物等)对复合材料吸波性能的影响机制,剖析典型宏/细观构型(如层状结构、多孔结构、纤维增强结构等)在调控材料电磁波吸收方面的关键作用。通过建立多尺度结构与性能的关联模型,总结出一系列针对高性能结构吸波陶瓷基复合材料的优化设计方法,涵盖材料成分选择和结构参数优化等多个方面。本文为新一代航空飞行器高温宽频吸波一体化的设计与性能评价提供了重要的理论依据和实践指导,对推动航空航天领域隐身技术与结构材料的协同发展具有重要意义。

超高导电性石墨烯铜复合材料研究进展

摘要:超高导电铜具体是指常温下电导率高于100%IACS的铜基复合材料。在铜基复合材料中增强体的选择会对复合材料的电导率产生重大影响。近年来,随着对碳纳米管和石墨烯的进一步研究,具有良好本征特性的碳纳米材料逐渐成为了当下研究的热门。对于铜基复合材料而言,纳米碳具有作为增强体的巨大潜力,成为主要研究开发的材料,近年来随着科技社会的快速发展,许多新兴领域,如航空航天、精细金属部件、传感器等,对材料的导电性能提出更高的要求,对超高导电铜的需求也日益迫切。综述了超高导电铜的发展现状,包括应用材料体系、增益机制、研究现状以及未来应用前景。

具有取向导热结构柔性相变复合材料的制备及导热性能

摘要:为解决高分子基复合材料固有热导率较差这一问题,本文采用简单高效、易工业化的开炼法在聚乙烯辛烯共弹性体(POE) 基体中构建有序的取向结构,制备了一种具有优异综合性能的柔性相变复合材料。在开炼机的强剪切场作用下,石蜡(PW) 和氮化硼(BN) 在POE 基体内部沿剪切场方向发生了定向取向排列,促进了导热通路的构建。当石墨烯纳米片(GNPs) 和BN 添加量分别为2wt% 和25wt% 时,PW-2wt%GNPs-25wt%BN/POE 相变复合材料热导率(λ) 从1.01 W·m−1·K−1 (PW/POE) 提高到2.59 W·m−1·K−1,提高了156%。并且PW-2wt%GNPs-25wt%BN/POE 相变复合材料具有优异的拉伸强度(21.1 MPa) 和断裂伸长率(719%),在弯曲、折叠成复杂的形状后不会出现任何的破裂,在10 次循环往复拉伸测试中具有良好的可回复性。此外,添加30wt% 的PW 能够赋予PW-2wt%GNPs-25wt%BN/POE 一定的焓值(44.1 J·g−1);当施加80 mW·cm−2 的光照强度时,表面贴有PW-2wt%GNPs-25wt%BN/POE 复合材料的瓶内温度高达54.3℃,较未添加GNPs 的PW/POE 提高了20℃,并且在光照条件下,PW-2wt%GNPs-25wt%BN/POE 复合材料具有优异的光驱动可恢复性能,使其具有潜在的光热转换应用前景,在实际应用和工业化生产方面具备巨大潜力。

碳纤维/聚合物复合材料热导率近十年研究进展

摘要:本文综述了过去十年间在提升碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料热导性能方面取得的进展。具体从聚合物复合材料的导热原理入手,重点分析了碳纤维(CFs)自身对CFRP复合材料热导率的影响,包括含量、长度、取向等。此外,综述了提升CFRP复合材料热导率的4 种方法,包括CFs 表面改性、CFs定向处理、加入导热填料及构建三维连续导热通道等策略对改善CFRP复合材料热导率的作用。最后进行了展望,将CFs同向排列并与多种形状尺寸的高热导率填料耦合构建连续的导热通道,制备低负载填料、高热导率的CFRP复合材料将成为未来的研究方向,为下一代导热材料的开发和优化提供指导。

生物基高阻氧复合材料研究进展

摘要:随着环保意识的提升以及国家“以纸代塑”政策的提出,研究者一直致力于研发更环保的材料以代替石油基材料。生物质资源由于来源广泛,是有望部分替代石油资源的主要可再生资源之一。本文综述了近几年一些具有高阻氧潜力生物基复合材料(纤维素、淀粉、半纤维素、壳聚糖、胶原) 的研究进展。介绍了生物基材料改性的两种常用方法(薄膜基体改性和薄膜表面改性),简要总结了氧气分子渗透的理论与机制。并对目前的一些具有潜力的生物基复合材料在食品、医学、先进功能材料等领域的应用进行简要概述,对存在的问题进行简单总结,最后展望了未来生物质基材料的发展方向与趋势。

连续纤维增强陶瓷基复合材料3D打印:研究进展与挑战

摘要:连续纤维增强陶瓷基复合材料(continuous fiber reinforced ceramic matrix composites, CFRCMCs)具有低密度、高强度、优异的高温稳定性与化学稳定性等性能,在航空航天、核工业、化工以及交通运输等领域都有着重要应用。近几年,3D打印技术的发展为复杂异形 CFRCMCs构件的预制体成形提供了创新途径。然而CFRCMCs 的3D打印技术仍处于起步阶段,面临着成形设备、成形工艺和成形原理等方面的重大挑战。因此,对 CFRCMCs的3D打印研究进展与挑战进行归纳与分析具有重要意义。本文首先对常见3D打印技术进行简单介绍;其次,总结 CFRCMCs的3D打印研究进展,具体包括基于热塑性原料的熔融沉积3D 打印、基于水系浆料的墨水直写3D打印、机械辅助的墨水直写3D打印、基于光敏浆料的光固化3D打印等;最后,从纤维与陶瓷界面、缺陷表征与控制、陶瓷化与致密化、自动化与智能化制造、结构功能一体化、4D打印、自修复以及标准等方面对CFRCMCs的3D打印挑战进行分析。期望为CFRCMCs 3D打印相关的基础科学与关键技术研究提供一定参考与指导。

C/C复合材料表面陶瓷涂层研究进展

摘要:在C/C复合材料表面制备抗氧化烧蚀的陶瓷涂层,将超高温、高冲刷、含氧的服役环境与基体隔离开来,是延长其在极端环境下使用寿命的有效方法之一。表面涂层技术种类丰富,工艺简单,耗时短,制备成本相对较低,既能赋予基体抗氧化和耐烧蚀性能,又不会显著影响基体的高温力学性能,有力地促进了C/C复合材料在航空航天领域的应用。本文从涂层的结构和成分出发,对现有涂层体系进行了梳理,再结合涂层的化学组成特点,系统综述了表面陶瓷涂层领域的最新研究进展,并对多种纳米结构增强涂层策略进行分析,最后展望了表面涂层技术面临的新挑战和发展方向。

Al-Ag功能梯度复合材料的制备及其性能研究

摘要: 准等熵压缩实验可以通过轻气炮驱动不同阻抗分布的弹丸材料实现。弹丸的阻抗分布决定了加载的应力-应变率范围。采用粉末铺层结合热压烧结工艺制备了阻抗连续变化的Al-Ag梯度复合材料,并对单层Al-Ag复合材料以及Al-Ag梯度复合材料的结构与性能进行了研究。结果表明,Al-Ag梯度复合材料的最佳烧结工艺为570℃-100MPa-2h,各组分的Al-Ag复合材料致密度均大于95%。除此之外,各组分的Al-Ag复合材料的力学性能、SEM、热膨胀系数结果均表明Al-Ag梯度复合材料的可行性。Al-Ag梯度复合材料的SEM 和EDS结果表明梯度复合材料内部元素分布与设计方案一致,层间平行度较好。动态加载实验结果显示Al-Ag梯度复合材料具有良好的准等熵加载效果,有明显的准等熵加载效果,与模拟结果吻合较好。制备的Al-Ag梯度复合材料具有稳定的准等熵压缩效果,为探究不同应力-应变率下的材料的高压物性参数及损伤机制提供了支撑。