復合材料手冊第5卷：陶瓷基復合材料

第1章 總論 3
1.1 手冊介紹 3
1.2 手冊內容概述 4
1.3 第5卷內容及工作組簡介 5
1.3.1 第5卷內容簡介 5
1.3.2 陶瓷基復合材料工作組的目標 5
1.4 目的 7
1.5 范圍 8
1.5.1 第1部分:指南 9
1.5.2 第2部分:設計和保障 9
1.5.3 第3部分:測試 9
1.5.4 第4部分:數據要求和數據集 9
1.6 文件的使用和限制 10
1.6.1 信息來源 10
1.6.2 數據的使用和應用指導 10
1.6.3 強度性能和許用值的術語 11
1.6.4 參考文獻的使用 11
1.6.5 商標和產品名的使用 11
1.6.6 毒性?對健康的危害和安全性 11
1.6.7 消耗臭氧的化學物質 11
1.7 批準程序 12
1.8 符號?縮寫以及單位制 12
1.8.1 符號和縮寫 13
1.8.2 單位制 31
1.9 定義 33
參考文獻 55
第2章 背景和概述 56
2.1 背景 56
2.2 CMC結構基礎 57
2.3 手冊目標 60
參考文獻 61
第3章 工藝?表征和制造 66
3.1 CMC體系?工藝?性能和應用 66
3.1.1 CMC在航空發(fā)動機熱端及排氣部件上的應用 66
3.1.2 CMC體系?制備工藝及性能 68
3.1.3 SiC/SiC CMC體系 69
3.1.4 氧化物/氧化物CMC體系 83
3.2 纖維增強材料的類型和技術 89
3.2.1 引言 89
3.2.2 氧化物基陶瓷纖維 89
3.2.3 硅基陶瓷纖維 97
3.3 界面相/界面技術和方法 108
3.3.1 引言 108
3.3.2 界面相組成 113
3.3.3 總結 118
3.4 纖維架構的制造和成型 119
3.4.1 引言 119
3.4.2 纖維制造商 119
3.4.3 纖維鋪設技術與設備 119
3.4.4 纖維編織 121
3.4.5 纖維結構選擇 124
3.4.6 計算機建模與仿真 139
3.4.7 織物機織和編織廠商 140
3.5 外部防護涂層 141
3.5.1 非氧化物CMC的外部防護涂層 141
3.5.2 氧化物CMC的外部防護涂層 177
3.6 表征方法 195
3.6.1 引言 195
3.6.2 樣品制備 195
3.6.3 光學顯微鏡 195
3.6.4 掃描電子顯微鏡 197
3.6.5 微觀結構表征 198
3.6.6 三維微觀結構評價 202
3.6.7 應用微焦X射線計算機斷層成像的微觀結構表征 203
3.7 無損評定方法(缺陷表征) 204
3.7.1 需求和要求 206
3.7.2 無損檢測方法 207
3.7.3 材料狀態(tài)和缺陷 226
3.7.4 轉換/實施問題 230
3.7.5 檢測驗證 234
3.8 加工 236
3.8.1 引言 236
3.8.2 常規(guī)加工 237
3.8.3 超聲加工 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 電火花加工 249
參考文獻 250
第4章 材料和生產過程的質量控制 272
4.1 引言 272
4.2 材料采購的質量保證程序 272
4.2.1 規(guī)范和文件 272
4.2.2 供應商層面控制 273
4.2.3 用戶層面控制 274
4.3 部件制造驗證 276
4.3.1 過程驗證 276
4.3.2 無損檢測 278
4.3.3 破壞性試驗 279
4.4 材料和工藝的變更管理 281
4.4.1 引言 281
4.4.2 新材料或新工藝的驗證 281
4.4.3 差異與風險 283
4.4.4 生產成熟度 287
第5章 應用?工程案例及經驗 290
5.1 1974—1995年聯合技術公司CerCompTM  CMC的研發(fā)及測試歷程 290
5.1.1 概述 290
5.1.2 引言 290
5.1.3 制備過程 291
5.1.4 模擬環(huán)境及地面裝機考核 291
5.1.5 結論 295
5.2 SiC/SiC CMC燃燒室襯套研發(fā)及地面裝機考核 295
5.2.1 概述 295
5.2.2 項目團隊?研發(fā)策略及研發(fā)進度 296
5.2.3 CMC襯套設計 298
5.2.4 陶瓷基復合材料模擬環(huán)境考核 299
5.2.5 CMC地面裝機考核 300
5.3 氧化物/氧化物CMC燃燒室襯套研發(fā)及地面裝機考核 309
5.3.1 概述 309
5.3.2 項目團隊?研發(fā)策略和研發(fā)進度 310
5.3.3 混雜氧化物CMC襯套的設計與制造 312
5.3.4 混雜氧化物CMC襯套模擬環(huán)境考核 313
5.3.5 混雜氧化物CMC襯套發(fā)動機模擬環(huán)境考核 315
5.3.6 考核后檢測 318
參考文獻 322
第6章 設計與分析 327
6.1 引言 327
6.2 應用和設計需求的定義 327
6.2.1 重要程度分類及范例 327
6.2.2 確立設計的需求(載荷?環(huán)境?壽命周期?持續(xù)時間等) 327
6.2.3 驗證方案(驗證及校驗矩陣) 327
6.3 設計與分析的考慮因素?選擇和方法 327
6.3.1 纖維類型 327
6.3.2 纖維形態(tài)與預制體 328
6.3.3 涂層及界面相 329
6.3.4 基體類型 329
6.3.5 考慮因素的選擇 330
6.3.6 制造工藝的選擇 330
6.3.7 輸入屬性的定義 330
6.4 材料與部件的模擬分析驗證 330
6.4.1 全局有限元分析及局部微觀模型 330
6.4.2 靜力學?屈曲及振動分析 330
6.4.3 壽命預測或壽命終止屬性的應用 330
6.4.4 環(huán)境因素對結構性能及壽命的影響 330
6.4.5 失效模式及影響分析 331
6.4.6 耐久性及損傷容限 331
6.4.7 熱-力耦合模型 331
6.4.8 氧化-力耦合模型 331
6.4.9 線性及非線性失效分析 331
6.4.10 確定性及隨機性分析方法 332
6.5 試驗驗證 332
6.5.1 材料性能測試及許用值(試樣/元件試驗) 332
6.5.2 典型設計特征(典型件試驗) 332
6.5.3 關鍵結構(零件試驗) 332
6.5.4 全尺寸結構驗證(部件試驗) 332
參考文獻 332
第7章 維修與保障 333
7.1 檢查能力 333
7.2 損傷及損傷容限 333
7.3 維修 333
7.4 壽命限制及標識牌 333
7.5 認證證明包 333
第8章 熱-力-物理試驗方法———總覽 337
8.1 引言 337
8.1.1 積木式方法 337
8.1.2 試驗級別和數據的使用 338
8.2 試驗計劃的編制 340
8.2.1 概述 340
8.2.2 基于統(tǒng)計性能的基準方法和替代方法 340
8.2.3 數據等同問題 340
8.2.4 試驗方法選擇 340
8.2.5 母體樣本和規(guī)模 341
8.2.6 材料和工藝的差異 341
8.2.7 材料使用極限 341
8.2.8 非大氣環(huán)境試驗 341
8.2.9 數據歸一化 341
8.2.10 數據文件 341
8.2.11 應用情況所特有的試驗要求 341
8.3 推薦的試驗矩陣 341
8.3.1 材料篩選 341
8.3.2 材料驗證 342
8.3.3 材料驗收試驗矩陣 343
8.3.4 替代材料等同性實驗矩陣 343
8.3.5 一般材料/結構元件試驗矩陣 343
8.3.6 基準值的替代方法 343
8.3.7 作為CMH -17基準值的數據證實 343
8.4 數據處理和文件要求 343
8.4.1 引言 343
8.4.2 由復合材料得出的單層性能 343
8.4.3 數據歸一化 343
8.4.4 數據文件的要求 346
第9章 提交CMH-17數據用的材料性能試驗和表征 347
9.1 引言 347
9.2 材料和工藝規(guī)范要求 347
9.3 數據取樣的要求 347
9.4 試驗方法的要求 347
9.4.1 熱性能 347
9.4.2 力學性能 353
9.4.3 物理性能 370
9.4.4 化學性能 374
9.4.5 電學性能 374
9.4.6 環(huán)境試驗 374
第10章 增強體評估 376
10.1 引言 376
10.2 力學性能 376
10.2.1 彈性(泊松比?模量) 376
10.2.2 強度 376
10.2.3 蠕變/蠕變斷裂 376
10.2.4 疲勞 376
10.3 熱性能 376
10.3.1 熱膨脹系數 376
10.3.2 熱導率 376
10.3.3 環(huán)境(腐蝕?侵蝕?磨損等) 376
10.3.4 氧化 376
第11章 基體材料評估 377
11.1 引言 377
11.2 力學性能 377
11.2.1 彈性(泊松比?模量) 377
11.2.2 強度 377
11.2.3 蠕變/蠕變斷裂 377
11.2.4 疲勞 377
11.3 熱性能 377
11.3.1 熱膨脹系數 377
11.3.2 熱導率 377
11.3.3 環(huán)境(腐蝕?侵蝕?磨損等) 377
11.3.4 氧化 377
11.3.5 其他物理性能(粉末或預制體性能) 377
第12章 界面材料評估 378
第13章 復合材料評估 379
13.1 密度 379
13.1.1 適用性 379
13.1.2 測試方法 380
13.1.3 密度測試的注意事項 381
13.1.4 分析方法 383
13.1.5 數據報告 383
13.2 纖維體積分數 383
13.3 CTE 383
13.4 擴散性 383
13.5 比熱容 383
13.6 拉伸 383
13.6.1 適用范圍 383
13.6.2 測試方法 383
13.6.3 平面內拉伸測試的注意事項 384
13.6.4 樣品制備 385
13.6.5 環(huán)境 385
13.6.6 測試次數 386
13.7 壓縮 386
13.8 彎曲 386
13.9 剪切 386
13.9.1 適用范圍 386
13.9.2 測試方法 386
13.9.3 剪切測試注意事項 387
13.9.4 樣品制備 390
13.9.5 環(huán)境 390
13.9.6 測試次數 391
13.10 層間拉伸 391
13.11 缺口 391
13.11.1 缺口測試方法 391
13.11.2 缺口測試的注意事項 391
13.12 層間斷裂韌性 392
13.13 裂縫擴展 392
13.14 蠕變 392
13.15 疲勞 392
13.16 TMF - 熱機械疲勞 392
13.17 磨損 392
13.18 軸承 392
13.19 雙向測試 393
參考文獻 393
第14章 組合件試驗——問題綜述 394
14.1 引言 394
14.2 連接試驗 394
14.2.1 定義 394
14.2.2 失效模式 394
14.2.3 熱效應 394
14.2.4 連接構型 394
14.2.5 設計要求 394
14.2.6 材料擠壓強度 394
14.2.7 開孔拉伸/壓縮強度 394
14.2.8 熱-機械疲勞強度 394
14.2.9 蠕變和應力斷裂 394
14.2.10 緊固件驗證試驗 395
14.3 管 395
第15章 機械加工和研磨 396
15.1 引言 396
15.2 機械加工考慮事項 396
15.3 模具要求 396
15.4 試驗件制備 396
第16章 數據的提交?格式和要求 399
16.1 引言 399
16.2 數據提交要求 400
16.2.1 材料和工藝規(guī)范要求 401
16.2.2 采樣要求 401
16.2.3 測試方法要求 401
16.2.4 數據文件要求 402
16.3 格式和單位 406
16.4 設計特性 407
第17章 統(tǒng)計方法 408
17.1 引言 408
17.2 背景 408
17.2.1 基于統(tǒng)計的設計許用值 408
17.2.2 非結構化數據的基準值 408
17.2.3 批次間存在差異時的基準值(結構化數據) 409
17.2.4 計算軟件 409
17.3 基于統(tǒng)計的材料特性的計算 409
17.3.1 多批次/環(huán)境數據的計算過程指南 409
17.3.2 使用單點法的計算過程指南 412
17.3.3 材料性能的長時間變化 414
17.4 材料等效性和材料驗收的統(tǒng)計方法 414
17.4.1 確定同一材料的現有數據庫和新數據集之間是否等效的測
試 414
17.4.2 過程控制的統(tǒng)計步驟 418
參考文獻 422
第18章 CMC性能數據 423
18.1 引言 423
18.1.1 手冊中數據的結構 423
18.1.2 數據的表述 423
18.2 CMC體系-性能數據 432
18.3 CMC體系-已有數據 432
18.3.1  9/99 EPM SiC/SiC 432
18.3.2  增強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
附錄A  LCF和破壞載荷中剩余強度減縮公式推導  483
索引 487