ZTM陶瓷/纤维编织体微波连接及其弹性行为研究

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针对高温密封材料在现代工业和航天前沿领域的重要需求,利用ZTM(氧化锆增韧莫来石)致密陶瓷的气密与承载作用和铝硅纤维编织体的压缩-回弹特性,设计ZTM陶瓷/铝硅纤维编织体组合方式,获得了具有气密-热密综合功能的耐高温弹性密封组件。在基础材料制备和特性分析基础上,选择微波连接实现了耐温属性差异较大材料的可靠连接,进一步研究了连接组件在不同载荷和温度条件下的压缩-回弹规律,并对相关机理进行了分析。采用粉体压制、常规烧结,制备了ZTM陶瓷基体,该材料具有随温度升高强度不降低的特性。选用体积分数为45%、编织角为45o的铝硅三维四向纤维编织体呈现压缩-回弹特性,该材料在980℃即开始析晶,在1000℃以下可以安全使用,超过1100℃,纤维将发生析晶、变形、收缩、熔融等结构和性能的改变。利用微波选择性加热的特点,进行了耐温属性差异较大的ZTM陶瓷/纤维体的微波连接研究。通过对微米级粒径的Al-Si合金粉体微波的升温特性、氧化特性、物相分析的研究,设计了Al-Si合金、Al2O3、SiO2和ZrO2作为中间层组分的微波连接相材料,在2kW/60min微波处理条件下实现了ZTM陶瓷/铝硅纤维编织体的连接。研究表明,Al-Si粉吸波能力强、熔融温度低,在微波处理条件下,迅速升温并且发生熔融,同时自身发生氧化反应,并与其它组分结合形成莫来石。微波反应过程中,中间层材料与ZTM发生传热、粘结、质点扩散,在较高温度下实现有效连接;而疏松结构铝硅纤维体,吸波能力相对较差,在950℃左右,熔融的Al-Si合金与纤维体界面的玻璃质纤维发生化学反应,实现了纤维体与中间层的低温连接。研究了不同温度、载荷条件下组件的压缩回弹规律。结果表明:在0.1MPa压力下,组件在室温至600℃表现为弹性性能,可实现100%回弹;随压力增大,组件的高温回弹能力逐渐降低。在1MPa载荷、400℃以下组件仍可实现完全回弹,而1000℃时组件回弹率仅为30%。材料的压缩回弹机理表现为弹性回弹、滞弹性回弹和弹塑性回弹。获得了组件在不同温度条件下的极限载荷、不同压强条件的回弹特点和材料弹性失效机理,为组件在高温密封中的可靠应用提供了理论依据。
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