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文章来源: 中国国际复合材料展览会|       发布时间:2019-05-17

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5月17日,记者了解到,德国航空航天中心(DLR)选定一家先进材料多尺度模拟仿真软件开发商MultiMechanics,对陶瓷基复合材料(CMC)部件生产过程中的裂纹情况进行预测。

德国成功进行陶瓷基复合材料裂纹预测 助力全球航空航天领域研究

据了解,陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能,而其致命的弱点是具有脆性,处于应力状态时,会产生裂纹,甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合,则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。 陶瓷基复合材料已用作液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘和高档汽车刹车盘等,成为高技术新材料的一个重要分支。


由于陶瓷材料具备优良的耐磨性,并且硬度高、耐蚀性好,所以得到了广泛应用。但是,陶瓷的最大缺点是脆性大,对裂纹、气孔等很敏感。20世纪80年代以来,通过在陶瓷材料中加入颗粒、晶须及纤维等得到的陶瓷基复合材料,使得陶瓷的韧性大大提高。

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陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性,已用于高速切削工具和内燃机部件上。但这类材料发展较晚,其潜能尚待进一步发挥。研究重点是将其应用于高温材料和耐磨、耐蚀材料,如大功率内燃机的增强涡轮、航空航天器的热部件以及代替金属制造车辆发动机、石油化工容器、废物垃圾焚烧处理设备等。


DLR旗下位于德国斯图加特的结构与设计研究所已成立了一支模拟仿真技术团队,开始对陶瓷基体制备过程中重要的中间步骤——前躯体高温裂解过程进行模拟。在该过程中,碳纤维增强复合材料(CFRP)被加热至1600摄氏度的高温,随后冷却。研究团队尝试分析温度变化对材料微观结构和相应的材料行为所产生的影响。分析结果对于未来DLR的陶瓷基复合材料部件的生产至关重要。陶瓷基复合材料主要应用于火箭喷嘴、返回地球大气层所需的热保护系统及其它部件。


DLR陶瓷基复合材料与结构部模拟仿真项目组主管Neraj Jain表示:“MultiMech软件能够对微裂纹及其对整体部件的影响进行模拟。有了它,我们可以清楚地看到裂纹的扩展方向,知道裂纹将如何改变材料,并对最终的材料微观结构产生怎样的影响。”


通过MultiMech软件,工程师们可以改变纤维与陶瓷基体间的界面强度,并评估该参数对裂纹萌生与扩展的影响。有了这些认知,工程师们才能依据微观结构力学对材料进行优化和调整,这是更准确地把握整体部件力学行为及断裂行为的关键一步。


MultiMechanics公司总裁兼首席技术官Flavio Souza表示:“DLR是全球航空航天领域先进技术研究的领导者,能够为DLR先进陶瓷基复合材料部件的设计开发提供技术支持,我们倍感骄傲。过去十年间,我们一直致力于将先进材料的微观结构与整体部件的使用性能、制造过程准确地联系在一起,使用户能够看到多尺度建模的好处和价值。”

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Neraj Jain表示:“MultiMech软件与已有的有限元分析软件Abaqus、Ansys相结合,能够提高生产效率,并使我们离优化陶瓷基复合材料的目标更加接近。裂纹模拟和多尺度建模的方法使我们能在未来的诸多项目中更好地把握机遇。”


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