本書是《復合材料手冊》（簡稱CMH-17）的第５卷，主要介紹了陶瓷基復合材料體系、組分及其制備工藝，給出了陶瓷基復合材料的設計指南、測試方法、數據處理方法以及提交CMH-17協調委員會的數據格式，收錄了經CMH-17協調委員會認證的部分材料性能數據。
本書可供航空、材料領域及其他相關行業的工程技術人員、研發人員、管理人員以及高等院校師生參考使用。
焦健，研究員，1999年本科畢業於中國科學技術大學化學物理系，2003年碩士畢業於中科院大連化學物理研究所，2006年德國斯圖加特大學獲化學博士學位，2006-2009年在美國能源部橡樹嶺國家實驗室進行博後研究。現任中國航發北京航空材料研究院表面工程研究所副所長兼陶瓷基復合材料中心主任，主要從事航空發動機用陶瓷基復合材料的研究。
陳秀華，高級工程師，現在上海交通大學航空航天學院任教，其主要研究方向為復合材料的設計、分析與試驗驗證技術；高溫、超高溫材料的分析與試驗驗證技術；飛機、航空發動機結構強度計算，設計優化理論；CAE仿真軟件的開發。
一本一直被“催”的書——幾年間出版社收到許多讀者致電詢問本書何時面世；
陶瓷基復合材料從業人員的可靠幫手；
教科書級的行業指南；
《復合材料手冊》（CMH-17）為復合材料結構件的設計和制造提供了必要的信息和指南。其主要作用是：① 規範與現在和未來復合材料性能測試、數據處理和數據發布相關的工程數據生成方法，並使之標準化。② 指導用戶正確使用本手冊中提供的材料數據，並為材料和工藝規範的編制提供指南。③ 提供復合材料結構設計、分析、取證、制造和售後技術支持的通用方法。為實現上述目標，手冊中還特別收錄了一些滿足某些特殊要求的復合材料性能數據。總之，手冊是對快速發展變化的復合材料技術和工程領域最新研究進展的總結。隨著有關章節的增補或修改，相關文件也將處於不斷修訂之中。
CMH-17組織機構
《復合材料手冊》協調委員會通過深入總結技術成果，創建、頒布並維護經過驗證的、可靠的工程信息和標準，支撐復合材料和結構的發展與應用。
CMH-17的願景
《復合材料手冊》成為世界復合材料和結構技術信息的權威寶典。
CMH-17組織機構工作目標
● 定期約見相關領域專家，討論復合材料結構應用方面的重要技術條款，尤其關注那些可在總體上提升生產效率、質量和安全性的條款。
● 提供已被證明是可靠的復合材料和結構設計、制造、表征、測試和維護綜合操作工程指南。
● 提供與工藝控制和原材料相關的可靠數據，進而建立一個可被工業部門使用的完整的材料性能基礎值和設計信息的來源庫。
● 為復合材料和結構教育提供一個包含大量案例、應用和具體工程工作參考方案的來源庫。
● 建立手冊信息使用指南，明確數據和方法使用限制。
● 為如何參考使用那些經過驗證的標準和工程實踐提供指南。
● 提供定期更新服務，以維持手冊信息的完整性。
● 提供最適合使用者需要的手冊信息格式。
● 通過會議和工業界成員交流方式，為國際復合材料團體的各類需求提供服務。與此同時，也可以使用這些團隊和單個工業界成員的工程技能為手冊提供信息。
注釋
(1) 已盡最大努力反映聚合物（有機）、金屬和陶瓷基復合材料的最新信息，並將不斷對手冊進行審查和修改，以確保手冊完整反映最新內容。
(2) CMH-17為聚合物（有機）、金屬和陶瓷基復合材料提供了指導原則和材料性能數據。手冊的前三卷目前關注（但不限於）的主要是用於飛機和航天飛行器的聚合物基復合材料，第４、５和６卷則相應覆蓋了金屬基復合材料（ＭＭＣ）、包括碳 碳復合材料（Ｃ—Ｃ）在內的陶瓷基復合材料（ＣＭＣ）及復合材料夾層結構。
(3) 本手冊中所包含的信息來自材料制造商、工業公司、專家、政府資助的研究報告、公開發表的文獻以及參加CMH-17協調委員會活動的成員與研究實驗室簽訂的合同。手冊中的信息已經經過充分的技術審查，並在發布前通過了全體委員會成員的表決。
(4) 任何可能推動本手冊使用的有益的建議（推薦、增補、刪除）和相關的數據可通過信函郵寄到：
CMH 17 Secretariat, Wichita State University, 1845 Fairmount, Wichita, KS 67260,
致謝
來自政府、工業界和學術團體的志願者委員會成員幫助完成了本手冊中全部信息的協調和審查工作。正是由於這些志願者花費了大量時間和不懈的努力，以及他們所在的部門、公司和大學的鼎力支持，才確保了本手冊能夠準確、完整地體現當前復合材料界的最高水平。
《復合材料手冊》的發展和維護還得到了材料科學公司手冊秘書處的大力支持，美國聯邦航空局為該秘書處提供了主要資金。
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 範圍 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 外部防護塗層 141
3.5.1 非氧化物CMC的外部防護塗層 141
3.5.2 氧化物CMC的外部防護塗層 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 規範和文件 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燃燒室襯套研發及地面裝機考核 295
5.2.1 概述 295
5.2.2 項目團隊､研發策略及研發進度 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燃燒室襯套研發及地面裝機考核 309
5.3.1 概述 309
5.3.2 項目團隊､研發策略和研發進度 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襯套模擬環境考核 313
5.3.5 混雜氧化物CMC襯套發動機模擬環境考核 315
5.3.6 考核後檢測 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 重要程度分類及範例 327
6.2.2 確立設計的需求(載荷､環境､壽命周期､持續時間等) 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 纖維形態與預制體 328
6.3.3 塗層及界面相 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 基於統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 材料和工藝規範要求 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 適用範圍 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 適用範圍 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 材料和工藝規範要求 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 統計方法 408
17.1 引言 408
17.2 背景 408
17.2.1 基於統計的設計許用值 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 基於統計的材料特性的計算 409
17.3.1 多批次/環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和破壞載荷中剩餘強度減縮公式推導 483
索引 487
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