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高超声速飞行器是指飞行速度超过5倍声速的飞行器,其恶劣的服役环境,对结构材料,特别是对蒙皮结构材料提出了越来越苛刻的要求,开发长寿命、抗腐蚀、高强度、耐高温、轻量化的蒙皮结构材料对于研制高超声速飞行器至关重要。SiCf/Ti复合材料的耐温范围和力学性能均与高超声速飞行器的服役环境需求吻合,其高比强度和高比模量、良好的导电和导热性能、热膨胀系数小、耐高温、耐磨损、尺寸稳定性高等特性是高超声速飞行器用蒙皮材料的理想选择。本文针对我国高超声速飞行器发展的需求,以SiCf/Ti复合材料蒙皮结构为应用对象,发挥钛基复合材料耐高温与轻量化的优势,重点开展纤维制备与排布、界面调控攻关,突破箔纤维箔法制备工艺优化、复合材料性能评价等关键技术,探明组织结构演变规律以及复合材料断裂失效机理,并完成蒙皮结构件的研制和考核,推动钛基复合材料蒙皮在高超声速飞行器上的应用。搭建了直流加热立式CVD设备,完成了反应器、法兰、供气系统、加热系统等结构的设计与制造,实现了直流电加热钨丝、多级化学气相沉积法制备连续SiC纤维。掌握了制备SiC纤维的最佳CVD制备工艺:H2(1.2 L/min)+CH3SiCl3(1.8 L/min)+Ar(1.0 L/min),其中 1.8 L/min 的 CH3SiCl3 在水浴锅40℃加热,沉积温度为1300℃、走丝速度1.2m/min。制备的SiC纤维直径约为100μm、拉伸强度大于2000MPa。通过数值模拟和试验研究了 SiC纤维排布优化与结构设计。研究结果表明,纤维间距为0.15 mm,0.2 mm,0.25 mm对应的钛基复合材料纤维体积分数为32.4%,26.4%,22.3%。获得了最佳的纤维布间距为0.2mm,保证高纤维体积分数的同时,避免了纤维的搭接。纤维六方排布时界面附近的热残余应力,相较于四方纤维排布模型,最大的径向压应力和环向拉应力都有所降低,分别为108MPa和196MPa,因此,六方排布是一种优于四方排布的纤维排布方式。通过SiC纤维增强钛基复合材料制备工艺的优化及微观组织结构的分析,研究结果表明,去除固定SiC纤维的聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮溶液(PMMA胶)的最佳工艺是以;3℃/min升温至400℃,在400℃下保温2h。最佳的SiC纤维增强钛基复合材料热压复合工艺是在温度880℃、压力40MPa条件下保温保压2h。制备的SiC纤维增强钛基复合材料纤维排布均匀,基体组织致密,无孔洞、未焊合等微观缺陷。利用SEM+EDS及热力学动力学分析研究SiC纤维增强钛基复合材料制备过程中的界面行为,研究结果表明,在840℃、880℃和920℃三个热压温度下制备的复合材料,界面反应层厚度分别为0.5μm、1μm和1.3μm。其中纤维/Ti界面反应产物为TiC,界面反应速度主要受C元素的扩散控制,界面反应层组成为SiC纤维/TiC/Ti基体。利用室温拉伸、高温拉伸及疲劳测试等手段研究了 SiC纤维增强钛基复合材料的力学性能,研究结果表明,SiCf/TB8复合材料具有优异的室温性能、高温性能和疲劳性能,其室温抗拉强度达到1500MPa,弹性模量达到180GP,在600℃下的抗拉强度达到960MPa,在350MPa的应力水平下,循环次数超过 1×107。通过结构设计、工艺优化及性能考核分析了制备SiC增强钛基复合材料蒙皮结构的工艺路线可行性,研究结果表明,采用超塑成形/扩散连接技术制备出了 SiC增强钛基复合材料多层结构,尺寸达到120mm×120mm,并利用超声无损探伤,实现了 SiCf/TB8复合材料热防护蒙皮结构件内部缺陷的评价与表征,验证了工艺路线的可行性。制备的SiC增强钛基复合材料蒙皮典型件,在700℃热平衡条件下的隔热温差达到100℃,证明了 SiC增强钛基复合材料蒙皮结构具有优异的隔热性能,可以满足高超声速飞行器的服役要求。