预制体及基体对C/C复合材料性能的影响

研究了预制体结构及其成型工艺和基体类型对C/C复合材料的力学性能、烧蚀性能和微观结构的影响。结果表明,它们对C/C复合材料的拉伸和压缩强度影响不显著,而对剪切性能影响明显。采用CVD成型工艺和树脂炭基体,对于二维预制体,C/C复合材料的剪切强度可达19MPa;对于准三维预制体,C/C复合材料层间剪切强度可达20MPa。不同类型的基体炭对复合材料的耐烧蚀性影响不同,CVD炭具有优异的抗烧蚀性能,树脂炭与沥青炭的抗烧蚀性能较差。采用先沉积后树脂浸渍炭化补充增密,可制备综合性能优异的热结构复合材料。     

气体流场对C／C复合材料CVI致密化效果的影响

以丙烯为碳源气体,研究平板针刺预制体在不同倾斜角放置和不同进气方式条件下化学气相渗透（ CVI）工艺制备C／C复合材料的致密化效果。采用工业CT、浸泡介质法和偏光显微镜对沉积样品的密度分布、开孔孔隙率和织构分别进行表征。沉积102 h后,倾斜17°、前进气条件下试件的密度最高,达到1．45 g／cm－3。结果表明,试样由底端到顶端的密度是有小幅递增的,开孔孔隙率是逐渐减小的。4块试件热解炭的织构以光滑层为主,试样消光角的测量结果表明直立状态和倾斜17°、后进气状态热解炭织构取向度从底部到顶端有增大的趋势,这种织构的增长趋势与锥形回转体扩张段的材料设计相符合。     

正丁醇等温CVI工艺制备C/C复合材料

以正丁醇为前躯体,N2为载气和稀释气,以2D炭毡为预制体,在负压和沉积温度为1 150℃的实验条件下,采用等温化学气相渗透(ICVI)工艺制备出C/C复合材料制品,讨论了沉积时间与密度的变化规律以及预制体内部密度分布规律。利用三点弯曲测定了材料的弯曲强度,采用偏光显微镜、扫描电镜观察了材料的组织结构和断口形貌。结果表明,试样的组织结构以具有靠近纤维部分为中织构热解炭组织,外部为高织构热解炭组织特征,断裂方式为假塑性断裂,并且具有优异的力学性能。研究表明丁醇中氧元素的存在并未在高温下对炭纤维产生腐蚀破坏作用,正丁醇可以作为前躯体中的一种组分用于CVI工艺热解制备高性能C/C复合材料。     

预制体中添加碳化钨的C/C复合材料结构与烧蚀性能

采用在炭纤维预制体中添加WC粉末和基体炭增密的方法,制备了添加WC粉末的C/C复合材料.采用电弧驻点烧蚀试验,考察了材料烧蚀性能,并用扫描电镜观察了其结构和烧蚀后表面形貌,探讨了其烧蚀机理.结果表明,添加WC粉末的C/C复合材料的高温烧蚀包括:C/C复合材料中炭纤维和炭基体中炭与烧蚀气流中氧化气氛的反应;WC的氧化及熔...     

压力对天然气为前驱体制备C/C复合材料的影响

研究了以天然气为前驱体制备C/C复合材料时,前驱体压力对致密化速率及热解炭显微结构的影响.通过偏光显微镜测量单根炭纤维上所沉积的热解炭厚度,并观测不同区域的热解炭显微结构.实验结果表明,在沉积温度为1 100 ℃时,当前驱体压力从1 kPa提高到10 kPa时,C/C复合材料的密度从1.10 g/cm3增加到1.52 g/cm3,密度梯度减小,同时热解炭的结构出现SL到RL的转变.     

二甲苯热解制备C/C复合材料的组织结构及力学行为研究

采用薄膜沸腾化学气相渗透技术,950～1 150℃下热解二甲苯对二维针刺炭毡致密化,30～35 h内制备出平均密度达1.72～1.74 g/cm3的C/C复合材料.采用排水法测量材料的密度,三点弯曲法测试材料的力学性能,偏光显微镜、扫描电子显微镜研究热解炭基体的组织结构和弯曲试样的断口形貌.结果表明,沉积温度为950℃时,热解炭在材料的轴向及径向呈现出从粗糙层(RL)向光滑层(SL)结构转变的趋势;在1 050℃和1 150℃条件下沉积的热解炭均为RL结构,且沉积温度为1 050℃时材料的密度分布较为均匀;当沉积温度由950℃升高至1 150℃时,C/C复合材料的弯曲强度从158.9 MPa降低到133.6 MPa,断裂方式也由脆性断裂转变为假塑性断裂.     

添加树脂碳对针刺C/C-SiC材料熔渗行为及性能的影响

以2.5D无纬布/网胎叠层针刺预制体为增强体，采用化学气相渗透和树脂浸渍裂解法制备了密度约1.35 g/cm³的热解碳C/C、热解碳+树脂碳C/C两种坯体，再经反应熔渗获得C/C-SiC复合材料，分析了不同碳基体组分C/C材料的熔渗特性及其微结构、拉伸性能及氧乙炔烧蚀性能的变化规律。结果表明：相比热解碳的“薄壳”型孔隙结构，树脂碳的“狭缝”型孔结构增大了液Si与碳基体的接触面积，提高了熔渗动力，获得致密度和SiC含量高的C/C-SiC复合材料，提升抗烧蚀性能，在氧乙炔火焰下经400～600 s烧蚀的线烧蚀率降低24%,但树脂碳对液Si的诱导渗透增加了骨架承载体的损伤，使树脂碳+热解碳基C/C-SiC复合材料室温拉伸强度(104±3)MPa低于热解碳基C/C-SiC的(118±3)MPa。     

天然气定向渗透制备C/C复合材料致密化研究

研究以天然气为主要碳源气体、渗透深度为60 mm、密度分别为0.20、0.56 g/cm3的整体毡和针刺无纬布预制体的致密化;144 h后,针刺无纬布试样的密度达到1.39 g/cm3;504 h后,整体毡试样密度为1.50 g/cm3,针刺无纬布试样密度为1.71 g/cm3,与丙烯沉积速率相比,至少高出1倍。利用工业CT对试样密度分布进行定性分析。结果表明,随着致密化周期的增加,整体毡试样和针刺无纬布试样的内外密度梯度减小;针刺无纬布的密度梯度比整体毡小,其最终密度接近均匀分布。偏光显微镜观察测试表明,两试样的热解炭结构均为粗糙层,随着高温石墨化(HTT)处理温度的升高,热解炭层变得平直,且炭层之间更加致密。     

C/C喉衬材料烧蚀试验方法研究

C/C喉衬材料的烧蚀性能与原材料性能、工艺过程有很大关系,采用小型试验发动机可有效进行C/C喉衬材料烧蚀性能模拟试验。介绍了3种小型发动机喉衬烧蚀试验方法,并着重分析了一种方形喉衬的试验方法。试验结果表明,该方法适于各类喉衬材料的烧蚀性能对比,尤其适用于径棒法编织的C/C喉衬材料。     

C/C-ZrC-Cu复合材料的微观结构与抗烧蚀性能

采用低温反应熔渗工艺,以Zr_2Cu合金为熔渗金属,在密度为(1.25±0.05) g/cm~3的毡基C/C复合材料中引入ZrC+Cu组分,以提高其抗氧化烧蚀性能。采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM),分析C/C-ZrC-Cu复合材料的相组成与微观结构,在氧-乙炔环境下考核材料的抗烧蚀性能。结果表明,C/C-ZrC-Cu复合材料形成了三维网络状(热解碳+ZrC+Cu)混合基体结构,热解碳可以有效防护高温金属熔体对碳纤维造成的损伤,Zr C和Cu的引入有效改善了抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀120 s后,线烧蚀率从毡基C/C复合材料的9.0×10~(-3)mm/s降低为-1.0×10~(-3)mm/s,主要归因于材料表面形成了相对完整的ZrO_2保护层和Cu的发汗冷却作用,对应的氧化烧蚀机制主要为Zr C、C等氧化引起的热氧化烧蚀和Cu熔化、挥发等引起的热物理烧蚀。     

高超飞行器用C/SiC-ZrC复合材料力学及烧蚀性能研究

以PZC为有机锆先驱体原材料,采用A,B,C三种PIP工艺路线制备了不同ZrC含量的C/Si C-ZrC复合材料,并对C/Si C-ZrC复合材料的组成、微观结构、力学性能、烧蚀性能及作用机理进行了测试和分析。结果表明,有机锆先驱体制备的C/Si C-ZrC复合材料烧蚀性能有大幅提高,但其力学性能却存在一定程度的下降,并且随着ZrC含量的增加,C/SiC复合材料的力学性能呈现出逐渐降低的趋势,其质量烧蚀率和线烧蚀率呈现出先减小后增大的趋势。     

改性先驱体制备C/SiC复合材料性能研究

采用交联剂对聚碳硅烷(PCS)先驱体进行改性,以改性先驱体配置溶液制备了C/SiC复合材料。在制备过程中,由于改性先驱体较高的陶瓷产率,缩短了复合材料基体致密化周期,气孔率降低到7.2%,密度提升到2.01 g/m~3。在改善试样显微结构的同时,改性先驱体能够明显提升C/SiC复合材料力学性能,弯曲强度提高到459.4 MPa,断裂韧性提升到13.6MPa·m~(1/2),相比单组分PCS先驱体分别提高了51.9%和32.0%。烧蚀性能考核表明,试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为8.3×10~(-3) mm/s和4.3×10~(-3) g/s,相比单组分PCS制备的试样分别降低了85.7%和73.1%。通过对试样内部显微结构和考核后形貌进行分析,结果表明试样力学和烧蚀性能的提升主要得益于致密化的基体以及基体对纤维很好的保护作用。     

炭布叠层穿刺C/C复合材料螺栓连接件微观组织和力学性能

以炭布叠层穿刺结构作为预制体,通过热梯度化学气相沉积(TCVI)工艺,制备了C/C复合材料,并沿不同纤维增强方向加工出C/C复合材料螺栓。考虑到机械加工对C/C复合材料性能的损伤,提出了C/C复合材料螺栓力学性能的测试方法,通过自行设计的模具,对所制备连接件的力学性能进行了测试表征,并利用偏光显微镜(PLM)和扫描电子显微镜(SEM),对C/C复合材料螺栓的微观组织结构及断口形貌进行了分析。结果表明,所制备的螺栓具有较好的抗拉和抗剪能力,沿平行于炭布X-Y面方向(xy向)加工的C/C复合材料连接件具有较高的力学性能,螺柱的抗拉强度和剪切强度分别为52.3 MPa和49.8 MPa,圆柱销剪切强度为52.2 MPa。     

C/C复合材料表面烧蚀细观形貌损伤分析

基于C/C复合材料烧蚀表面细观形貌和细观结构上的流场分布规律研究,着重分析了微裂纹尺寸对C/C复合材料中Z向纤维和基体界面上因变温引起的开裂损伤的影响,给出了微裂纹随温度变化的扩展规律及微裂纹特征尺寸随温度变化的表达式;提出了在高温下因变温而造成的损伤模型,为C/C复合材料结构烧蚀计算提供了一种基础性理论。研究结果表明,高温下变温会引起C/C复合材料力学性能的劣化。     

轴编C/C复合材料喉衬的多尺度烧蚀分析方法

针对轴编C/C复合材料的结构形式和烧蚀机理,建立了喷管喉衬烧蚀的多尺度分析方法。通过宏观-微观的渐进分析,获得了喷管喉衬的烧蚀率和烧蚀形貌。数值模型反映了喷管热反应边界均匀反应、流场参数、燃气传质过程和材料微观烧蚀对喉衬烧蚀性能的影响。数值计算结果和实验数据吻合较好,表明所建立的数值模型可有效预测轴编C/C复合材料喉衬的烧蚀性能。     

C/C喉衬近净尺寸制备及性能

采用径向针刺工艺制备了近净尺寸针刺C/C喉衬预制体,通过热梯度CVI和树脂浸渍碳化复合工艺对预制体进行了致密,利用μ-CT、光学显微仪表征了C/C喉衬材料微观孔隙和热解碳织构,分析了喉衬材料的弯曲性能。结果表明,径向针刺过程形成的损伤型孔隙通道与碳源气体传输方向一致,提高了碳源气体传输效率,使径向针刺喉衬CVI增密效率比传统轴向针刺喉衬提高10.9%。预制体近净尺寸成型缩短了烧蚀区域碳源气体的渗透距离,喉衬材料烧蚀区域形成了高织构热解碳,有利于喉衬烧蚀性能的提高。径向针刺喉衬的轴向弯曲强度比轴向针刺喉衬提高150%。     

C/C组合喉衬烧蚀试验方法及微观形貌对比

发展了一种C/C组合喉衬的烧蚀试验方法,采用该方法对C/C原始材料和经过热化学烧蚀后的C/C材料进行含铝工况试验,对比研究粒子对C/C材料表面微观形貌的侵蚀作用。试验表明,该方法能准确反映材料的实际烧蚀性能,确保对比材料烧蚀性能是在同工况下进行,也适用于各类不同喉衬材料的烧蚀性能对比。研究认为,热化学烧蚀起主导作用,有无粒子侵蚀对C/C材料烧蚀率的影响不大;粒子侵蚀对收敛段区域微观形貌影响最为严重,1号试件纤维单丝最尖锐,3号无锥尖形貌,2号呈圆台形貌,喉部区域无铝工况的纤维单丝比含铝工况尖锐;组合喉衬2号和3号因材料表面粗糙度的不同,造成微观形貌和烧蚀率差异,说明经烧蚀后的C/C材料再次烧蚀,其性能大幅下降,材料表面粗糙度越大,烧蚀率越大。     

固体火箭发动机用C/SiC导流管烧蚀性能研究

采用地面试车试验考核了固体火箭发动机用C/SiC导流管的烧蚀性能,并对C/SiC导流管的烧蚀机理进行了探讨。结果表明:导流管轴向线烧蚀率变化较大,沿气流方向呈上升趋势。材料的线烧蚀率从进口处的0.018mm/s增至出口处的0.032mm/s,且导流管中间段烧蚀稳定性明显优于进口段和出口段。同时,C/SiC导流管的烧蚀机制主要是粒子冲刷和机械剥蚀共同作用的结果。