高导热C/ C 复合材料的发展现状

高导热C/ C 复合材料具有高热导率、低密度、低热胀系数和高温下高强度等性能,成为近年来最
具发展前景的散热材料之一。本文综述了国内外高导热C/ C 复合材料的发展现状,分析了C/ C 复合材料的热
物理性能及影响其热导率的因素,介绍了C/ C 复合材料的导热机理、碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热
C/ C 复合材料的制备和改性等。     

C/C 复合材料的高温抗氧化防护研究进展

C/ C 复合材料在高温有氧环境中易氧化的缺点一定程度上影响了它在航空航天领域的应用与推
广,抗氧化涂层技术是提高其高温长时间抗氧化性能最直接有效的方法。本文综述了近年来国内外C/ C 复合
材料高温抗氧化涂层在玻璃、贵金属、陶瓷等涂层体系方面的最新研究成果;在分析介绍C/ C 高温抗氧化涂层
传统制备工艺优缺点及应用情况的基础上,进一步总结了高温抗氧化涂层制备技术最新研究进展;并对已开发
的抗氧化涂层体系适用环境及应用现状进行了深入的评述。最后针对C/ C 复合材料1 800℃以上的超高温抗
氧化防护问题,指出了目前研究中存在的问题及未来应重点努力发展的方向。     

单向C/C复合材料高温氧化环境力学性能试验

为研究高温氧化环境单向C/C复合材料力学特性,对C/C复合材料单向板开展了700 ℃和900 ℃的氧化试验以及室温、700 ℃和900 ℃的拉伸试验。结果表明:无涂层单向C/C复合材料在相同温度下,失重率随着氧化时间的增加而增大,在相同氧化时间内,温度越高,氧化失重率越大;无涂层单向C/C复合材料在700 ℃氧化4 h后失重率为83.78%,有涂层单向C/C复合材料700 ℃氧化4 h后的氧化失重率为1.17%;有涂层单向C/C复合材料在700 ℃的力学性能高于室温,室温和700 ℃的应力应变曲线均呈线性;氧化后的试验件的应力/应变曲线呈明显非线性;相同温度下,材料的力学性能随着氧化时间的增加而降低;相同时间内,温度越高,材料的拉伸强度退化的越剧烈。建立了一种考虑氧化速率的C/C复合材料高温氧化环境力学性能退化模型,拟合得到了无涂层单向C/C复合材料700 ℃和900 ℃拉伸强度随氧化时间的变化曲线,并外推计算得到了无氧化时的单向C/C复合材料700 ℃的拉伸强度,得到了良好的预测效果。      

C/C复合材料的纳米压痕实验及其性能分析

采用纳米压痕技术研究了不同石墨化温度和混合基体碳的C/C复合材料的性能。结果表明：石墨化温度为2 500 ℃的C/C复合材料的模量比石墨化温度为2 300 ℃的纳米压痕模量降低了10%;纳米压痕法测得热解碳、树脂碳和沥青碳混合基体的C/C复合材料中的树脂碳模量最高,热解碳的次之,沥青碳的最低;通过对纳米压痕载荷位移曲线进行非线性拟合,经过有限元计算最终得到C/C复合材料微观组元的表面断裂韧度为0.492 MPa?m^1/2。     

C/C复合材料与金属连接及接头力学性能测试

对C/C 复合材料与铜合金的真空钎焊方法进行了介绍,着重列出了近年来出现的活性钎料及相关的焊接工艺参数,并将VIB元素对C/C复合材料表面的改性效果作了对照;介绍了银基活性钎料连接 C/C复合材料与钛合金技术,对该过程钎料和母材相互扩散机理做了描述;概述了C/C复合材料和铝合金、镍和不锈钢金属的粘结及钎焊工艺,列出了 C/C 复合材料与金属接头的剪切强度、冲击热应力等的测试方法.     

不同T300 级碳纤维轴棒法C/ C 复合材料的导热性能

选取两种国产T300级PAN基碳纤维,轴棒法制备4D预制体,以高温煤沥青为前驱体,采用液相浸渍-炭化以及石墨化相结合的技术制备C/C复合材料(密度≥1.95 g/cm<'3>),研究了C/C复合材料从室温(RT)到800℃的热导率及其影响因素.研究表明,在实验温度范围内C/C复合材料的热导率随温度升高而降低,由于原材料自身特性和预制体编织结构具有方向性,使C/C复合材料的导热性能表现出各向异性,径向热导率明显高于轴向;密度高、开孔率小、石墨化程度高的C/C复合材料由于晶粒间连通状态好,微晶结构趋于完整,材料的热导率增大;以低压热处理为最终处理工艺的C/C复合材料热导率略有提高;采用国产T300级与东丽,1300碳纤维制备的C/C复合材料的热导率相当.     

C/C复合材料微波水热浸渍H_3PO_4改性研究

以磷酸为填充液与改性剂,采用微波水热法对碳/碳(C/C)复合材料进行了抗氧化改性。主要研究了微波水热反应温度、时间对改性C/C复合材料的结构及抗氧化性能的影响。研究结果表明:浸渍磷酸后材料抗氧化性能得到明显改善,微波水热改性是提高C/C复合材料抗氧化性能的一种有效途径;复合材料的抗氧化性能在120~210℃的水热改性范围内随着温度的升高而提高;经4h水热处理后材料的抗氧化性能达最佳;在210℃/4h微波水热处理后的C/C复合材料在700℃的空气气氛中氧化10h后的质量损失为9.47%,相对未改性的C/C复合材料抗氧化效果明显增加。     

C含量对第二代单晶高温合金组织的影响

在高温度梯度真空定向凝固炉中,制备不同C含量的单晶高温合金,研究不同C含量对第二代单晶高温合金显微组织的影响。结果表明:C含量对合金枝晶间距的影响较小;随着C含量增加,共晶含量和尺寸减小,碳化物含量增加,其形貌由块状向骨架状、汉字状转变;随着C含量增加,Ta元素枝晶偏析减轻,Re,W,Mo,Nb元素枝晶偏析加重;C含量对铸态和热处理γ'相尺寸和形貌影响较小;热处理后碳化物的形貌无明显变化。     

C/C复合材料比热容和热扩散率的研究

研究了C/C复合材料的比热容、热扩散率及其影响因素。研究表明,C/C复合材料的比热容随着温度的升高而增大,在1 300 K时比热容达到最大值1.8 kJ/(kg.K),之后随着温度的升高,比热容保持恒定;C/C复合材料的热扩散率随着温度的升高而降低,碳纤维的取向与热传导方向一致时热扩散率最高;石墨化度高,热扩散率高;C/C复合材料的热扩散率随着材料密度的增加而增大。     

碳／碳化硅复合材料摩擦磨损性能分析

采用化学气相渗透法制备了碳纤维增强碳化硅(C/C SiC)陶瓷基复合材料,得到不同密度和组分含量的C/C SiC刹车盘试样。对C/C SiC复合材料进行了摩擦磨损性能测试,平均摩擦系数达到 0 23,摩擦稳定性达到0 43,线性磨损率为 9 3μm/次·面,质量磨损率为 2 6mg/次·面。当C/C SiC复合材料的密度增大 (1 6g·cm-3→2 2g·cm-3 ),碳含量增大(35%→55% ),摩擦系数和稳定性提高(约 70% ),且摩擦系数随制动次数增加的波动幅度减小;SiC含量升高则反之。C/C SiC复合材料经过多次刹停测试,摩擦系数对制动次数不敏感,表现出良好的摩擦稳定性。经过连续刹车试验,摩擦系数不随表面的起始和最终温度升高而衰退,材料尚无热衰竭趋势。对C/C SiC刹车盘试样的磨损表面形貌及缺陷进行了观察,发现表面磨损质量在航标允许范围内。     

超高温抗氧化碳陶复合材料研究进展

综述了国内外近年来陶瓷涂层抗氧化改性C/ C 复合材料和陶瓷基体抗氧化C/ C 复合材料研究

与应用的新进展, 主要包括1 800℃以下、1 800 ~2 200℃和2 200℃以上不同使用温度范围的抗氧化陶瓷涂层

以及SiC 陶瓷和超高温陶瓷基体改性复合材料。指出了目前高超声速飞行器2 200℃以上超高温抗氧化热防

护材料研究中存在的问题,提出了今后研究的方向。

     

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C919大型客机首架机前机身大部段在上海交付;C919大型客机中机身／中央翼，副翼部段在西飞交付;C919大型客机首架机机头部段、中后机身部段相继下线;ARJ21-700飞机104架机顺利完成风挡除雾局方审定试飞     

黏胶丝基碳布增强C/C复合材料研究

采用黏胶丝基碳布进行了二维层板C/C复合材料研究。和PAN基碳布进行对比,分别从碳纤维微观结构、表面形貌、碳布物理性能、树脂基复合材料炭化过程残余热应力模拟、C/C复合材料力学和热物理性能表征等方面进行了对比分析和研究。结果表明,2 200℃处理的黏胶丝基碳纤维是非石墨化结构;纤维横断面呈腰子形,碳布纬向纱弯曲。黏胶丝基碳纤维的密度仅1．39 g/cm~3;拉伸模量很低,约50 GPa。炭化过程研究表明,黏胶丝基碳纤维轴向具有持续的正的线膨胀行为,在炭化初期与酚醛树脂的膨胀行为相一致;黏胶丝基碳布增强树脂基材料在800℃的面内自由热应变是PAN基材料的1/8;模拟的炭化过程热应力是PAN基材料的1/60。黏胶丝基C/C层板材料的层剪强度高于PAN基C/C复合材料,达到16．2 MPa;其拉伸强度为46．6 MPa,弯曲强度高达95．5 MPa,拉伸模量与弯曲模量基本一致,约10 GPa。黏胶丝基C/C复合材料在800℃的热导率是6．48 W/(m·K),与PAN基C/C复合材料非常接近;在800℃的线膨胀系数是2．18×10~(-6)/ K,远高于PAN基C/C复合材料的-0．387×10~(-6)/K。总之,黏胶丝基碳纤维由于其表粗糙度大、碳布纬向纱弯曲、极低的拉伸模量、正的轴向线膨胀系数,因而C/C复合材料层剪强度高,成型工艺中热应力低,较PAN基碳纤维更适合于研制不分层的二维C/C复合材料。     

飞机碳/碳复合刹车材料制备工艺

飞机C/C复合刹车材料的出现标志着航空刹车系统的重大变革。本文通过C/C复合刹车材料制备工艺试验研究,确定选用压差法CVD工艺;该工艺选用吉林炭素厂碳布、纯度≥95％的丙烯沉积气和普通氨稀释气体,得到沉积温度>700℃、炉压<8000Pa等最佳的工艺参数;并阐述了碳布叠层夹角及高温热处理在沉积过程中的重要作用。     

定向渗积快速制备C/C复合材料力学性能的研究

以天然气作为气源采用自行研发的C/C复合材料快速制备新技术制备C/C复合材料样件,测试分析了新工艺制备C/C复合材料的力学性能,并与以丙烯为炭源气采用传统等温等压CVI工艺制备C/C复合材料的力学性能进行了对比。研究结果表明:相比于传统工艺,采用新工艺制备C/C复合材料的拉伸强度和模量分别提高了12.0%和20.1%;垂直弯曲强度和模量分别提高了11.7%和12.4%。     

C/C-Cu复合材料的烧蚀形貌和烧蚀机理

以PAN预氧化纤维整体毡为增强体,经碳化、等温CVI致密化后制备多孔的C/C复合材料预制体,利用气体压力浸渗法将Cu引入C/C预制体中制备C/C-Cu复合材料。采用氢氧(H2-O2)焰考核C/C-Cu复合材料的烧蚀性能,经扫描电镜和电子能谱对不同烧蚀区域的微观结构和成分进行分析,结果表明:预制体密度为0.96 g/cm3的C/C-Cu复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为4.75μm/s、0.223 mg/s,烧蚀性能优良;其烧蚀表面具有不同的宏观形貌,在烧蚀中心区产生了明显的凹坑,主要烧蚀机制为C/C预制体的氧化和铜基体的机械冲刷;烧蚀过渡区聚集了大量的铜基体,其烧蚀机制为Cu的热氧化和机械冲刷;烧蚀边缘区材料表面变黑,主要因为C/C的氧化。为了提高C/C-Cu的烧蚀性能,需要发挥C/C预制体的"钉扎"作用,阻止Cu在高温下被气流冲刷而发生流动。     

基于 SAM 的不锈钢点焊接头无损检测

运用超声波扫描显微镜(SAM)对1 mm厚SUS304不锈钢薄板点焊接头进行无损检测,分析不同焊接工艺条件下的C扫描图像,并对C扫描图像各特征区域的A扫描信号进行采集、分析,研究两者间的对应关系,通过超声波C扫描成像法对焊核直径进行测量。结果表明:超声波扫描显微镜可以检测不锈钢点焊接头缺陷,并通过C扫描图像区分缺陷类型;在电极压力为0.15 MPa、焊接电流大于8 k A时,C扫描图像可以清楚的反映飞溅、过烧等缺陷;C扫描图像各特征区域表现出不同的A扫描信号特征;基于超声波C扫描测量的焊核直径为4.39~5.25 mm。     

针刺C/C复合材料高温力学性能

文摘采用材料超高温力学性能设备及高温应变测试系统,对针刺C/C复合材料拉伸、压缩性能进行了研究。结果表明:针刺C/C复合材料具有明显的拉、压双模量特性,拉、压模量均随着温度的升高而线性下降,且拉伸模量下降更快;针刺C/C复合材料拉伸、压缩强度均随温度升高而先升高后降低,1 600℃时拉伸强度达到最大值,1 200℃时压缩强度达到最大值;其拉伸破坏为脆性断裂,断口呈现45°豁口;其压缩破坏为典型剪应力引起的压缩失效,破坏面倾角为40°~50°。     

工业动态

<正>西飞成功交付C919飞机翼身组合体2月25日,中航工业西飞完成了C919大型客机翼身组合体各大部段对接并顺利实现交付,这标志着C919飞机翼身组合体综合验证项目已由机体结构制造阶段转入试验阶段。据悉,首架C919飞机将于2014年进入总装阶段,预计2015年实现首飞。     

C/ C-Cu 复合材料的烧蚀性能

以聚丙烯腈预氧化纤维针刺毡为预制体,经碳化后采用CVI和树脂浸渍(IR)工艺制备出不同密度的多孔C/C预制件,然后采用气体压力浸渗方法制备了C/C-Cu复合材料.采用氢氧(H2-O2)焰对C/C-Cu的烧蚀性能进行测试考核.结果表明:以密度为0.99 g/cm3的C/C预制件制备出的C/C-Cu复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均小于密度为1.9 g/cm3的C/C复合材料,其烧蚀性能良好;在烧蚀过程中C/C-Cu的铜基体的熔化吸收了大量的热量,降低了材料的表面温度,提高了材料的抗烧蚀性能;烧蚀机制主要是热氧化烧蚀和机械冲刷的综合作用.