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。     

C/C复合材料界面影响下的宏观拉伸强度模拟

C/C复合材料的宏观强度是由纤维束强度起主导作用,而纤维束强度受纤维/基体界面剪切强度影响.本文建立了界面剪切强度影响下的纤维束强度计算模型,用以计算纤维束或碳布强度.针对细编穿刺C/C复合材料利用其周期性结构单胞,纤维柬和碳布采用Tsai-Wu准则,基体采用最大应力准则,纤维束/基体界面采用内聚力单元,并对其采用二次应力准则,将单胞施加周期性边界条件,计算了纤维束/基体界面处于弱界面剪切强度并与纤维/基体界面剪切强度在一定比例协同变化时的材料宏观拉伸强度,分析了材料的破坏模式.通过计算结果表明:材料宏观拉伸强度会随两类界面剪切强度的协同增加而增加.     

二维C/C复合材料高温力学、热物理性能研究

研究了二维C/C(2D -C/C)复合材料在高温下层剪强度、弯曲强度和模量、热导率和线膨胀系数的变化规律。结果表明 ,所制得的 2D -C/C复合材料的层剪强度随温度的升高变化不大、弯曲强度随测试温度的升高而增加 ;2 0 0 0℃的层剪强度、弯曲强度分别达到 1 4 .8MPa和 2 2 7.4MPa ,较室温分别提高了9.6 %和 6 0 %。弯曲模量在 1 0 0 0℃时增加到 39.4GPa ,在 2 0 0 0℃则下降 ,低于室温数值。 2D -C/C复合材料的热导率、线膨胀系数在z向和x -y向都具有明显的各向异性。未石墨化 2D -C/C复合材料 2 0 0℃的z向热导率是 4 .4 1W / (m·K) ,且随温度的升高而增加 ;而石墨化 2D -C/C复合材料 2 0 0℃的z向、x -y向热导率分别是 1 8.0 2W / (m·K)和 73.2 9W / (m·K) ,随温度的升高而下降。 2D -C/C复合材料在z向的线膨胀系数较大 ,80 0℃以内在 8× 1 0 - 6 /K～ 1 0× 1 0 - 6 /K之间 ;而在x -y向线膨胀系数在 80 0℃以内都很小 ,基本上接近于零     

浆料浸渍结合反应熔渗法制备2D C/SiC-Zr B_2复合材料

利用XRD,SEM,EDS研究浆料浸渍结合反应熔渗法制备2D C/SiC-ZrB2复合材料的组成与结构,并测定了复合材料的弯曲强度.结果表明:采用单向加压依次渗入ZrB2微粉和酚醛树脂,能很好地将ZrB2微粉和树脂渗入到纤维束间,但熔融Si难以渗入到试样内部,复合材料的开气孔率和室温弯曲强度分别为18.3%和110MPa.采用ZrB2浆料真空浸渍,沉积碳基体后进行熔融渗Si,复合材料的开气孔率和室温弯曲强度分别为5.5%和230MPa.     

界面层对SiC_f/SiC复合材料力学性能及氧化行为的影响

为研究界面层对SiC_f/SiC复合材料力学性能及氧化行为的影响,采用先驱体浸渍裂解工艺制备了3种不同界面层体系的SiC_f/SiC复合材料。3种界面层分别为热解碳(PyC)、PyC+BN-Ⅰ和PyC+BN-Ⅱ(其中BN-Ⅰ表示B质量分数大约2%,BN-Ⅱ表示B质量分数大约20%)。研究表明,具有PyC界面层的SiC_f/SiC复合材料常温力学性能最高,其常温弯曲强度达到380MPa,而双界面层体系中,SiC_f/SiC复合材料常温弯曲强度分别为282MPa(PyC+BN-Ⅰ)和259MPa(PyC+BN-Ⅱ)。1200℃氧化试验表明,具有PyC+BN-Ⅱ界面层的SiC_f/SiC复合材料弯曲强度保留率最高,为54%。3种不同界面层体系的SiC_f/SiC复合材料在氧化后均表现为脆性断裂。微观结构显示,界面和纤维被氧化是导致材料最终失效的原因;能谱分析表明,具有PyC+BN-Ⅰ和PyC+BN-Ⅱ界面层的SiC_f/SiC复合材料纤维内部未检测到O原子存在,证实BN有保护纤维的作用。     

固体冲压发动机喷管用C/C-SiC复合材料

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺制备固体冲压发动机用C/C-SiC复合材料喷管内层,综合考查复合材料的微观结构、弯曲性能和抗烧蚀性能以及固冲发动机C/C-SiC喷管内层水压和点火实验。结果表明:复合材料的弯曲强度达到197 MPa,且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式;复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,氧化烧蚀200 s后线烧蚀率仅为0.0063 mm·s-1;研制的C/C-SiC复合材料构件的水压爆破压强为6.5 MPa,表明构件具有良好的整体承载能力;C/C-SiC复合材料喷管内层高温综合性能通过了固体冲压发动机点火实验考核。     

ZrC/SiC多组元改性C/C复合材料的制备及性能研究

以炭毡作为纤维增强体,采用化学气相渗透工艺研制出低密度的C/C复合材料,进而以低密度炭/炭复合材料为预制体,采用聚碳硅烷和有机锆前驱体作为复相陶瓷前驱体,采用先驱体浸渍裂解工艺成功制备出ZrC/SiC多组元改性C/C复合材料试样。借助万能电子试验机和扫描电镜进行材料的力学性能和微观结构分析。结果表明:包含ZrC颗粒的SiC相双组元弥散分布在C/C复合材料基体中,且随着前驱体中有机锆含量的增加,力学性能出现先升后降的趋势,当有机锆前驱体质量分数为25%时,改性C/C复合材料弯曲强度和弯曲模量较优,分别为240.61MPa和17.25GPa。     

PIP 工艺对2D C/ SiC-ZrB2 复合材料结构和力学性能的影响

采用CVI结合SI及PIP工艺制备2D C/SiC-ZrB2复合材料.研究了PIP工艺中循环浸渍次数及热处理对复合材料结构和力学性能的影响.比较了多孔C/SiC浸渍浆料后用PIP结合CVI致密化和仅用CVI致密化的效果.结果表明:浸渍裂解后,热处理温度相同,热处理次数对复合材料的开孔率和弯曲强度影响不大.2D C/SiC-ZrB2复合材料的弯曲强度不随PIP次数的增多而增加,PIP处理二次后,复合材料的强度逐渐增加,PIP处理五次,强度达到最大值,制备的复合材料开孔率为8.0%、弯曲强度为423 MPa.SI后用PIP结合CVI致密化比仅用CVI致密化效果好.     

热压压力对B/Al复合材料组织结构及力学性能的影响

使用表面覆有B4C涂层的硼纤维，采用大气等离子喷涂法制备连续硼纤维增强铝基复合材料预制片，结合真空热压扩散焊制备了纤维均匀分布的B／Al复合材料。探讨在接近铝基体熔点温度的条件下热压压力对复合材料力学性能与B／Al界面结合的影响，分析了B／Al界面结合状态与断口形貌及力学性能之间的关系。研究表明：热压压力对制备的B／Al复合材料的纤维体积分数、B纤维与Al基体的界面结合状态和拉伸强度有显著的影响；纤维表面的B4c涂层有效地防止了B纤维与Al基体间的界面反应，在温度6500C、压力10MPa的条件下，制备的纤维体积分数为42％的B／Al复合材料拉伸强度达到968MPa，达到了纤维理想强度的77％。     

不同针刺预制体结构对C/ C 复合材料力学性能的影响

在斜纹碳布/碳纤维网胎、无纬布正交/碳纤维网胎针刺圆筒预制体的基础上,通过在其结构中增加角度缠绕连续纤维,设计和研制了新型结构针刺预制体,并对比研究了不同针刺预制体结构对圆筒C/C复合材料力学性能的影响.结果表明,无纬布正交铺层针刺C/C复合材料的层剪、轴向拉伸强度都高于斜纹碳布增强针刺C/C材料,其中轴向拉伸强度达到157.0 MPa,提高了83.0％;其层剪、轴向拉伸强度均有所提高,其最大分别可达到11.68和179.0 MPa,分别提高了22.6％和14％.     

熔融渗硅对不同类型C/C复合材料微观结构及性能的影响

选用了三种不同结构的C/C多孔体进行液硅熔渗,采用扫描电镜、X-射线衍射、微纳CT、压汞等方法表征了熔渗前后材料的微观形貌、物相组成及孔隙结构。结果表明,熔渗后材料显气孔率均小于2%,实解碳进行保护,熔渗后其弯曲强度分别提高到1.5倍与2.5倍,而纤维未被保护的C/C多孔体熔渗后弯曲强度降低41%。     

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。     

抗氧化C/C复合材料超高温氧化性能分析

通过在C/C复合材料内部引入难熔金属化合物,制备出一种超高温抗氧化C/C复合材料。采用高频等离子体风洞对材料进行了超高温氧化试验。结果表明超高温抗氧化C/C复合材料的抗氧化性能较纯C/C复合材料有明显提高,通过其表面形貌及断口面扫描电镜分析,难熔金属化合物起到氧化阻挡层和内部涂层作用。     

国内碳／碳复合材料高温抗氧化涂层研究新进展

重点阐述国内近几年来碳/碳复合材料抗氧化涂层的研究新进展,总结碳/碳复合材料高温抗氧化涂层制备新工艺和对已有工艺的改进方法,结合碳/碳复合材料的应用背景对抗氧化涂层的发展趋势进行展望.指出目前的研究结果尚达不到严酷环境下的应用要求,下一阶段碳/碳复合材料高温抗氧化涂层将重点解决室温至1700℃全温度段和高温燃气高速冲刷环境下对碳/碳复合材料的氧化保护问题,降低涂层制备成本的同时,开发可长时间应用于1800℃的高温涂层.     

C/C复合材料刹车盘的模具设计

采用短乱纤维压制成形,应用树脂法与CVD法复合工艺提高碳盘密度是国外最先进的生产工艺之一,而压制成形是该工艺的关键工装,本文介绍了压制成形模具的设计原理。     

碳/ 碳复合材料机械加工残余应力实验研究与规律分析

采用适宜于测试复合材料的残余应力测试方法——钻孔法,通过二次通用旋转组合设计实验,采用电镀金刚石刀具铣磨加工碳/碳复合材料,选取切削深度、切削宽度、切削速率、进给量四个因素进行实验.实验结果分析表明,回归得到基于二次多项式的数学模型,进一步分析了残余应力随各加工参数的变化规律,整体寻优得到了残余应力的极值.研究表明,铣磨加工碳/碳复合材料,残余应力皆为压应力.伴随着切削速率的增长,残余应力存在渐进值.本次实验中,残余应力趋于-16 MPa稳定.伴随着切削宽度、切削深度、进给量的增大,机械加工残余应力表现为先增大后减小(压应力即残余应力的绝对值先减小后增大).本次实验中,各加工参数的变化分界点分别为:切削宽度aw=6mm;切削深度ap=0.5 mm;进给量f=200 mm/min .     

碳/碳复合材料吸油和去油特性研究

以航空十号液压油(YH-10)为介质研究了碳/碳复合材料的吸油和去油特性,提出了其吸油机理,确定了吸油和去油过程中试环内油含量与时间关系的拟合方程。通过实验表明,在室温下碳/碳复合材料在浸油开始阶段随着时间的延长吸油率迅速上升,随后增加缓慢,最后趋于饱和并不再变化,饱和吸油率为4％左右。在去油过程中,碳/碳复合材料残油率受温度、时间和加热方式控制,而温度和加热方式是主导因素。在一定温度下,材料残油率随时间基本呈线性降低。当温度由100℃提高到150℃,残油率减小不大,而在200℃时残油率大幅度降低。200℃以上的温度是去除其油液的合适温度。微波炉加热较烘箱保温具有更好的去油效果。采用偏光显微镜和扫描电镜分析了碳/碳复合材料浸油和去油后的微观组织。     

难熔化合物掺杂C/C复合材料的裂纹扩展及断裂模式分析

利用场发射扫描电镜对难熔化合物掺杂C／C复合材料进行了原位三点弯曲测试，在线观测了裂纹的扩展模式和缺陷的演化规律，并结合OM、SEM和TEM所表征的微观结构，揭示了材料的断裂机理。结果表明：难熔化合物掺杂C／C复合材料的断裂以“弱界面断裂”为主，裂纹优先在基体碳、碳布层间及纤维束搭接处等薄弱环节中产生，成为材料的初始破坏面，随着载荷的增加，裂纹沿着薄弱界面进行扩展，形成贯穿性的大裂纹，并导致材料最终失效。     

C/C机织复合材料开孔板强度有限元模拟

三维机织复合材料已在航空航天领域得到广泛应用,研究开孔C/C机织复合材料在拉伸和压缩状态下的损伤机理具有重要工程价值。建立开孔C/C三向正交机织复合材料试验件的镶嵌有限元模型,在孔周范围内按照材料的细观结构建立细观尺度有限元模型,采用基于细观力学的强度准则对其拉伸和压缩损伤演化过程进行模拟,并预测其极限拉伸、压缩载荷和拉伸、压缩强度。结果表明:在拉伸与压缩载荷下,由于缝线与纤维束接触区域的应力集中,使得开孔板经纱多处区域出现损伤起始,开孔板损伤区域均呈"X"形扩展。     

C/C复合材料抗氧化研究进展

结合国内外近年的研究报道，分别对抗氧化涂层技术以及基体改性技术进行了介绍。重点阐述抗氧化涂层的基本要求、各涂层体系及制备方法。提出了对于C／C复合材料高温氧化保护研究方向的一些看法，阐明了其发展趋势及前景。