碳-铝复合材料低应力破坏原因探讨

本文主要就碳-铝复合材料的纵向抗拉强度低于混合律估算值,纤维的增强作用不能充分发挥,发生低应力破坏的原因进行探讨。研究了M40/LD_2,T300/LD_2,上碳/LD_2等碳-铝复合材料经液氮深冷—150℃冷热循环处理和不同温度加热真空处理,产生不同程度的界面反应和界面状态所引起抗拉强度的变化。分析探讨碳-铝复合材料发生低应力破坏的原因。 试验结果表明碳-铝复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应,造成碳纤维损伤,生成界面反应层,使纤维与铝基体的界面结合增强。过强的界面结合使裂纹易于向碳纤维内部扩展,造成脆断。界面结合强弱对碳-铝复合材料的破坏过程和抗拉强度有重要影响,控制碳纤维与铝基体的界面结合是获得高性能碳-铝复合材料的关键。通过适当的处理改善界面结合状态可使M40/LD_2复合材料抗拉强度提高25～40％。     

碳毡／碳复合材料的组织与高温退化

用扫描电镜观察碳毡/碳复合材料的断裂样品及在高温真空环境下的烧蚀样品,探讨了其高温下的组织损伤与显微结构的内在联系。结果表明:碳毡/碳复合材料中毡丝随机排列并呈一定的取向,材料表现为准横观各向同性,其组织由浸渍碳基体、CVD 碳致密层和碳丝组成,各周期间产生相互界面,形成环状微裂纹。强度主要来源于 CVD 碳包覆碳纤维结构,浸渍碳组织疏松对强度的贡献少,同时纤维相互搭接形成闭锁网络结构,降低了增强效果。组织的烧蚀受各组分碳的缺陷、致密度影响,浸渍碳最易烧蚀挥发,其次是碳纤维丝,高致密的 CVD 碳最后被烧损。     

碳微球/硼酸镁晶须混杂增强碳泡沫复合材料的性能研究

碳泡沫存在力学性能较差等问题,为改善其综合性能,以航空领域的应用需求为导向,以改性酚醛树脂为碳源,空心碳质微球为分散相,硼酸镁晶须(Mg₂B₂O₅w)为增强相,通过压塑成型–碳化工艺制备了碳微球/Mg₂B₂O₅w混杂增强碳泡沫复合材料。采用扫描电子显微镜、万能试验机等研究了碳质微球与不同质量分数的Mg₂B₂O₅w混杂增强下碳泡沫的力学性能、热氧化性能和电磁屏蔽特性。结果表明,受压过程中,Mg₂B₂O₅w起到裂纹偏转作用和弯弓效应,增加了裂纹扩展路径,Mg₂B₂O₅w与空心碳微球协同作用,提高了碳泡沫复合材料的抗压缩性能;当Mg₂B₂O₅w质量分数为2%时,复合材料的压缩强度达11.8 MPa,较纯...     

碳—碳复合材料的界面层

碳—碳复合材料存在有不同层次的界面层,它影响着材料的力学和物理性能,而界面层的组成和结构,又和纤维表面、基体特性和工艺条件有关。本文从增强纤维、基体碳、裂纹、孔隙和抗氧化涂层几方面来讨论界面层问题。     

不同基体碳对单向C/C复合材料导热性能的影响

研究了不同基体碳结构对C/C复合材料导热性能的影响.结果表明:树脂碳与光滑层热解碳相比,树脂碳与碳纤维C2结合紧密,热处理过程中应力石墨化明显,而光滑层热解碳与碳纤维C2结合疏松,存在明显的界面裂纹,热处理过程中应力石墨化不明显.随着热处理温度的升高,树脂碳基体更有利于材料的热传导.     

不同基体形式对碳-碳复合材料烧蚀性能的影响

前言碳-碳复合材料由于内部有高强度碳纤维的骨架增强,使这种石墨材料在受到热冲击时能阻止裂缝的扩展,因此,作为防热材料应用的碳-碳复合材料,其烧蚀性能与基体形式有着非常密切的联系。美国超高温公司曾研究了纤维随机取向的碳毡、多股丝编织的三维结构以及平纹碳布,石墨布层状基体对复合材料性能的影响。指出,基体中孔隙     

碳/碳销钉研究

碳纤维由混编,软编制成预制体,后经致密化制成C／C销钉复合材料,讨论了编织方法,复合工艺,界面,加工性等影响C／C销钉的因素,高压碳化沥青碳基体与碳纤维界面结合强;纤维体积分数对碳销钉的强度起决定性作用,软编C／C销钉可机加性好,带轴纱4向软编C／C销钉的纤维含量高,剪切强度高达63．7MPa。     

纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料基体裂纹演化影响

采用细观力学方法分析了陶瓷基复合材料在单向拉伸载荷作用下纤维泊松收缩对基体裂纹演化的影响,将库仑摩擦法则与拉梅公式相结合分析复合材料细观应力场,结合临界基体应变能准则以及界面脱粘断裂力学方法确定基体裂纹演化,讨论了界面摩擦系数、纤维泊松比、界面脱粘韧性以及纤维体积百分比等参数对界面脱粘和基体裂纹演化产生的影响,并与常界面剪应力假设下基体裂纹演化进行了对比.      

纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料基体裂纹演化的影响

本文采用细观力学方法分析了陶瓷基复合材料在单向拉伸载荷作用下纤维泊松收缩对基体裂纹演化的影响,将库仑摩擦法则与拉梅公式相结合分析复合材料细观应力场,结合临界基体应变能准则以及界面脱粘断裂力学方法确定基体裂纹演化,讨论了界面摩擦系数、纤维泊松比、界面脱粘韧性以及纤维体积百分比等参数对界面脱粘和基体裂纹演化产生的影响,并与常界面剪应力假设下基体裂纹演化进行了对比。     

抗氧化碳—碳复合材料

碳-碳复合材料的氧化敏感性限制了它的应用。为满足未来航天、空天飞机热结构材料的需要,必须解决碳-碳复合材料的抗氧化问题。改善碳-碳复合材料抗氧化性能的途径包括结构、纤维和基体的改进,目前碳化硅涂层是最有效的方法。     

细编穿刺碳／碳复合材料超高温氧化机理研究

研究了细编穿刺碳／碳复合材料高达３０００℃下的氧化与烧蚀。根据ＸＰＳ,ＳＥＭ和ＸＲＤ对烧蚀产物的微观分析建立了相应的非平衡烧蚀模型,提出了碳氧化的微观机理,探讨了扩散控制和反应动力控制对Ｃ／Ｃ复合材料氧化与烧蚀规律的影响     

ZrB2/C复合材料抗烧蚀性能及微观结构的研究

采用热压法制备ZrB2／C复合材料，利用氧乙炔火焰烧蚀法测试材料的质量烧蚀率和线烧蚀率，采用扫描电镜和X射线衍射分析材料的微观结构及物相变化。研究结果表明：和相同工艺制备的纯石墨材料相比，ZrB2的引入降低了炭材料的质量和线烧蚀率，ZrB2的加入量越大，烧蚀率降低幅度越大，ZrB2引入明显提高了炭材料的抗烧蚀性能；通过微观结构分析，探讨了ZrB2形态和含量对复合材料抗烧蚀性能影响的机理，研究结果展示了此材料作为高温烧蚀材料的良好应用前景。     

碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的性能与微结构

利用前驱体浸渍、裂解方法制备了两种超高温陶瓷基复合材料,并对材料的力学性能进行了评价.采用SEM、EDS表征手段分析了材料复合过程中的微观结构特征,获得了工艺过程中碳纤维、基体、界面特征及其变化规律.结果表明,材料致密化周期减少,热处理时间缩短,对纤维的损伤减轻,能充分提高碳纤维的强度利用率,从而提高材料的力学性能.     

混杂难熔金属C/C复合材料中金属与碳反应初步研究

研究了碳纤维难熔金属纤维混杂增强碳基体复合材料中难熔金属与碳之间的化学反应.结果表明,条件不同,难熔金属W丝、Ta丝与不同形式碳的反应程度、反应产物及结构有很大的区别.低温区,难熔金属与碳不发生明显化学反应,中温区W丝可与气态的碳氢气体发生轻微化学反应,高温区W丝、Ta丝可与固态沥青碳以及碳纤维发生反应.通过控制反应条件,可以得到难熔金属纤维碳纤维混杂增强碳基体、含难熔金属碳化物的难熔金属纤维碳纤维混杂增强碳基体和难熔金属碳化物纤维碳纤维混杂增强碳基体复合材料.     

碳/碳复合材料导热性能的研究

对碳/碳复合材料在不同温度下的导热性能进行了研究。研究发现了碳/碳复合材料的导热机理介于金属材料和非金属材料之间,既有声子导热,又有电子导热。在实验温度范围内,导热系数随温度升高而增大。随碳/碳复合材料石墨化程度的增大,晶体微观结构渐趋完整,石墨片层的有序度增加,材料的导热性能增强。对于高密度的碳/碳复合材料,因为晶粒间联通状态良好,热传导载体运动的路径畅通,所以导热系数高。碳纤维及围绕纤维生长的热解碳是热传导的有效通道,所以沿纤维增强方向的导热系数高。     

防止 C/C 复合材料氧化的 MoSi2/SiC 双相涂层系统的研究

 由固相扩散-浸渗处理制备了防止碳/碳复合材料氧化的MoSi2/SiC双相涂层。通过对涂层的结构、成份以及氧化机理的研究表明，MoSi2/SiC双相涂层由内层为β-SiC和外层为MoSi2/SiC双相层构成，具有优异的高温抗氧化性能。     

玄碳混杂增强树脂基复合材料混杂比优化设计

对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强树脂基复合材料最优混杂比范围进行研究。以碳纤维与玄武岩纤维平纹织物为增强体,制备9种具有不同混杂比的混杂纤维复合材料(Hybrid Fiber Reinforced Polymer,HFRP)试样,并进行拉伸实验。依据平纹织物结构特点,计算得出平纹织物单胞性能参数,在ANSYS中,以SHELL181壳单元体建立HFRP有限元模型。该模型对试样刚度的模拟值与实验值近似。分析模型受力时的应力云图发现,存在将HFRP破坏形式分为一次破坏与二次破坏的临界混杂比。有限元模拟研究树脂含量为45%时,不同混杂比的HFRP刚度、强度和拉伸极限应变。当混杂比为60%时,可保证HFRP强度无折减的情况下,较玄武岩复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)刚度提高93.4%,较碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)拉伸极限应变提高11.3%。     

G/C纬向混杂浅交弯联三维机织复合材料的低速冲击性能

为了研究纤维混杂对三维机织复合材料低速冲击性能的影响,本文基于同一种浅交弯联三维机织结构制备成型了全碳纤维(T700)和玻璃/碳纤维(E-glass/T700)纬向混杂两种不同的复合材料。以上述两种复合材料为研究对象进行低速冲击实验,试验时设定冲击能量分别为10、23和40 J。结果表明:在不超过40 J的冲击能量下,两种复合材料均未被冲破;在三种冲击能量下,混杂材料的峰值力均小于全碳材料,其吸收能量、最大位移均大于全碳材料。在10和23 J的冲击能量下,混杂材料的损伤程度小于全碳材料;但当冲击能量达到40 J时,混杂材料的损伤程度大于全碳材料。     

混杂纤维复合材料吸湿行为研究

 本文采用80℃水浸的方法,研究了不同类型混杂复合材料层压板的吸湿行为,找到描述混杂复合材料吸湿规律方程。同时,从理论上对混杂复合材料的平衡吸湿量及湿扩散系数进行了分析,建立了数学表达式,理论与实验较好吻合。     

Microstructure,thermophysical property and ablation behavior of high thermal conductivity carbon/carbon composites after heat-treatment

Uni-directional carbon/carbon composites with high thermal conductivity are suitable to supply continuous thermal protection for future reentry vehicles since they could reduce surface temperature and ablation rates simultaneously in harsh environments. In this work, the high thermal conductivity carbon/carbon composites were prepared by chemical vapor infiltration. After heat-treatment, both their open porosity and internal friction increase due to the fiber/matrix thermal expansion mismatch; while their thermal conductive performance become better due to more complete carbon structure. With raising heat-treatment temperature from 1800 °C to 2450 °C, the mass and linear ablation rates of C/C composites with fibers vertical to the oxyacetylene torch for 60 s decrease from 0.66 mg/s and 2.95 μm/s to 0.51 mg/s and 2.05 μm/s respectively. The improved ablation resistance is resulted from the increased thermal conductivity from 282 to 508 W/(m·K) and more carbon fibers exposed to the flame during ablation, which have better oxidation resistance than those of carbon matrix. While such ablation rates become larger for composites with fibers parallel to the flame, from 1.02 mg/s and 3.73 μm/s to 1.28 mg/s and 5.01 μm/s respectively since the ablation occurred more easily through gaps at the fiber/matrix interfaces, which become larger and are always exposed to the flame for this case.