一种新型滑撬用针刺C/C复合材料制备与性能研究

研制一种新型滑撬用低成本“铺层-针刺”C/C复合材料,分析了其力学性能、热学性能和微观结构,并与现有国外滑撬用C/C复合材料进行了比较。结果表明,研制的C/C复合材料的力学性能、热性能优良,其层间剪切强度、压缩强度和冲击强度分别达到26.98 MPa、255.8 MPa和361.06 J/m,与国外同类材料相比,分别高96.4%、80.1%和262.2%,热导率提高约50%,线胀系数降低约60%以上,有效提高了抗热震性能和高温工作的可靠性。     

液体火箭发动机喷管延伸段C/C-SiC复合材料的性能

采用化学气相渗透(CVI)和液相浸渍裂解(PIP)混合工艺制备出三维针刺C/C-SiC(材料A、B)和C/C(材料C)复合材料,研究了复合材料的力学、抗热震和耐烧蚀等性能以及SiC涂层对烧蚀性能的影响,并采用扫描电子显微镜分析了材料的断裂面和烧蚀面形貌。结果表明,材料A(SiC基体含量较高)的性能较好,其弯曲强度、线烧蚀率及抗热震系数分别达到238.4 MPa、3.0×10~(-3)mm/s和35.3 kW/m。沉积SiC涂层后,材料A、B和C的线烧蚀率较之前分别降低33.0%、12.5%和37.5%。采用材料A+SiC涂层方案研制的喷管延伸段构件,进行780 s地面热试车考核,试车后构件结构完整。     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。     

C/C复合材料高温热物理性能实验研究

实验研究了烧蚀防热C／C复合材料从常温到高温的等效热膨胀系数、热扩散率、比热随温度的变化情况，并计算了材料不同温度下的热导率与抗热应力系数。结果表明：材料的热膨胀系数很小，接近零膨胀。热扩散率随温度升高而下降，比热随温度升高近似比例增加，而热导率随温度的变化规律与热扩散率相似。材料的抗热应力系数随温度的升高变化不大，抗热震性能稳定。     

一种C/C密封材料的设计与性能表征

设计并制备了一种C/C密封材料。该材料以针刺无纬布为预制体,依次进行了CVD炭、树脂炭和沥青炭致密,中间热处理温度为2 500℃,最终进行封孔不透性改性处理。所得材料的综合性能良好,其密度1.92 g/cm3,开孔率0.06%,肖氏硬度77,轴向压缩强度232 MPa,轴向弯曲强度158 MPa,并成功通过多次冷试和热试考核。     

高温热处理与C/C复合材料性能关系研究

采用整体炭毡为增强坯体,经过化学气相渗透(CVI)及树脂浸渍/炭化(PIC)工艺制备成整体毡C/C复合材料样品,对样品连续进行了3次2 500℃以上的高温热处理(HTT)。材料性能测试结果表明,3次HTT后材料z向抗拉强度由16.7MPa下降到8.87MPa,抗压强度由129.0MPa下降到72.7MPa,抗弯强度由35.7MPa下降到17.6MPa,抗剪强度由34.4MPa下降到18.7MPa;xy向室温(RT)~1 000℃的平均线膨胀系数由1.55×10-6K-1降低到1.13×10-6K-1;800℃的热导率由106.91 W/(m.K)降低到61.27 W/(m.K),比定压热容由2.56 kJ/(kg.K)下降到1.93 kJ/(kg.K);z向变化趋势基本相同。     

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.     

石墨粉对LSI法制备C/C-SiC复合材料性能的影响

在酚醛树脂中添加石墨粉,采用模压法制备出CFRP材料,在不同温度热解转化为C/C复合材料,然后反应熔渗(LSI)硅制备出C/C-Si C材料,研究了石墨粉对材料的微结构、毛细渗透行为及机械性能的影响。结果表明,热解后C/C材料中的石墨粉和碳基体之间形成了剥离型微裂纹,但层间结合良好,且弯曲性能和未添加石墨粉C/C材料相当,同时石墨粉的添加降低了C/C材料毛细增重速率。热解温度对C/C材料的孔隙率、弯曲强度和毛细渗透行为均有显著影响。不同条件C/C材料硅化后制备的C/C-Si C弯曲强度基本相当,在120~130 MPa,表明热解温度和石墨粉对C/C-Si C材料的弯曲性能没有明显影响。     

SiC/CVD SiC复合涂层的抗氧化及抗热震性能研究

为了提高C/SiC复合材料耐高温性能,采用泥浆浸渍裂解与真空化学气相沉积(CVD)在材料表面制备了SiC/CVD SiC复合涂层,通过XRD、SEM分析了涂层组成与结构;研究了复合涂层的高温抗氧化(700～1 500℃)和抗热震性能。结果表明,泥浆浸渍法制备的SiC涂层具有一定的封孔效果,可使材料开孔率下降,但高温抗氧化效果并不佳,1 200℃氧化10 min后材料弯曲强度保留率下降明显仅有86%。CVD SiC涂层结构致密,与SiC封孔涂层结合较好,在700～1 500℃具有较好的抗氧化效果,随着氧化温度的升高,氧化后涂层完好,表面O元素逐渐增加,材料失重率缓慢增加但不大于0.5%,且材料性能并未下降。涂层材料在1 200℃-10 min短时热震5次后材料弯曲强度保留率仍有95%以上,且未出现开裂、剥落等热震损伤。在1 200℃-30 min长时热震10次后,涂层材料基本被完全氧化,材料失去保护作用,弯曲强度下降至90%左右。     

径棒法编织C/C复合材料热膨胀性能

热膨胀系数是表征C/C复合材料热稳定性的关键性能参数。为了解材料的热膨胀行为,以径棒法编织C/C复合材料为实验材料,分析了该材料的热膨胀性能。结果表明,径棒法编织C/C复合材料热膨胀性能呈现明显各向异性特征,径向方向材料的热膨胀系数最大。随着温度升高,材料热膨胀系数呈现增大趋势,800～1 000℃热膨胀性能趋于稳定。在本次实验中,材料密度由1.89 g/cm3提高至1.96 g/cm3,热膨胀系数增大。对完成致密的样品进行900℃热处理,材料1 000℃下径向热膨胀系数由热处理前的8.486×10-6℃-1降低至3.488×10-6℃-1。     

轴棒法编织C/C复合材料的热物理及烧蚀性能

采用轴棒法编织三维四向炭纤维预制体,经高压沥青浸渍炭化致密化工艺(HIPIC)制得高密度4D C/C复合材料,研究了材料轴向的热物理性能、抗烧蚀性能,并分析了材料的烧蚀机理.结果表明,轴棒法编织C/C复合材料轴向的热扩散率随着温度的升高而降低,比定压热容随温度的升高而增大,热导率随温度的升高缓慢下降,且材料的热物理性能...     

炭/炭复合材料表面金属功能涂层研究进展

炭/炭复合材料作为结构功能一体化材料使用,面临着自身及其与其他材料之间的连接、抗氧化抗热震涂层以及抗等离子溅射侵蚀涂层问题。系统介绍了表面金属功能涂层在炭/炭复合材料连接、超高温抗氧化抗热震涂层、高热载荷下抗等离子溅射侵蚀涂层上的应用,分析了金属功能涂层的失效原因,讨论了提高金属功能涂层性能的途径,指出新型钎料与接头抗振动抗疲劳性能、涂层显微结构控制与全温域防氧化抗热震、界面稳定化理论方法与新型界面层材料以及金属功能涂层原位自生防护和拓展应用领域是炭/炭复合材料表面金属功能涂层的发展趋势。     

低成本炭/炭复合材料的研究进展——化学液相沉积工艺

简述了制备炭/炭复合材料的新工艺——化学液相沉积(CLD)的沉积原理。利用工业燃油作为裂解炭前驱体,炭纤维毡作为增强体,通过工艺参数控制得到低成本炭/炭复合材料。CLD工艺所得材料沉积密度1.6 g/cm3,轴向压缩强度92 MPa,等离子烧蚀率0.06 mm/s,与CVD工艺所得材料相近。与常规CVD工艺相比,CLD工艺制备的C/C复合材料在制备时间上缩短了4/5,致密速率快5倍多。所得基体裂解炭为粗糙层与光滑层结构(大部分为粗糙层结构)。基体炭与炭纤维接合界面适中,且呈洋葱状分布,从而材料具有一定韧性。     

ICVI工艺致密化C/C复合材料的数值模拟

为了研究等温化学气相渗透( ICVI)工艺制备C/C复合材料过程中预制体的致密化过程及流场和温度场的分布,利用COMSOL软件建立预制体致密化过程中传质、传热和孔隙率变化的多场耦合模型。以甲烷为前驱体,将动量和能量守恒方程进行耦合计算,计算结果表明,在传质最初始阶段,前驱体温度迅速升高至设定的沉积温度,且整个反应器内部温度分布均匀。根据以上计算结果,设定温度为定值,耦合质量、动量守恒方程和孔隙率变化方程,通过计算得到在开始致密化阶段预制体最大密度分布在预制体中部,随着致密化进行,该区域向外侧移动。致密化150 h后,不同时间预制体整体平均密度的计算值与实验值吻合较好,验证了致密化模型的可靠性。     

针刺预制体参数对C/C复合材料力学性能的影响

通过针刺与化学气相沉积分别制备碳纤维预制体与碳基体,获得针刺C/C复合材料.研究了针刺密度、针刺深度、网胎面密度等预制体成型工艺参数对C/C复合材料力学性能的影响,并探讨了预制体体积密度与C/C复合材料力学性能关联关系.结果表明,针刺密度在20～ 50针/cm2之间时,C/C复合材料拉伸强度先增后减,而层间剪切强度一直上升;针刺深度在10～16 mm之间时,拉伸强度和层间剪切强度随针刺深度的提高而增加;网胎面密度在100～300 g/m2之间时,拉伸强度和层间剪切强度随网胎面密度的提高而降低;当只改变针刺密度、针刺深度、网胎面密度其中一个成型参数时,拉伸强度和层间剪切强度受预制体密度影响显著,预制体密度可作为预测C/C复合材料力学性能的一个宏观成型参数.     

炭/炭-酚醛双基体烧蚀防热材料研究

分别采用PAN基及粘胶丝基炭布作为增强体，进行了一种新型的炭／炭-酚醛双基体烧蚀防热层板材料的探索研究。结果表明，炭／炭-酚醛双基体材料的密度基本与炭／酚醛材料的密度相当；弯曲强度与炭／酚醛材料及C／C材料相当。弯曲模量稍高于炭／酚醛材料而低于C／C材料。其层剪强度低于炭／酚醛材料和C／C材料。降低了30％-40％。炭／炭-酚醛双基体材料保持了炭／酚醛材料低热导率的特点，热膨胀系数低于炭／酚醛材料，但高于C／C材料，其线烧蚀率比炭／酚醛材料降低20％-40％。与PAN基炭布增强材料相比，粘胶丝基炭布表现出层剪强度高、密度低和模量低的优点。但热膨胀系数大和线烧蚀率较大。     

化学液相气化沉积制备的炭/炭复合材料组织均匀性研究

采用化学液相气化沉积快速致密化工艺制备了C/C复合材料,分析了发热体尺寸和放置方式对材料组织均匀性的影响。通过排水法测量了材料轴向密度和孔隙率分布,采用偏光显微镜观察了材料的组织均匀性。结果表明,发热体尺寸越大,材料的组织均匀性增加,孔隙率降低,并能够缩短沉积时间;沉积过程中预制体内的温度分布是决定材料组织均匀性的主要因素。     

基于均匀化方法的轴编C/C复合材料性能预测

把均匀化理论与有限元法相结合,应用于轴棒法多维编织C/C复合材料的性能预测,通过对该材料有效模量的计算和实验验证,表明本方法可以得到较准确的材料刚度性能,为该材料的设计提供了性能预测方法.     

C/C复合材料难熔金属二硅化物涂层防氧化机理研究

采用包埋技术在C/C复合材料表面制备了SiC-WSi2/MoSi2抗氧化涂层,通过恒温氧化试验以及TG-DTG、XRD和SEM等手段对该涂层的显微形貌、成分进行了分析,研究了涂层在1 500℃的抗氧化机理。结果表明,二硅化物的合金化及二硅化物与SiC的复合化提高了涂层的致密性、稳定性,而涂层表面长时间存在的致密的玻璃态SiO2,有效地阻止了氧气向涂层内部的扩散,使涂层表现出优异的高温防氧化能力。