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。     

轴棒法编织C/C复合材料的超声速火焰烧蚀性能

为了研究轴棒法编织、高压浸渍-碳化致密工艺(HPIC)及高温处理工艺制成的高密度的碳/碳(C/C)复合材料在火箭发动机中的烧蚀性能,使用气氧和煤油超声速(HVO)火焰对复合材料进行含铝工况烧蚀/侵蚀实验,烧蚀时间为30s;对比研究了复合材料在有、无含铝粒子侵蚀时烧蚀性能的差别;分别用扫描电镜、微CT和表面能谱分析了不同工况烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,在不同的烧蚀工况下,材料的表面粗糙度不同,微观形貌和烧蚀率也有很大差异;复合材料在无粒子侵蚀工况下的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0318mm/s和0.0319g/s,烧蚀表面呈竹笋状和毛絮状,热化学烧蚀起主导作用;有粒子侵蚀时的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0516mm/s和0.0353g/s,烧蚀表面呈钝竹笋状,纤维从根部断裂,热化学烧蚀和机械剥蚀同时起作用;在纤维和基体表面有Al2O3粒子沉积;含铝烧蚀/侵蚀的线烧蚀率是不含铝烧蚀的1.6倍,质量烧蚀率的1.1倍。在烧蚀区的内部,基体碳受热后开裂,而碳纤维与基体碳间的界面相受热后无明显变化。     

SiC/ ZrC 前驱体配比对 C/ C-SiC-ZrC 复合材料烧蚀性能的影响

以不同质量比Si C/Zr C有机前驱体混合溶液为浸渍剂,采用前驱体浸渍裂解法(PIP)制得C/CSi C-Zr C复合材料。对C/C-Si C-Zr C复合材料的组成、微观结构及烧蚀性能进行了分析和测试,探讨了Si C/Zr C前驱体配比对复合材料烧蚀性能的影响。结果表明,随着Zr C含量的增加,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率呈现出先减小后增大的趋势。采用质量比为1∶3的Si C/Zr C前驱体混合溶液制备的C/C-Si C-Zr C复合材料具有相对较好的烧蚀性能,试样在氧乙炔焰下3 000℃烧蚀20 s,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为-0.65 mg/s和21μm/s。Si C-Zr C复相陶瓷中Zr C含量过低或过高均不利于提高其氧化稳定性,而Zr C含量适中的Si C-Zr C复相陶瓷具有较好的氧化稳定性。     

C/C复合材料在再入模拟环境中烧蚀性能研究

为了研究轴棒法编织的高密度碳/碳(C/C复合材料在再入飞行时的烧蚀性能,采用热等离子体地面模拟再入烧蚀系统对C/C复合材料进行烧蚀试验。试验中分别采用氮气(N、氧气(O和空气作为工作气体,对比研究C/C复合材料在不同环境中的烧蚀率和烧蚀性能。结果表明,三种情况下试样的烧蚀率和微观形貌有很大差异;纯氧气时氧化反应的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0423mm/s和0.0451g/s大于纯氮气时氮化反应的0.0314mm/s和0.0338g/s也大于空气成分时复合反应的0.0215mm/s和0.0208g/s在试样烧蚀的热影响区发生轻微开裂;三种工况下的烧蚀机理不同,分别是碳的升华、碳的氧化和碳氮反应的某种组合。     

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。     

新型结构粘接材料对航空有机玻璃性能的影响

选用新型结构粘接材料中低温固化环氧结构胶膜J-351和改性丙烯酸酯液体胶胶黏剂SY-50s,表征胶黏剂对有机玻璃的粘接性能以及应力-溶剂银纹性能,并研究胶黏剂对有机玻璃力学性能的影响。结果表明:两种胶黏剂对有机玻璃具有良好的粘接性能,J-351抗应力溶剂银纹性能优于SY-50s;有机玻璃表面施胶后力学性能下降,与定向有机玻璃相比,浇注有机玻璃力学性能下降更为明显。通过对拉伸试样断口形貌分析发现,拉伸试样带有胶黏剂的一侧首先发生破坏。因SY-50s与有机玻璃界面结合紧密,导致带有SY-50s胶黏剂的有机玻璃力学性能下降程度较大;而J-351环氧胶膜与有机玻璃界面清晰,对有机玻璃力学性能影响相对较小。因胶黏剂对有机玻璃性能的影响,导致采用SY-50s胶黏剂粘接的试样边缘连接强度低于J-351胶黏剂粘接的试样,新型结构粘接材料J-351环氧胶膜在有机玻璃粘接中应用性能良好。     

活性添加剂B、Cr对C/C-SiC复合材料性能的影响

在采用“化学气相沉积和液相浸渍有机物先驱体”混合工艺制备C／C－SiC复合材料的基础上，在陶瓷先驱体中分别添加B，Cr填料，制备多组元材料，并分析添加剂B，Cr对C／C－SiC复合材料性能的影响。研究结果表明，添加剂Cr能提高复合材料的弯曲强度约40％，但抗氧化性能和抗烧蚀性能却有所下降；添加剂B不仅能提高复合材料的弯曲强度，且在500℃－1000℃范围内改善了复合材料的抗氧化性能，其抗烧蚀性能也明显提高。     

多向C/C复合材料烧蚀表面粗糙度初步研究

对C／C复合材料的烧蚀表面粗糙度进行了测量，并对不同编织结构和不同基体组元的C／C复合材料的烧蚀表面粗糙度进行了比较分析。研究发现：基体组元相同时采用多向结构的C／C复合材料烧蚀表面粗糙度明显降低；编织结构相同时，舍有沉积碳组元的碳／碳复合材料烧蚀表面粗糙度明显降低。     

先驱体转化法制备2D C/SiC-ZrC复合材料中ZrC含量对材料结构性能影响研究

针对高超音速飞行器、可重复使用运载器和下一代火箭发动机等超高温使用环境的工况要求,提出在2D C/SiC复合材料中引入耐超高温ZrC填料.采用先驱体转化法制备了不同ZrC含量的2D C/SiC-ZrC新型复合材料,考察了ZrC含量对材料力学性能、抗烧蚀性能和组成结构的影响.结果表明,材料的弯曲强度和弯曲模量随着ZrC含量的增加有一定程度的下降,材料的抗烧蚀性能明显提高,其中ZrC含量最高(33.3vol%)的试样S-50弯曲强度和弯曲模量均最低,分别为192.1MPa和27.5GPa;经氧乙炔焰烧蚀考核60s后,表面温度达到2123℃,试样表现出最低的烧蚀率,线烧蚀率为0.004mm/s,质量烧蚀率为0.006g/s.     

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。     

ZrB2 改性C/ C-SiC 复合材料性能研究

采用碳纤维复合网胎针刺预制体,通过溶液浸渍工艺制备了碳纤维增强C/C-SiC和C/C-SiC-ZrB2陶瓷基复合材料,并对材料的力学、热物理和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度分别为199、274和19.3 MPa,各性能均低于对应的针刺C/C-SiC复合材料。针刺C/C-SiC-ZrB2材料与针刺C/C-SiC材料相比,热导率得到大幅度提高,而线胀系数略微有所降低。2 500 K、600 s风洞试验后,针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料表现出良好的抗氧化烧蚀性能,质量烧蚀率约0.4×10-4g/s。     

复合材料胶接技术的研究进展

回顾了高聚物基体复合材料胶接技术的研究进展情况。总结了用于提高复合材料胶接强度的工艺、胶黏剂材料以及影响胶接耐久性的因素。胶接材料包括热固性和热塑性复合材料以及复合材料和金属之间的胶接。复合材料胶接的性能因复合材料的种类、胶黏剂的种类、表面处理技术的不同而有较大差异。为了获得兼顾高强度和耐久性的复合材料胶接制件,应在胶黏剂和复合材料体系选择、复合材料表面处理技术、胶接体系的试验评估和胶接设计方面开展大量的工作。     

C/C复合材料的压缩强度分布与可靠性评估

针对碳/碳（C/C）复合材料力学性能离散的特点，开展穿刺C/C复合材料压缩强度分布与可靠性评估研究。首先通过残差分析确定用于强度分布分析的样本数量，然后通过线性回归分析获得两参数Weibull分布、正态分布及对数正态分布模型的参数，进而探究穿刺C/C复合材料的压缩强度分布规律，最后通过Kolmogorov-Smirnov检验、Anderson-Darling检验和极大似然方法对3种强度分布模型进行拟合优度检验。结果表明：用于获得穿刺C/C复合材料压缩强度分布的最少样本数量应不少于30；Weibull分布、正态分布和对数正态分布模型均可表征穿刺C/C复合材料的压缩强度分布，其中Weibull分布的拟合优度最高；基于强度分布模型可得到不同可靠度所对应的穿刺C/C复合材料的设计强度参考值。     

C/SiC复合材料的制备及加工技术研究进展

碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料由于其强度高、硬度大、耐磨损,被广泛应用于工业、航空航天等领域,然而C/SiC复合材料难以被稳定地去除加工。本文综述C/SiC复合材料的常见制备方式及其材料的性能特点。概述C/SiC复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工等加工方法,分析了各种加工方法的材料去除机理、加工精度、常见缺陷及加工过程中存在的问题。传统的机械加工需进一步优选切削刀具材料;超声辅助加工需探究超声振动的刀具与材料之间的耦合作用机制、振动作用下的材料去除机理;激光加工要进一步研究2.5维及3维C/SiC复合材料的激光加工去除机理。在这些研究的基础上进一步采用复合加工的方法,探寻C/SiC复合材料高效、精密、稳定和无损加工的可能性。     

C/C复合材料切削表面粗糙度的测量评定与影响因素研究

通过对航空航天领域广泛应用的典型复合材料的切削表面进行三维表面粗糙度测量实验,研究了C/C复合材料切削表面粗糙度的三维评定参数与二维评定参数之间的差别,并基于三维评定参数对影响C/C复合材料切削表面粗糙度的因素进行了研究。     

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。      

薄层碳纤维斜纹布层压板二次胶接试验研究

将复合材料薄板二次胶接技术应用在小型无人机机翼主承力结构上，对于降低机翼盒段的制造成本具有重要的工程应用价值。采用碳纤维斜纹布制2 mm 薄板进行单搭接结构拉剪试验，分析3 种不同型号的胶粘剂对该薄板的适配性以及胶层厚度和层压板铺层角度对二次胶接强度的影响，并通过ABAQUS 软件进行模拟验证。结果表明：使用SY-23B 环氧结构胶，胶层厚度为0.2 mm、铺层方式为［（0/90）］8 -［（0/90）］8 的结构件，胶接性能最优，结构剪切强度可以达到18.2 MPa，满足小型无人机受力盒段的胶接强度要求，二次胶接成形的机翼受力盒段具有轻质化、低成本的优点。     

Feasibility study of thermo-compensated resistance brazing welding of C/C composites and T2 copper with AgCuTi filler metal

The dissimilar materials joining of C/C composites to T2 copper were performed successfully by thermo-compensated Resistance Brazing Welding (RBW) with AgCuTi filler powder. The interfacial microstructure, phase composition, and shear strength of the resistance brazed joints were investigated by the relevant analysis method. Experiment results indicated that the order affecting the shear strength of the C/C-Cu joint was welding current, welding pressure, and welding time in turn. The shear strength of backward thermo-compensated RBW was higher than that of forward thermo-compensated RBW due to the Peltier effect. The maximum shear strength of the C/C-Cu joint was 11.56 MPa in the optimized welding parameter with welding current of 8.0 kA, welding time of 60 ms, and welding pressure of 0.10 MPa by backward thermo-compensated RBW. The interface structure at the resistance brazed joint with this welding parameter was C/C composites/TiC/Cu (s.s)/T2 copper. The TiC phase was verified at the interface of the brazed joint by Scanning Electron Microscope (SEM), Energy-Dispersive X-ray Spectrometer (EDS), and X-ray Diffraction (XRD). Considerable fractures occurred in the C/C composites and partial fracture occurred at the interfacial reaction layer.     

2D C/SiC-ZrB2复合材料的烧蚀性能

用ZrB2微粉对2D C/SiC基体进行改性,研究了化学气相渗透结合浆料浸渍及先驱体浸渍裂解工艺制备2DC/SiC-ZrB2复合材料在氧-乙炔焰和1800℃甲烷风洞环境中的烧蚀行为.结果表明:在氧-乙炔环境中,2D C/SiC-ZrB2的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为6.1×10-2 mm/s和1.0×10 -2g/s,相对2D C/SiC复合材料而言,ZrB2微粉并没有提高C/SiC复合材料的抗烧蚀性能.在1800℃甲烷风洞环境中,涂层致密度起主要作用,涂层致密度相同时,复合材料的开气孔率越大,质量烧蚀率越大,ZrB2微粉的渗入对C/SiC复合材料的烧蚀性能影响不大.