快速制备不同预制体C／C复合材料摩擦学性能研究

分别以短纤维模压毡和炭布叠层为预制体,采用快速CVI工艺制备C/C复合材料,测试了2种不同材料的干态静摩擦性能和干态动摩擦性能,分析了预制体结构及试验条件对其摩擦性能的影响,并探讨了该材料的摩擦磨损机理.结果表明,静摩擦系数随刹车比压增加而减小;快速制备C/C复合材料的磨损率非常低,具有良好的磨损性能,提高垂直取向(垂直于摩擦面)纤维的含量有利于减少磨屑量,降低磨损率.短纤维模压毡预制体制备的C/C复合材料的磨损率低于炭布叠层预制体.     

预制体及基体对C/C复合材料性能的影响

研究了预制体结构及其成型工艺和基体类型对C/C复合材料的力学性能、烧蚀性能和微观结构的影响。结果表明,它们对C/C复合材料的拉伸和压缩强度影响不显著,而对剪切性能影响明显。采用CVD成型工艺和树脂炭基体,对于二维预制体,C/C复合材料的剪切强度可达19MPa;对于准三维预制体,C/C复合材料层间剪切强度可达20MPa。不同类型的基体炭对复合材料的耐烧蚀性影响不同,CVD炭具有优异的抗烧蚀性能,树脂炭与沥青炭的抗烧蚀性能较差。采用先沉积后树脂浸渍炭化补充增密,可制备综合性能优异的热结构复合材料。     

热解炭涂层对C/C-SiC复合材料性能的影响

采用反应熔渗法(RMI)将不同密度的C/C坯体制备成C/C-SiC复合材料,利用化学气相沉积法(CVD)在C/C-SiC复合材料表面进行炭沉积形成热解炭涂层,选用HS-19A型肖氏硬度计测试其硬度,利用MM1000-II型摩擦磨损实验机测试摩擦性能,研究热解炭涂层对C/C-SiC复合材料孔隙率、硬度及摩擦性能的影响。结果表明:热解炭涂层可以有效地降低孔隙率,提高硬度,减小摩擦系数。     

预制体中添加碳化钨的C/C复合材料结构与烧蚀性能

采用在炭纤维预制体中添加WC粉末和基体炭增密的方法,制备了添加WC粉末的C/C复合材料.采用电弧驻点烧蚀试验,考察了材料烧蚀性能,并用扫描电镜观察了其结构和烧蚀后表面形貌,探讨了其烧蚀机理.结果表明,添加WC粉末的C/C复合材料的高温烧蚀包括:C/C复合材料中炭纤维和炭基体中炭与烧蚀气流中氧化气氛的反应;WC的氧化及熔...     

45% SiCp/Al复合材料的微动磨损试验设计与验证

针对运载发射阶段卫星锁轴机构45%SiCp/Al复合材料与TC4材料之间可能存在的微动摩擦磨损与切向接触刚度问题，本文在调研和仿真分析的基础上，设计等效的扫频微动摩擦磨损试验系统。通过夹持力的标定保证最大影响因素接触应力的一致，采用扫频振动模拟摩擦副受载工况，并对45%SiCp/Al复合材料试件表面形貌进行振前振后检测。试验结果表明，45%SiCp/Al复合材料在较高的形状精度和表面粗糙度条件下，能够承受较大载荷的微动摩擦，摩擦副结合面具有良好的切向接触刚度。     

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。     

C/C喉衬近净尺寸制备及性能

采用径向针刺工艺制备了近净尺寸针刺C/C喉衬预制体,通过热梯度CVI和树脂浸渍碳化复合工艺对预制体进行了致密,利用μ-CT、光学显微仪表征了C/C喉衬材料微观孔隙和热解碳织构,分析了喉衬材料的弯曲性能。结果表明,径向针刺过程形成的损伤型孔隙通道与碳源气体传输方向一致,提高了碳源气体传输效率,使径向针刺喉衬CVI增密效率比传统轴向针刺喉衬提高10.9%。预制体近净尺寸成型缩短了烧蚀区域碳源气体的渗透距离,喉衬材料烧蚀区域形成了高织构热解碳,有利于喉衬烧蚀性能的提高。径向针刺喉衬的轴向弯曲强度比轴向针刺喉衬提高150%。     

高温处理过程C/C复合材料微结构演变规律

对热解炭基、热解炭-树脂炭基C/C复合材料进行了1 500、1 800、2 100、2 500℃高温热处理。采用X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪,对不同热处理温度及未进行热处理的2种C/C复合材料纳米尺度结构进行了表征;采用扫描电子显微镜、压汞仪,检测了其微米尺度孔隙缺陷。结果表明,随热处理温度的增加,微米尺度C/C复合材料的孔隙率逐渐增加,材料中裂纹型孔隙缺陷在热处理过程中,没有沿裂纹尖端的应力集中区域扩展,而是沿裂纹的宽度方向变化;纳米尺度C/C复合材料炭结构向理想微晶结构转变,缺陷逐渐减少,其变化趋势和微米尺度孔隙率的变化很相似。随热处理温度的增加,纳米尺度1-d002与微米尺度孔隙率呈线性关系趋势,并据此获得了用微米尺度孔隙率变化表征C/C复合材料石墨化度的经验公式。     

炭布高温处理对2D-C/C分层缺陷的影响研究

研究了炭布高温处理对二维炭／炭复合材料(2D-C／C)分层缺陷的影响。分析了炭布处理前后炭纤维的元素及表面形貌；测试了炭布处理前后树脂基复合材料(PMC)、炭化后2D-C／C及致密后2D-C／C的层剪强度、密度、开孔率等；采用金相显微镜表征了2D-C／C的分层缺陷。结果表明，炭纤维(布)经高温处理后，其表面含氧量下降，含碳量提高，表面粗糙度增大，惰性增大；炭布高温处理降低了树脂基复合材料的ILSS．炭化后2D-C／C表现出低密度和高开孔率，炭化收缩量小、热应力小及炭化不分层等特点。     

发射箱导轨用石墨填充碳/酚醛复合材料研究

采用石墨填充碳/酚醛模压复合材料技术成形导轨面材料,通过试验,研究和分析了材料各组分对材料摩擦磨损性能的影响。试验结果表明,在石墨含量为10%,碳纤维含量为30%时,石墨、碳纤维填充酚醛树脂复合材料的摩擦磨损性能、烧蚀性能较好,且摩擦系数低,适于用作导轨表面材料。     

SiC/MoSi2复合材料的磨损性能及磨损机理研究

采用扫描电镜和能谱仪观察并测定了SiC/MoSi2复合材料与CrWMn钢对磨试样的磨损表面、磨屑形貌及磨屑成分,研究了SiC/MoSi2复合材料与CrWMn钢摩擦副的干摩擦磨损性能和磨损机理。研究结果表明,第二相SiC的引入对MoSi2的磨损行为具有显著影响,改变了MoSi2的磨损过程,SiC/MoSi2复合材料的耐磨性较纯MoSi2大为提高;SiC/MoSi2复合材料与CrWMn钢摩擦副的主要磨损机制为氧化磨损,并伴有轻微粘着磨损。     

C/SiC复合材料热辐射性能研究

利用稳态量热计法和傅里叶红外光谱仪分别测定了C/SiC复合材料在90℃时的半球向总发射率和室温法向光谱反射率.研究了纤维预制体编织方式、涂层厚度及表面形貌对C/SiC复合材料热辐射性能的影响.结果表明,3D C/SiC复合材料的热辐射性能优于2D C/SiC.2D C/SiC的总发射率为0.78,3D C/SiC达到0.82;SiC涂层厚度对C/SiC复合材料的热辐射性能影响很大,随着SiC涂层厚度的增加,C/SiC总发射率先降低后上升,最高值可达0.85;表面抛光后C/SiC复合材料热辐射性能有所下降,2D和3D C/SiC总发射率分别为0.74和0.75.     

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。     

高超飞行器用C/SiC-ZrC复合材料力学及烧蚀性能研究

以PZC为有机锆先驱体原材料,采用A,B,C三种PIP工艺路线制备了不同ZrC含量的C/Si C-ZrC复合材料,并对C/Si C-ZrC复合材料的组成、微观结构、力学性能、烧蚀性能及作用机理进行了测试和分析。结果表明,有机锆先驱体制备的C/Si C-ZrC复合材料烧蚀性能有大幅提高,但其力学性能却存在一定程度的下降,并且随着ZrC含量的增加,C/SiC复合材料的力学性能呈现出逐渐降低的趋势,其质量烧蚀率和线烧蚀率呈现出先减小后增大的趋势。     

C/C-SiC防热材料快速制备及其性能研究真

采用CVI+PIC工艺制备了密度为1.35～1.45 g/cm3的C/C多孔体,对多孔体进行LSI快速获得C/C-SiC防热材料,表征了防热材料的微观结构、弯曲性能,对其进行300 s氧乙炔烧蚀试验,检测了筒形C/C-SiC燃烧室热结构缩比构件的整体承压性能。结果表明,采用CVI+PIC方法成型的C/C多孔体LSI后,液相Si主要与树脂炭反应,生成的SiC位于纤维束之间的大孔孔隙中,由炭纤维束与其内部和包覆在纤维束表层的热解炭构成的增强相未受液Si浸蚀。制备的C/C-SiC弯曲强度达122 MPa,弯曲破坏呈现明显的假塑性断裂;筒形C/C-SiC燃烧室热结构缩比件(外径175 mm、壁厚7.5 mm、高度200 mm)水压爆破压力为5.2 MPa。C/C-SiC材料氧乙炔试验线烧蚀率0.000 2～0.000 3 mm/s、质量烧蚀率0.000 1～0.000 3 g/s,材料的烧蚀以热化学烧蚀为主,烧蚀型面整体平滑,烧蚀表面形成了SiO2抗氧化玻璃相和Si纳米线。     

添加树脂碳对针刺C/C-SiC材料熔渗行为及性能的影响

以2.5D无纬布/网胎叠层针刺预制体为增强体，采用化学气相渗透和树脂浸渍裂解法制备了密度约1.35 g/cm³的热解碳C/C、热解碳+树脂碳C/C两种坯体，再经反应熔渗获得C/C-SiC复合材料，分析了不同碳基体组分C/C材料的熔渗特性及其微结构、拉伸性能及氧乙炔烧蚀性能的变化规律。结果表明：相比热解碳的“薄壳”型孔隙结构，树脂碳的“狭缝”型孔结构增大了液Si与碳基体的接触面积，提高了熔渗动力，获得致密度和SiC含量高的C/C-SiC复合材料，提升抗烧蚀性能，在氧乙炔火焰下经400～600 s烧蚀的线烧蚀率降低24%,但树脂碳对液Si的诱导渗透增加了骨架承载体的损伤，使树脂碳+热解碳基C/C-SiC复合材料室温拉伸强度(104±3)MPa低于热解碳基C/C-SiC的(118±3)MPa。     

C/SiC刹车材料的摩擦磨损性能

通过化学气相渗透结合反应熔体浸渗法制备了三维针刺C/SiC刹车材料,利用光学显微镜、SEM和XRD研究了材料的组织结构,并通过电模拟惯性试验台测试了全尺寸C/SiC飞机刹车盘的摩擦磨损性能。结果表明,C/SiC刹车材料由35%~65%C,25%~55%SiC和约10%Si组成,SiC和Si主要分布在短纤维胎网层。在刹车压力相同时,随着初始刹车速度的增大,材料的平均摩擦系数先增大后减小,当初始刹车速度为150 km/h时,摩擦系数达最大值;当初始刹车速度相同时,摩擦系数随着刹车压力的增大而减小;材料平均磨损率约为1.0×10-3mm/(side.time)。在飞机正常着陆条件下,材料的刹车力矩与刹车速度间的关系与飞机防滑刹车系统的着陆响应相匹配,使得该材料具有较高的刹车效率。     

C/C复合材料微观尺度烧蚀过程质量损失速率模拟

基于水平集算法,耦合扩散方程建立了C/C复合材料在微观尺度下的2D轴对称烧蚀模型,计算了C/C复合材料的微观形貌演变过程,并将形貌演变至稳态的计算结果与C/C复合材料实际烧蚀后的微观形貌进行了对比,二者吻合较好,验证了该模型的可靠性。进而分析了气体扩散和非均匀氧化反应对纤维和基体的相对质量损失速率的影响规律。研究表明,随着Sherwood数Sh的降低纤维的质量损失速率会迅速增大,基体的相对质量损失速率会迅速降低,二者均在烧蚀形貌达到稳态前稳定;纤维和基体的相对质量损失速率达到稳态所需时间随反应速率比A的增大而增大。     

水氧腐蚀环境对2D C/SiC热扩散性能的作用机制研究

通过对不同温度条件下,水氧腐蚀前后2D C/SiC复合材料热扩散性能的演变规律,研究了环境损伤对C/SiC复合材料热扩散性能的作用机制。在水蒸气和氧气混合环境下,C/SiC复合材料内部气孔率增加,同时在材料表面有氧化物形成。材料内部出现的气孔,阻断了热流在材料内部的传输,使得热扩散性能呈现出直线下降的趋势。氧化物的形成,在一定程度上封填裂纹,有助于热量的传输,能够在一定程度上改善材料热扩散性能。     

低密度C/C隔热材料快速低成本制备及性能研究

以轻质粘胶基碳毡为增强体,采用压力浸渍树脂/常压炭化工艺(PIC)引入树脂碳作为基体,从而制备出体密度、开孔率分别为1.05 g/cm~3和35.65%的C/C隔热材料,并对材料的力学性能、热物理性能和隔热性能进行了测试分析。结果表明,室温下C/C隔热材料的水平剪切强度和弯曲强度分别为2.97 MPa和11.7 MPa,其载荷-位移曲线呈典型的"抛物线"状,表明材料的韧性较好;随着温度的升高,C/C隔热材料的比热容和热导率均逐渐增大,但后者的增幅更小,1000℃时其值仅为0.922 W/(m·K);平均热膨胀系数则随着温度的升高呈现先升后降的趋势,RT～1000℃的平均热膨胀系数仅为1.326×10~(-6)/℃;通过氧乙炔静态烧蚀试验测试C/C隔热材料的烧蚀隔热性能,当烧蚀面的最高温度达到2450℃时,其背面温度仅为357℃,表明材料具有良好的隔热性能。