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。     

C/C复合材料等温CVI工艺T-S模糊系统研究

等温CVI是目前制备高性能碳／碳(C／C)复合材料的重要技术,其主要不足之处是周期长,成本高,建立CVI工艺参数与沉积速率或均匀性之间的关系模型,进而来指导工艺的设计与优化,是达到降低C／C复合材料开发成本的重要途径。本文提出基于模糊推理系统理论,建立等温CVI工艺基于实验的T—S模糊系统模型,来挖掘和表达实验中所积累的无法用公式来描述的经验,根据该模型得到了一类盘状制件CVI工艺主要沉积条件的作用机理,为工艺优化、设计和控制提供了理论上的指导。     

C/C复合材料致密化制备技术发展现状与前景

综述了C／C复合材料致密化制备技术，分析比较了化学气相渗透工艺、液相浸渍工艺及化学液－气相沉积工艺的优缺点。认为化学气相沉积工艺在过去一些年中发展很快，但它的工艺周期长；液相浸渍工艺繁杂，其浸渍炭化和石墨化工序需反复多次（通常4－6次），因此其效率也比较低；而液－气相沉积工艺周期短、效率高，很有发展潜力，当前急需开展该沉积技术原理的研究及改进其实验设施。     

热解炭含量对C/C复合材料性能的影响

研究了不同热解炭含量对C／C复合材料性能的影响。对采用CVD工艺致密到不同密度,具有不同热解炭含量的2D炭布针刺体试样,利用沥青高压浸渍炭化工艺增密至相同的最终密度,然后对其进行力学、热学性能及等离子烧蚀试验。试验结果表明,热解炭含量高的C／C试样具有较好的力学、烧蚀及导热性能。     

碳／碳复合材料液相浸渍—碳化致密规律研究

根据试验结果，对沥青常压浸渍－碳化和高压浸渍－碳化这两种制作碳／碳复合材料的工艺进行了比较，指出高压浸渍－碳化是一种更有效的致密工艺。在碳／碳复合材料的致密化过程中，制件密度随工艺循环次数的增加而增加，经过四次充填后，密度增加已很小。     

花瓣铺层C/C喷管扩张段外缠绝热层工艺固化过程应力-应变分析

用有限元法对花瓣铺层C／C喷管扩张段外缠绝热层工艺固化过程的应力－应变进行了分析；并分析了C／C材料的层间缺陷对热应力的影响。通过分析可知，由于花瓣铺层C／C材料与绝热层材料线膨胀系数不一致，导致它们在固化过程后产生热应力；而C／C扩张段中少数缺陷的存在，使得缺陷附近的层间剪切应力大幅增加，从而可能导致其结构的完整性被破坏。文中的分析可为花瓣铺层C／C扩张段的设计和工艺提供参数。     

二维C/C复合材料的断裂韧性研究

进行了炭布增强二维C/C复合材料的平面应变断裂韧性(KⅠc)和层间断裂韧性(GⅡc)研究,它们的测试分别采用了单边缺口梁(SENB)弯曲法及端部切口弯曲法(ENF)。结果表明,2D C/C垂直于炭布铺层方向的断裂韧性KⅠc为5.48MPa·m1/2,是毡基C/C的4倍,但稍低于针刺C/C。2D C/C的层间断裂韧性随测试温度的升高而增加,在2000℃裂纹扩展的临界载荷是室温时的2倍,而层间断裂韧性则提高了4倍。这说明2D C/C在高温下抗层间裂纹的扩展能力增大,这一结果对实际应用带局部小面积缺陷的新型2D C/C部件提供了更大的设计自由度和安全可靠性。     

C/C复合材料的进展

碳—碳(C/C)复合材料是用碳或石墨作基体,用碳纤维或石墨纤维增强的一种特种工程材料。它们除了具有多晶石墨的许多优点以外,还具有高强度、高刚性、尺寸稳定及良好的化学稳定性等一系列优异性能。38年来,C/C复合材料已有较大发展,它们已在航天、航空、工业、科学研究、核反应堆和生物医药等高温技术领域获得广泛的应用。     

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%。     

提高碳/碳复合材料抗氧化性能的一种新途径

提出了由本身材质提高碳／碳（简称Ｃ／Ｃ）复合材料抗氧化性能的新途径，即在坯体中添加陶瓷微粉与石墨粉的混合物，用快速化学气相沉积工艺制成Ｃ／Ｃ复合材料。结果表明：制备的材料不仅氧化失重率小、氧化起始点高，而且致密。确定了其优化配方。分析了这种材料的抗氧化机理。     

炭布叠层穿刺C/C复合材料螺栓连接件微观组织和力学性能

以炭布叠层穿刺结构作为预制体,通过热梯度化学气相沉积(TCVI)工艺,制备了C/C复合材料,并沿不同纤维增强方向加工出C/C复合材料螺栓。考虑到机械加工对C/C复合材料性能的损伤,提出了C/C复合材料螺栓力学性能的测试方法,通过自行设计的模具,对所制备连接件的力学性能进行了测试表征,并利用偏光显微镜(PLM)和扫描电子显微镜(SEM),对C/C复合材料螺栓的微观组织结构及断口形貌进行了分析。结果表明,所制备的螺栓具有较好的抗拉和抗剪能力,沿平行于炭布X-Y面方向(xy向)加工的C/C复合材料连接件具有较高的力学性能,螺柱的抗拉强度和剪切强度分别为52.3 MPa和49.8 MPa,圆柱销剪切强度为52.2 MPa。     

离子推进器C/C复合材料栅极研究

栅极是离子推进器的关键部件之一,直接影响推进器的可靠性和寿命。由于C/C复合材料栅极具有比较小的热膨胀系数和较强的耐溅射性,可以提高离子推进器的可靠性并延长其寿命。文章通过调研综述C/C复合材料栅极的研究和应用发展状况,针对目前我国离子推进器的研究发展水平,提出开展C/C复合材料栅极研究工作的初步思路。     

带有SiC涂层的C/C复合材料的氧化行为

采用包埋法在C/C复合材料表面制备了SiC高温防氧化涂层。利用SEM和XRD等方法对涂层的微观形貌和晶相组成进行了观察与分析,并对带涂层试样在室温~1 500℃范围内的氧化行为进行了研究。结果表明,涂层主要由β-SiC和少量的游离Si组成,涂层表面有裂纹存在,涂层与C/C复合材料基体结合良好,呈现犬牙状结合。在室温~1 500℃之间,带SiC涂层C/C复合材料的氧化行为可分为4个阶段,涂层在高温区具有较好的防氧化性能。     

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.     

沥青基C/C复合材料的制备及氧化行为

采用超高压浸渍-炭化方法制备了沥青基C/C复合材料,并对其在1273～1773 K氧化后的力学性能进行了测试,借助扫描电镜研究了该材料的氧化形貌.实验结果表明,在恒温下,随着氧化时间的延长,试样弯曲强度和模量逐渐减小,弯曲强度和模量与时间呈线性关系;而在恒定时间条件下,随着氧化温度的升高,试样的弯曲强度和模量亦逐渐减小...     

三维机织预制体增密速率分析

研究了三维机织预制体孔隙结构对CVI及树脂浸渍增密速率的影响,并利用偏光显微镜和电镜对三维机织微观结构进行观察.结果发现,三向正交机织(SZJ)预制体由于孔隙分布较窄,且气孔平直,使其致密化速度较快;角联锁机织(JLS)预制体由于经纬交织成网状结构,孔隙分布较宽,且气孔弯曲,使其致密化速度较慢.在偏振光下观察,二者虽然都获得粗糙层结构热解炭,但微观结构仍存在差别,三维角联锁C/C复合材料与三向正交C/C复合材料比较,前者消光角大,形貌更为粗糙,更富有层次感.     

C／C复合材料石墨化度的测定和评价

用Ｘ射线衍射方法对不同热处理温度下Ｃ／Ｃ复合材料石墨化度进行了测定，并对衍射峰进行了分峰处理。得出该材料由三种不同组元构成，即树脂炭，碳纤维和热解炭，求出各组元的石墨化度值及所占比例，进而得到试样的加权平均石墨化度。     

基于Jones-Nelson本构模型的C/C复合材料喉衬变形研究

引入了应力-应变关系扩充理论和加权柔度修正理论,修正了Jones-Nelson本构模型,建立了基于Jones-Nelson模型的C/C复合材料本构关系,使得该模型可在考虑材料各向异性、拉压双模量、损伤演化特征的情况下,用于表征任意拉压混合载荷作用下的多向编织C/C复合材料的力学性能。在此基础上,进行了C/C复合材料喉衬变形研究,同时展开了喉衬应变场的测试。结果表明,考虑Jones-Nelson模型的计算结果和测试结果更吻合。     

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。