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。     

不同针刺预制体结构对C/ C 复合材料力学性能的影响

在斜纹碳布/碳纤维网胎、无纬布正交/碳纤维网胎针刺圆筒预制体的基础上,通过在其结构中增加角度缠绕连续纤维,设计和研制了新型结构针刺预制体,并对比研究了不同针刺预制体结构对圆筒C/C复合材料力学性能的影响.结果表明,无纬布正交铺层针刺C/C复合材料的层剪、轴向拉伸强度都高于斜纹碳布增强针刺C/C材料,其中轴向拉伸强度达到157.0 MPa,提高了83.0％;其层剪、轴向拉伸强度均有所提高,其最大分别可达到11.68和179.0 MPa,分别提高了22.6％和14％.     

用含硅芳炔树脂制备C/C-SiC复合材料

以含硅芳炔树脂为先驱体,采用先驱体浸渍法(PIP)制备了C/C-SiC复合材料。首先通过炭化T300/含硅芳炔树脂(CFRP)制备了多孔C/C-SiC预制体,并探究了炭化工艺对所得多孔C/C-SiC预制体性能的影响,制得的多孔C/C-SiC预制体弯曲强度为98 MPa;然后以含硅芳炔树脂溶液为浸渍剂,浸渍多孔C/C-SiC预制体,经过4次浸渍、固化、炭化后,得到致密的C/C-SiC复合材料,其弯曲强度提升到203 MPa,同时用XRD、SEM、TEM等手段表征了复合材料的微观结构,所得C/C-SiC复合材料主要成分为β-SiC及无定型碳。     

C/C-SiC复合材料两种制备工艺及材料性能

以碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法(CVI)制备出低密度碳/碳复合材料,再分别采用液相硅渗透工艺(LSI)制备出密度为2.1g/cm3的碳/碳-碳化硅复合材料(C/C-SiC),及先驱体转化工艺(PIP)制备出密度为1.9g/cm3的C/C-SiC.对2种工艺制备的C/C-SiC力学性能进行了比较,结果表明:PIP工艺制备的C/C-SiC弯曲强度为287MPa,明显高于LSI工艺制备的弯曲强度155MPa.     

纤维热处理对C/C-SiC复合材料断裂韧度的影响

对未处理和不同温度(600℃,900℃,1200℃和1500℃)热处理的纤维增强树脂基复合材料(CFRP)进行裂解,获得不同微裂纹和孔隙分布的C/C预制体,用液硅熔渗法(LSI)制备C/C-SiC复合材料。采用单边切口梁法(SENB)测试C/C-SiC复合材料的断裂韧度,分析纤维热处理温度对C/C-SiC复合材料微观形貌和断裂韧度的影响机理。结果表明:对碳纤维进行热处理能够有效改变C/C预制体的裂纹和孔隙分布,通过液Si熔渗可以制备不同微观组织结构的C/C-SiC复合材料,经热处理纤维增强的C/C-SiC复合材料中SiC基体增多,包裹在C纤维表面且分布较为均匀,同时C/C-SiC复合材料的断裂韧度提高,经1200℃热处理的碳纤维增强的C/C-SiC复合材料断裂韧度达到7.9MPa·m1/2,与未处理的相比,断裂韧度提高了53%。     

纤维表面状态对C/C-SiC复合材料微观组织和相成分的影响

为了研究纤维表面状态对C/C-SiC复合材料微观组织和相成分的影响,将T300碳纤维在氮气氛围中进行不同温度的热处理后,采用液硅熔渗法制备了C/C-SiC复合材料。采用光电子能谱(XPS)对纤维表面成分进行了分析。结果表明:未处理纤维表面具有较高的氧含量,随着热处理温度的升高,纤维表面氧含量逐渐降低,导致纤维表面含氧官能团数目减少。扫描电镜(SEM)观察发现:未处理纤维增强的C/C预制体,孔隙尺寸较大且孔隙率低;而经1 500℃热处理纤维增强的预制体,孔隙尺寸较小但孔隙率高。随后对C/C预制体进行液硅熔渗处理,并对熔渗反应过程分析发现:由未处理纤维增强的预制体,液硅熔渗反应主要受溶解-沉淀和界面限制的扩散反应过程控制,获得的C/C-SiC复合材料中SiC基体相分布规则且含量较低,同时含有较高的残留Si;而经1 500℃热处理纤维增强的预制体,熔渗反应则主要受溶解-沉淀过程控制,获得的C/C-SiC复合材料中SiC基体含量多且分布较均匀,残留Si含量较少。     

C/ C-SiC 复合材料的反应熔渗法制备与微观组织

采用无压反应熔渗法在1 550℃下将熔融Si或Si0.9Zr0.1浸渗入多孔C/C预制体中制备了高致密的C/C-SiC复合材料.系统研究了多孔C/C预制体中酚醛树脂热解碳(PIP-C)和化学气相渗透碳(CVI-C)对反应熔渗Si或Si0.Zr0.1的浸渗行为、反应程度、物相成分和微观组织的影响.结果表明:熔融Si或Si0.Zr0.1完全渗入到相邻碳纤维束间的大孔和碳纤维形成的小孔中,多孔PIP-C/C预制体较易浸渗,且反应较充分,熔渗Si0.9 Zr0.1后复合材料中除了生成大量SiC外,还有少量ZrC和ZrSi2生成,未发现游离Si.多孔PIP-C/C预制体中部分碳纤维与熔体反应,损伤纤维,而多孔CVI-C/C预制体中的沉积碳仅与熔体反应生成了一薄层,很好地保护了碳纤维,保持了碳纤维的高性能.提出反应熔渗制备C/C-SiC复合材料的形成机制:由初期的溶解-沉淀控制和后期的C向SiC层扩散控制为主.     

液氧/煤油发动机涡轮泵密封材料的研制

通过预制体、复合工艺路线及参数的选择,进行了高压补燃液氧/煤油发动机涡轮泵用高性能C/C密封材料的研制,分析了预制体、复合工艺对材料性能的影响.结果表明,以针刺无纬布为预制体,进行CVD碳、树脂碳和沥青碳致密,最高热处理温度为2 500℃,最终进行封孔处理所制备的C/C复合材料综合性能良好,其密度为1.92g/cm^3,开孔率0.06%,轴向压缩强度232 MPa,轴向弯曲强度158 MPa,肖氏硬度为77.该密封材料构件成功通过液氧/煤油发动机热试车考核,显示出了在该领域的应用前景.     

C/C-ZrC复合材料的制备及结构性能研究

采用针刺及细编穿刺结构分别引入热解碳和沥青碳的多孔C/C坯体,通过反应熔渗工艺（RMI）与熔融金属Zr反应制备了C/C-ZrC复合材料。研究了预制体结构和基体碳类型对C/C-ZrC复合材料微观结构及力学性能的影响。结果表明：材料熔渗后只由C,ZrC两相组成,孔隙率5%~10%,ZrC质量分数53%~63%。针刺结构的C/C坯体熔渗效果更好,制得的C/C-ZrC复合材料密度最高达到3.21 g/cm³;ZrC质量分数达到62.8%。热解碳基体在熔渗过程中对纤维保护作用更好,C/C-ZrC复合材料的弯曲强度达到148 MPa,压缩强度达到408 MPa。     

C/C复合材料预制体的研究进展

C/C复合材料是航空航天领域重要的热结构材料,碳纤维预制体是其最主要的基础技术之一,决定着C/C复合材料的各项性能。本文主要介绍了针刺毡、细编穿刺预制体和轴棒编织预制体等C/C预制体,对比了不同预制体的工艺方法、性能和应用特点。针刺毡预制体由于成本低、烧蚀均匀等特点,广泛应用在固体火箭发动机喷管和飞机刹车盘领域;细编穿刺预制体具有纤维体积含量高、致密化周期短和烧蚀率低等特点,应用在固体火箭发动机喉衬;轴棒编织预制体由于织物中70%以上纤维垂直于燃气流方向,提高了材料的抗烧蚀性能,适于制造大型固体火箭发动机。针对国内预制体的研究状况,提出了要加强预制体的孔隙结构、纤维排布等对C/C复合材料的力学、热物理学以及后续致密化工艺影响的研究,更好地促进预制体的发展,进一步提升我国C/C复合材料的性能。     

等温化学气相渗透法制备C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能

以碳纤维体积分数为30%的2.5维针刺碳毡为预制体,通过等温化学气相渗透法(Isothermal Chemical Vapor Infiltration,ICVI),制备4种C/C-SiC复合材料,基体中Si C含量由56%降至15%,其密度相近(1.87~1.91 g/cm~3)。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对上述材料的显微结构和物相组成进行观察和分析,并在MM-1000型摩擦磨损试验机上研究复合材料的摩擦磨损性能。结果表明:随着基体Si C含量的降低,C/C-SiC复合材料的平均宏观硬度由98.2HRA降至65.1HRA,硬度分布的均匀性也明显下降;制动过程的平均摩擦系数和质量磨损率均显著增加;通过对摩擦表面形貌和磨屑微观形貌的分析,表明制动过程中的磨损机制受材料表面宏观硬度的影响显著;随着复合材料表面硬度的降低,磨损机制由磨粒磨损为主向磨粒磨损和黏结磨损联合转变,从而使摩擦系数和磨损量显著提高。     

3D针刺C/SiC复合材料螺栓的低成本制备及力学性能

以三维针刺碳毡作为预制体,通过化学气相渗透(CVI)工艺,制备了密度约为1.50～1.60 g/cm3的半成品C/SiC复合材料板材,然后采用专用磨具在半成品复合材料板上按照指定的取样方式切割出螺杆与头部毛坯,并分别对螺杆和头部攻丝,将两者装配在一起形成半成品螺栓,对半成品螺栓CVI致密化并在其表面制备SiC抗氧化涂层,制备出低成本的3D针刺C/SiC复合材料螺栓.提出了C/SiC复合材料螺栓力学性能的测试方法,通过自行设计的夹具,对所制备螺栓的力学性能进行了测试表征,并利用扫描电子显微镜(SEM),对C/SiC复合材料螺栓的拉伸断口形貌进行了观测.结果表明,所制备的螺栓具有较好的抗拉和抗剪能力,室温下螺栓的抗拉强度和剪切强度分别为151.7 MPa和85.6 MPa.     

环状针刺C/C复合材料的压缩性能及破坏机理

以碳纤维针刺毡为预制体,采用CVI致密工艺制作准三维C/C薄壁回转体,具有各向异性的力学性能.本文主要对三个主方向的材料压缩性能及破坏机理进行了研究讨论.结果表明:轴向压缩与环向压缩性能相似具有较高的压缩模量.材料的径向压缩表现为假塑性断裂行为,在材料的断裂面上具有大量纤维及基体碎屑,材料发生剪切破坏及基体压溃破坏.材料的轴向压缩与环向压缩表现为脆性断裂行为,材料主要以分层劈裂方式破坏.     

碳布铺层方式对C/ C-SiC 薄壁喉衬性能的影响

通过CVI+PIP 制备了准三维针刺C/ C-SiC 薄壁喉衬,预制体碳布铺层方式分别采用与喉衬内型 面形状相同的仿形铺层以及与喉衬入口端角度相同30°铺层。研究了两种铺层方式对最终构件层间弯曲性 能、整体承压性能以及抗烧蚀抗冲刷的影响。结果表明,构件的弯曲强度分别为205 和152 MPa;水压爆破压 力分别为6. 5 和4. 9 MPa。用与材料表面夹角为30°的氧乙炔气流考查材料的抗烧蚀及冲刷性能,同角度铺层 成型材料抗冲刷能力明显较好,200 s 其线烧蚀率为仿形铺层成型材料的70%。     

C/C素坯密度对GSIC/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

采用气相渗硅工艺(GSI)制备C/C-Si C复合材料,研究了C/C素坯密度对GSI C/C-Si C复合材料物相组成与摩擦磨损性能的影响,分析了C/C-Si C复合材料的制动过程,并归纳了其摩擦磨损机理。结果表明,随着C/C素坯密度的增大,GSI C/C-Si C复合材料的密度呈递减趋势,且C含量和开气孔率逐渐增加,而Si C含量和残余Si含量逐渐减少;自对偶条件下,复合材料的平均摩擦系数、磨损率均呈现先增大后减小的趋势,当C/C素坯密度为1.25g/cm3时有最大值,而制动稳定系数则不断增大。GSI C/C-Si C复合材料的制动过程是犁沟效应和粘着效应共同作用的结果,制动初始阶段和刹停阶段以犁沟效应为主,中间阶段以粘着效应为主。     

基于显微CT 技术的C/ C-SiC 复合材料孔隙率测量方法

提出了一种基于显微CT技术的测量复合材料孔隙率的新方法,研究了C/C-Si C复合材料体积孔隙率测量原理,讨论了测量区域体积对测量结果的影响。研究结果表明,显微CT技术能够获取复合材料内部三维微观图像,通过灰度直方图阈值分割法能够较为精确测量C/C-Si C复合材料体积孔隙率,并且只有选择的测量体积范围超过一定值时才能获得较为精确的测量结果。     

针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测

基于金相显微镜观测的针刺C/C复合材料细观结构,考虑材料内部纤维的真实分布,建立了针刺C/C复合材料单胞模型。采用Linde失效准则,考虑纤维渐进损伤对材料进行了刚度折减,通过引入周期性位移边界条件,对针刺C/C复合材料的拉伸破坏进行了有限元法（FEM）数值模拟,分析了单胞模型的渐进失效过程,并预测了材料的拉伸强度。开展了针刺C/C复合材料拉伸试验,采用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌,数值预测结果与试验吻合良好。针刺C/C复合材料受拉伸载荷后发生准脆性断裂,拉伸应力-应变曲线呈双线性,0°无纬碳布发生纤维断裂和基体开裂破坏,90°无纬碳布出现横向基体劈裂,最终断裂发生在针刺纤维与面内无纬碳布交叉区域。     

影响碳化硅基复合材料机械性能的工艺因素

介绍了纤维及预制体成型、高温处理、界面技术、基体致密化及后处理等工艺因素对碳化硅基复合材料机械性能的影响。基体密化工艺是影响复膈材料性能最为主要的因素,化学气相渗透工艺制备的碳化硅基复合材料的强度和韧性明显高于其它工艺制备的复合材料,预制体高温处理可提高纤维在基体复合材料及使用过程中的高温稳定性,减少纤维／基体界面的热应力,但高温处理会引起纤维强度大幅度下降,在高温处理前先进行中间相涂层处理,不仅