碳／碳复合材料的研究与发展

本文简述碳／碳复合研究与发展的概况，包括洲际导弹端头材料、抗氧化热结构材料、飞机刹车材料、先进碳／碳和抗氧化涂层。指出了进一步研究发展的方向。     

基于有限元模型的三维随机纤维材料微结构设计

为研究三维随机纤维材料服役环境下的力学性能,提高热防护系统安全服役性能和结构寿命。利用有限元建模软件,建立三维随机纤维材料微结构模型,研究其面内和厚度两个方向的三维随机纤维材料宏观力学性能与几何参数(纤维方向、纤维长度和纤维直径)的关系,获得了三维随机纤维材料厚度和面内宏观力学性能演化规律。结果表明:三维随机纤维材料内部偏移纤维比重越大,厚度方向压缩强度就越高,面内方向压缩强度就越低;压缩强度随纤维长度增加呈上升趋势,在0.9 mm左右时达到临界值;压缩强度随纤维直径增加呈下降趋势。该研究结果可为三维随机纤维材料制备提供理论基础。     

中间相碳微球模压高密高强碳/石墨材料的SEM研究

用中间相碳微球(MCMB)做原料，冷模压成型后再经过热处理后得到高密高强模压碳/石墨材料，考察了不同热处理温度对制品的力学性能的影响以及微观结构的变化。实验结果表明，与常规方法制备的碳/石墨材料相比，经过热处理的MCMB模压制品具有更高的力学性能。1300℃热处理后MCMB模压制品的压缩强度可以达到240．8MPa，弯曲强度达到86．1MPa。微观结构分析表明，经过900℃热处理后的制品具有极为密实的结构，虽然在更高的温度热处理后，制品表面存在着一些小孔和微裂纹，但相对于常规碳/石墨材料而言，它们是非常微小的。另外，从高倍数SEM分析表明，MCMB是比较容易石墨化的碳材料原料。     

碳/酚醛结构材料的研究

研制出的碳布增强硼酚醛材料力学性能优异,剪切强度高达34.7MPa,压缩强度达270MPa,比一般碳/钡酚材料提高30%～70%;接近柔性接头非金属增强件碳/环氧材料水平,达到柔性接头非金属增强件材料的指标要求,有望替代现有碳/环氧材料。由于抗烧蚀性能优于碳/环氧材料,使非金属增强件热防护能力提高。     

预制体结构和热解碳组织对二维碳/碳复合材料热物理性能影响

制备了针刺毡、短纤维树脂模压、碳布叠层 3种预制体 ,其碳纤维体积含量均为 4 0 %。采用化学气相沉积工艺制备了 4种C/C复合材料 :针刺毡 粗糙体热解碳 (具有两种定向热解碳组织 )、短纤维 树脂和热解碳、碳布 光滑体热解碳复合材料 ,对其进行 2 5 0 0℃保温 2h的高温热处理。在 0～ 90 0℃ ,研究了预制体结构和热解碳组织对二维C/C复合材料的热膨胀系数、比热容、热扩散率、导热系数等热物理性能影响。研究发现 :预制体和热解碳结构对C/C复合材料热物理性能有强烈影响。 0～ 90 0℃ ,4种材料的热膨胀系数都非常小 ,与温度近似的成线性关系 ,且几乎具有相同的斜率 ,在一定条件下 ,其值呈现负热膨胀性质 ;0～ 90 0℃ ,4种材料都有高的导热系数 ,但作为温度的函数 ,其值随预制体结构、热解碳组织和传热方向而变化 ,x y向的导热系数 (2 5 .6～1 74W / (m·℃ ) )比z向的 (3.5～ 5 0W / (m·℃ ) )高几倍     

碳／碳复合材料研究的现状和进展（二）

本文综述了碳／碳复合材料的加工工艺，力学性能与军事应用，包括碳／碳复合材料织物结构设计与编织，致密化技术，力学性能研究，航空航天领域的应用等内容，并展望了其发展方向。     

碳/碳复合材料超高温力学性能测试研究

超高温力学性能测试系统采用通电的方法对试样进行加热，并利用自行研制的引伸仪解决了变形测量问题。采用此系统对碳／碳复合材料进行超高温测试，获得了3000℃范围内材料拉伸和压缩性能随温度的变化关系，并给出了相应的应力－应变曲线。     

碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究

为了深入认识复合材料的多尺度传热特性,预测复合材料宏观热物性参数,基于通用单胞思想和多尺度传热特性分析,建立了一种有效预测碳布叠层穿刺复合材料等效热物性参数的方法。基于电镜扫描分析了纤维束和编织结构的特征,采用通用单胞思想,建立了介/细观传热分析模型,通过数值仿真进行了一系列的多尺度传热特性分析,譬如:纤维体积分数对纤维束结构传热特性的影响、穿刺纤维束大小对编织结构传热特性的影响分析,在此基础上,建立了胞体模板扩展,初步将介/细观结构研究规律应用到宏观结构热物性预测,并进行多层胞体传热特性分析。验证实验表明:等效热物性预测值与实验值吻合较好,方法有效,为深入理解认识碳布叠层穿刺复合材料的介/细观传热特性提供了有效的分析手段。     

三维五向碳/酚醛编织复合材料的拉伸性能及破坏机理

 对不同编织角、不同体积含量的三维五向碳/酚醛编织复合材料进行了纵向（编织方向）拉伸实验和横向拉伸的对比实验，获得了这些编织复合材料的主要拉伸力学性能。实验后对拉伸试件的断口进行了照相和扫描电镜观察，分析了材料的变形及其破坏机理。实验结果表明: 编织角仍是影响三维五向编织复合材料拉伸力学性能的主要因素，并且复合工艺的质量对复合材料的力学性能有重要影响。此外,发现三维五向碳/酚醛编织复合材料的横向拉伸与纵向拉伸具有完全不同的破坏机制。     

抗氧化碳—碳复合材料

碳-碳复合材料的氧化敏感性限制了它的应用。为满足未来航天、空天飞机热结构材料的需要,必须解决碳-碳复合材料的抗氧化问题。改善碳-碳复合材料抗氧化性能的途径包括结构、纤维和基体的改进,目前碳化硅涂层是最有效的方法。     

抗氧化处理对3D C/C复合材料性能的影响

研究了采用化学气相反应法制备的SiC抗氧化涂层对3D整体编织C／C复合材料的密度、力学性能以及微观结构的影响。结果表明，3D C／C复合材料经抗氧化处理后，其密度、开孔率以及力学性能均有不同程度的提高。由SEM微观结构可以看出，其力学性能提高是由于气态Si渗入到材料基体内部，并与内部的C反应生成SiC，在一定程度上弥合了材料中的缺陷所致。     

C/C复合材料与高温合金GH600之间高温接触热阻的试验研究

 在高超声速飞行器翼前缘的热防护技术方面,采用内置高温热管是一种新型高效的热防护方法,其中C/C复合材料结构与内置高温热管之间的界面接触热阻对传热效率及热力耦合起着至关重要的作用。本文自主搭建了一套高温接触热阻试验平台,并针对三维编织C/C复合材料与高温合金GH600在不同界面应力、界面粗糙度及界面温度下的接触热阻进行了试验研究。研究结果表明本平台在进行高温接触热阻试验研究上是切实可行的,利用该试验平台得到了三维编织C/C复合材料与高温合金GH600之间接触热阻的变化规律,有关结果可以为中国新型内置高温热管热防护结构的设计及安全评估提供参考。     

C/SiC复合材料AUAG加工机理及实验研究

对C/SiC复合材料沿纤维分布方向超声磨削加工AUAG展开研究,对超声加工C/Si C复合材料的表面微观结构以及机械性能进行了评估,对表面质量随加工参数的变化而变化展开了研究。结果表明通过AUAG超声磨削加工参数的优化设计,可以得到较好的表面质量。     

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。      

C/C-SiC复合材料致密度影响因素

利用先驱体转化法制备C/C-SiC复合材料,对试样进行微观结构分析和性能测试,研究渗硅温度、保温时间、真空度和裂解周期对C/C-SiC复合材料致密度的影响。结果表明:随着渗硅温度的升高,材料的致密度呈先加速升高后快速下降趋势;随着保温时间的延长,材料的致密度先快速升高,保持一段时间稳定后再缓慢降低;随着烧结真空度的提高,材料的致密度加速升高;随着裂解周期的增加,材料的致密度不断增大,但增速逐步降低。经过11周期的“浸渍-固化-裂解”过程后,所制备的C/C-SiC复合材料获得最大密度2.09 g/cm3、最小孔隙率7.6%,其综合力学性能最为优异:弯曲强度468 MPa、拉伸强度242 MPa、断裂韧度19.6 MPa?m1/2、维氏硬度17.2 GPa。     

C/C—SiC复合材料的制备与性能

采用化学气相渗透（CVI）法和液相浸渍有机物先驱体混合工艺制备了C／C－SiC复合材料，并对复合材料力学性能、抗烧蚀性能和抗氧化性能进行表征。结果表明：制备的C／C－SiC复合材料在基本保证C／C复合材料力学性能的基础上，抗氧化和抗烧蚀性能得以大幅度提高，提出了制备兼具C／C复合材料与陶瓷材料的技术途径。     

Prediction of cutting forces in ball-end milling of 2.5D C/C composites

Machining of carbon/carbon (C/C) composite materials is difficult to carry out due to its high specific stiffness, brittleness, anisotropic, non-homogeneous and low thermal conductivity, which can result in tear, burr, poor surface quality and rapid wear of cutters. Accurate and fast pre-diction of cutting forces is important for milling C/C composite materials with high quality. This paper presents an alternative cutting force model involving the influences of the directions of fiber. Based on the calculated and experimental results, the cutting forces’ coefficients of 2.5D C/C com-posites are evaluated using multiple linear regression method. Verification experiment has been car-ried out through a group of orthogonal tests. Results indicate that the proposed model is reliable and can be used to predict the cutting forces in ball-end milling of 2.5D C/C composites.     

微量Al 掺杂对2D C/ SiC 性能的影响

以二维编织碳纤维碳布为预制体,采用聚铝碳硅烷(PACS)为聚合物前驱体,应用化学气相渗透(CVI)结合聚合物浸渗-裂解(PIP)工艺制备微量Al掺杂2D C/SiC复合材料。研究微量Al掺杂对C/SiC微观结构、力学、热膨胀和氧-乙炔焰烧蚀性能的影响。结果表明:掺杂微量Al未改变C/SiC的微观结构和热膨胀性能,也未降低其韧性和强度;但微量Al掺杂提高了C/SiC的抗烧蚀性能,含微量Al的SiC氧化形成微量Al熔于SiO2的固熔体,微量Al提高了SiO2的黏度和致密度,减小SiO2挥发,较未掺杂Al的C/SiC相比,线烧蚀率降低了26%。     

C/C复合材料烧蚀形貌测量及烧蚀机理分析

对C／C复合材料试件的表面细观烧蚀进行了常压下的亚、超声速和高压下的亚音速烧蚀形貌的测量；根据测量结果，分析了C／C复合材料在上述情况下的质量损失规律。结果表明：C／C复合材料在亚音速流场的条件下，z向纤维束首先发生剥蚀，当压力升高时，碳布会发生层间剥蚀的现象；而在超音速条件下，碳布更容易发生剥蚀的现象。     

轻质刚性纳米隔热材料的制备与性能

针对高马赫数飞行器局部位置对刚性隔热材料的迫切需求,开展了轻质刚性纳米孔隔热材料的制备和性能研究。通过纤维分散、模压成型和纳米颗粒复合技术,成功制备出力学性能优良的刚性纳米孔隔热材料。研究了材料组成与力学性能、隔热性能和微观结构的关系。结果表明,采用刚性骨架增强的纳米孔隔热材料是相同密度下纤维毡增强隔热材料压缩强度的两倍;温度越高,隔热材料的压缩强度变化就越大。