二维C/C复合材料高温力学、热物理性能研究

研究了二维C/C(2D -C/C)复合材料在高温下层剪强度、弯曲强度和模量、热导率和线膨胀系数的变化规律。结果表明 ,所制得的 2D -C/C复合材料的层剪强度随温度的升高变化不大、弯曲强度随测试温度的升高而增加 ;2 0 0 0℃的层剪强度、弯曲强度分别达到 1 4 .8MPa和 2 2 7.4MPa ,较室温分别提高了9.6 %和 6 0 %。弯曲模量在 1 0 0 0℃时增加到 39.4GPa ,在 2 0 0 0℃则下降 ,低于室温数值。 2D -C/C复合材料的热导率、线膨胀系数在z向和x -y向都具有明显的各向异性。未石墨化 2D -C/C复合材料 2 0 0℃的z向热导率是 4 .4 1W / (m·K) ,且随温度的升高而增加 ;而石墨化 2D -C/C复合材料 2 0 0℃的z向、x -y向热导率分别是 1 8.0 2W / (m·K)和 73.2 9W / (m·K) ,随温度的升高而下降。 2D -C/C复合材料在z向的线膨胀系数较大 ,80 0℃以内在 8× 1 0 - 6 /K～ 1 0× 1 0 - 6 /K之间 ;而在x -y向线膨胀系数在 80 0℃以内都很小 ,基本上接近于零     

三维四向C/C复合材料高温氧化环境力学试验

为了研究三维编织C/C复合材料高温氧化环境下的力学性能,在大气环境下开展了有、无抗氧化涂层三维四向C/C复合材料平板试验件700℃时的拉伸试验和拉/拉疲劳试验。拉伸试验结果表明:无涂层三维四向C/C复合材料在700℃保温1h和2h后,强度分别下降至有涂层的70.33%和44.57%,弹性模量分别下降至有涂层的58.57%和38.99%,氧化后的总拉伸应变比有涂层的大幅度提升,材料破坏时无刚度突降现象。疲劳试验结果表明:有涂层三维四向C/C复合材料的剩余刚度先增加,而后保持,最后突降,应力水平为83%经10~5循环后剩余强度比初始强度提高了19.75%;无涂层三维四向C/C复合材料的剩余刚度先增加后降低,直至材料完全破坏,应力水平为75%经10~5循环后剩余强度比初始强度降低了20.40%。     

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。      

考虑温度环境下树脂基复合材料力学性能及模型研究

采用试验的方法研究了T300/QY8911-Ⅳ复合材料不同温度环境(室温、160,200,260℃)下的纵向拉伸、横向拉伸及面内切变力学性能,探讨了材料的模量、强度随温度变化的规律并提出了相应的力学模型.试验结果表明:在室温至200℃复合材料纵向拉伸模量、强度受温度影响较小,拉伸模量最大变幅为2.82%,强度为1.41%;当温度升高到260℃时,由于树脂基体变质,材料纵向拉伸模量与强度均下降,模量下降5.85%,强度下降7.01%(均相对200℃);横向拉伸和面内切变模量、强度受温度的影响较大,在160℃范围内,材料的平均模量分别下降了49.21%和70.34%,强度下降了38.49%和44.85%.当温度升至200℃时,材料的横向拉伸及面内切变模量与强度进一步下降,模量降幅为25.13%和38.30%,强度降幅为0.41%和15.95%.拟合结果表明:3个力学模型均适用于不同温度、载荷类型下的数据分布规律,但模型Ⅱ与模型Ⅲ对数据的拟合更准确.      

后处理温度对邻苯二甲腈基复合材料高温性能的影响

制备了MT300/邻苯二甲腈复合材料,分析了不同后处理温度对其在室温和400℃下力学性能的影响。结果表明,复合材料的后处理温度由315℃提高到330℃,会使其室温下的弯曲强度和模量明显提高;但继续提高后处理温度至375℃,室温下的弯曲强度则不断下降而弯曲模量未出现显著变化;在400℃的测试温度下,复合材料的弯曲强度、模量和压缩强度则均随后处理温度提升逐步提高。复合材料的室温压缩性能随后处理温度升高呈下降趋势,但在350℃处理后其室温压缩强度又出现明显上升。室温、400℃下层间剪切强度则均随后处理温度由315℃升高至375℃而呈先下降后上升趋势。     

致密化工艺对针刺无纬布C/ C 复合材料性能的影响

比较了两种不同工艺制备的针刺无纬布C/C复合材料。研究表明,在沥青浸渍/碳化之前对针刺预制体进行CVI预增密处理后,其C/C复合材料轴向拉伸强度提高了234%,层剪强度提高了126%;热扩散率明显升高,轴向线胀系数下降,表现出良好的综合性能。     

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％.     

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

黏胶丝基碳布增强C/C复合材料研究

采用黏胶丝基碳布进行了二维层板C/C复合材料研究。和PAN基碳布进行对比,分别从碳纤维微观结构、表面形貌、碳布物理性能、树脂基复合材料炭化过程残余热应力模拟、C/C复合材料力学和热物理性能表征等方面进行了对比分析和研究。结果表明,2 200℃处理的黏胶丝基碳纤维是非石墨化结构;纤维横断面呈腰子形,碳布纬向纱弯曲。黏胶丝基碳纤维的密度仅1．39 g/cm~3;拉伸模量很低,约50 GPa。炭化过程研究表明,黏胶丝基碳纤维轴向具有持续的正的线膨胀行为,在炭化初期与酚醛树脂的膨胀行为相一致;黏胶丝基碳布增强树脂基材料在800℃的面内自由热应变是PAN基材料的1/8;模拟的炭化过程热应力是PAN基材料的1/60。黏胶丝基C/C层板材料的层剪强度高于PAN基C/C复合材料,达到16．2 MPa;其拉伸强度为46．6 MPa,弯曲强度高达95．5 MPa,拉伸模量与弯曲模量基本一致,约10 GPa。黏胶丝基C/C复合材料在800℃的热导率是6．48 W/(m·K),与PAN基C/C复合材料非常接近;在800℃的线膨胀系数是2．18×10~(-6)/ K,远高于PAN基C/C复合材料的-0．387×10~(-6)/K。总之,黏胶丝基碳纤维由于其表粗糙度大、碳布纬向纱弯曲、极低的拉伸模量、正的轴向线膨胀系数,因而C/C复合材料层剪强度高,成型工艺中热应力低,较PAN基碳纤维更适合于研制不分层的二维C/C复合材料。     

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。     

浅析C/C复合刹车材料

介绍了新一代刹车材料-C/C复合刹车材料的优点、缺点,并介绍了C/C复合刹车材料的应用现状及发展前景.     

碳化硼对碳／碳复合材料的催化石墨化作用

本文研究了用Ｂ４Ｃ作催化剂，以降低Ｃ／Ｃ复合材料的石墨化温度，并比较分析了添加Ｂ４Ｃ后，对Ｃ／Ｃ复合材料力学、热物理性能的影响。结果表明，添加Ｂ４Ｃ后，在比通常石墨化温度低４００℃的情况下，石墨化度反而增加了１４％，达到了８５％。Ｃ／Ｃ复合材料的抗热震性能也有提高。同时应用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）等分析手段，分析了Ｂ４Ｃ对Ｃ／Ｃ复合材料的催化石墨化机理。     

国外C／C复合材料致密化工艺的最新进展

介绍了Ｃ／Ｃ复合材料的致密化工艺，包括液相浸渍工艺，气相沉积工艺，气相渗透工艺，以及最新研制的低成本化学气相复合工艺和快速致密化工艺。     

C/C复合材料的纳米压痕实验及其性能分析

采用纳米压痕技术研究了不同石墨化温度和混合基体碳的C/C复合材料的性能。结果表明：石墨化温度为2 500 ℃的C/C复合材料的模量比石墨化温度为2 300 ℃的纳米压痕模量降低了10%;纳米压痕法测得热解碳、树脂碳和沥青碳混合基体的C/C复合材料中的树脂碳模量最高,热解碳的次之,沥青碳的最低;通过对纳米压痕载荷位移曲线进行非线性拟合,经过有限元计算最终得到C/C复合材料微观组元的表面断裂韧度为0.492 MPa?m^1/2。     

国内碳／碳复合材料高温抗氧化涂层研究新进展

重点阐述国内近几年来碳/碳复合材料抗氧化涂层的研究新进展,总结碳/碳复合材料高温抗氧化涂层制备新工艺和对已有工艺的改进方法,结合碳/碳复合材料的应用背景对抗氧化涂层的发展趋势进行展望.指出目前的研究结果尚达不到严酷环境下的应用要求,下一阶段碳/碳复合材料高温抗氧化涂层将重点解决室温至1700℃全温度段和高温燃气高速冲刷环境下对碳/碳复合材料的氧化保护问题,降低涂层制备成本的同时,开发可长时间应用于1800℃的高温涂层.     

抗氧化C/C复合材料超高温氧化性能分析

通过在C/C复合材料内部引入难熔金属化合物,制备出一种超高温抗氧化C/C复合材料。采用高频等离子体风洞对材料进行了超高温氧化试验。结果表明超高温抗氧化C/C复合材料的抗氧化性能较纯C/C复合材料有明显提高,通过其表面形貌及断口面扫描电镜分析,难熔金属化合物起到氧化阻挡层和内部涂层作用。     

C/C复合材料刹车盘的模具设计

采用短乱纤维压制成形,应用树脂法与CVD法复合工艺提高碳盘密度是国外最先进的生产工艺之一,而压制成形是该工艺的关键工装,本文介绍了压制成形模具的设计原理。     

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。     

C/C机织复合材料开孔板强度有限元模拟

三维机织复合材料已在航空航天领域得到广泛应用,研究开孔C/C机织复合材料在拉伸和压缩状态下的损伤机理具有重要工程价值。建立开孔C/C三向正交机织复合材料试验件的镶嵌有限元模型,在孔周范围内按照材料的细观结构建立细观尺度有限元模型,采用基于细观力学的强度准则对其拉伸和压缩损伤演化过程进行模拟,并预测其极限拉伸、压缩载荷和拉伸、压缩强度。结果表明:在拉伸与压缩载荷下,由于缝线与纤维束接触区域的应力集中,使得开孔板经纱多处区域出现损伤起始,开孔板损伤区域均呈"X"形扩展。     

航天领域C/C复合材料研究进展北大核心CSCD

随着科学技术的飞速发展,新型航天装备对防热、承载、多功能材料和结构提出了新的需求,也给C/C复合材料研究和应用带来了新的契机。本文总结了近年来C/C复合材料在超高温防热、高温承载、高导热以及非烧蚀低密度防热等功能及结构实现技术方面的主要进展,讨论了当前存在的主要问题,对未来研究方向提出了发展与展望。