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。     

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。     

缝合结构C/C复合材料的制备及组织

以缝合结构织物为预制体,采用化学气相沉积工艺制备了C/C复合材料.通过OM、PLM对其组织进行了分析.采用SEM观察了热处理前后试样的断口形貌.结果表明:该复合材料组织为粗糙层热解碳,主要沉积在纤维束内的小孔隙内;热解碳与纤维之间界面结合紧密,沉积态C/C复合材料表现为脆性断裂方式,断口较平整,主要为纤维束的断裂;热处理后纤维/基体界面结合变弱,有单根纤维的拔出,材料呈假塑性断裂方式.     

无纬碳布增强针刺毡C/C复合材料性能的研究

比较了几种不同工艺制备的针刺毡C/C复合材料。对针刺碳毡织物首先进行预增密处理,得到初始密度和碳纤维含量较高的坯料,然后用树脂浸渍法进一步致密化。研究表明,用该方法制备的C/C复合材料比未经预处理的试样,拉伸强度提高39%,压缩强度提高14%,层间剪切强度提高36%。通过SEM观察和常温力学性能的测试,分析表明工艺的改进是强度提高的主要原因。     

碳/碳销钉研究

碳纤维由混编,软编制成预制体,后经致密化制成C／C销钉复合材料,讨论了编织方法,复合工艺,界面,加工性等影响C／C销钉的因素,高压碳化沥青碳基体与碳纤维界面结合强;纤维体积分数对碳销钉的强度起决定性作用,软编C／C销钉可机加性好,带轴纱4向软编C／C销钉的纤维含量高,剪切强度高达63．7MPa。     

提高C／C复合材料高温抗氧化性能的研究

本文从C/C复合材料的原材料入手,研究了基体添加剂及碳纤维表面处理对C/C复合材料高温抗氧化性能的影响,结果表明,在C/C复合材料复合成型之前,在基体中增添抗氧化物质及对碳纤维进行表面处理都能改善高温抗氧化性能,并在实践中发现,碳纤维用量也与C/C复合材料的高温抗氧化性能有一定关系。     

多向C/C复合材料烧蚀表面粗糙度初步研究

对C／C复合材料的烧蚀表面粗糙度进行了测量，并对不同编织结构和不同基体组元的C／C复合材料的烧蚀表面粗糙度进行了比较分析。研究发现：基体组元相同时采用多向结构的C／C复合材料烧蚀表面粗糙度明显降低；编织结构相同时，舍有沉积碳组元的碳／碳复合材料烧蚀表面粗糙度明显降低。     

C/C复合材料界面影响下的宏观拉伸强度模拟

C/C复合材料的宏观强度是由纤维束强度起主导作用,而纤维束强度受纤维/基体界面剪切强度影响.本文建立了界面剪切强度影响下的纤维束强度计算模型,用以计算纤维束或碳布强度.针对细编穿刺C/C复合材料利用其周期性结构单胞,纤维柬和碳布采用Tsai-Wu准则,基体采用最大应力准则,纤维束/基体界面采用内聚力单元,并对其采用二次应力准则,将单胞施加周期性边界条件,计算了纤维束/基体界面处于弱界面剪切强度并与纤维/基体界面剪切强度在一定比例协同变化时的材料宏观拉伸强度,分析了材料的破坏模式.通过计算结果表明:材料宏观拉伸强度会随两类界面剪切强度的协同增加而增加.     

热压压力对B/Al复合材料组织结构及力学性能的影响

使用表面覆有B4C涂层的硼纤维，采用大气等离子喷涂法制备连续硼纤维增强铝基复合材料预制片，结合真空热压扩散焊制备了纤维均匀分布的B／Al复合材料。探讨在接近铝基体熔点温度的条件下热压压力对复合材料力学性能与B／Al界面结合的影响，分析了B／Al界面结合状态与断口形貌及力学性能之间的关系。研究表明：热压压力对制备的B／Al复合材料的纤维体积分数、B纤维与Al基体的界面结合状态和拉伸强度有显著的影响；纤维表面的B4c涂层有效地防止了B纤维与Al基体间的界面反应，在温度6500C、压力10MPa的条件下，制备的纤维体积分数为42％的B／Al复合材料拉伸强度达到968MPa，达到了纤维理想强度的77％。     

连续SiCf/TC17复合材料室温偏轴拉伸性能研究

采用磁控溅射法结合热等静压工艺制备SiC_f/TC17复合材料,通过SEM观察试样的断口形貌,研究了复合材料在室温的偏轴拉伸性能及断裂机制。结果表明：纤维偏轴角度在0°~2°间,复合材料轴向性能变化较小,拉伸强度稳定在1 960~1 987 MPa;纤维偏轴角度再增大时（＞2°）,材料拉伸强度近似呈单调线性降低,由1 870 MPa降至1 797 MPa。纤维偏轴角度较小时（≤2°）,平坦区基体与纤维断裂面平整,且两者的断裂面平行。纤维/基体界面没有明显的脱粘破碎迹象;纤维偏轴角度较大时（＞2°）,部分纤维存在“斜切断裂”,纤维拔出距离变长,且不再与基体的断裂面保持在同一平面,基体撕裂损伤严重。依据断口形貌结合局部承载模型,详细论述了SiC_f/TC17复合材料两种拉伸失效的断裂过程。纤维偏轴角度较小时（≤2°）,裂纹萌生于纤维间距较小的反应层,在界面处钝化或偏转进而形成不同截面的平坦区,当纤维超过承载能力极限,试样整体断裂;纤维偏轴角度较大时（＞2°）,“拉-剪”耦合效应导致C涂层与反应层间的界面脱粘破碎形成裂纹源,裂纹加速反应层受损或导致界面脱粘致使纤维断裂,当基体及剩余纤维超过承载能力极限,试样整体断裂。     

碳纤维增强可溶性聚芳醚树脂基复合材料的表面与界面

首次对碳纤维增强含二氮杂萘酮联苯型聚芳醚砜酮(PPESK)基高性能热塑性树脂基复合材料的界面进行了研究。采用空气冷等离子体处理方法对碳纤维表面进行处理。用XPS测试分析了不同等离子体处理时间对CF-原丝表面元素组成的影响及其变化规律。用FT-IR测试分析了经等离子体处理前后碳纤维表面的官能团的变化。采用动态接触角测试分析了不同处理时间下,碳纤维浸润性的变化规律,进一步分析了复合材料界面的粘结机理。采用AFM测试分析等离子体处理时间对碳纤维表面粗糙度的影响。利用ILSS测试方法表征了碳纤维/PPESK复合材料的层间剪切强度,确定了最佳的等离子体处理条件。利用SEM观察了碳纤维/PPESK树脂基复合材料的层间剪切破坏形貌。结果表明:对碳纤维的最佳的等离子体处理条件为:处理功率200W,处理时间15m in。在这一条件下处理碳纤维,复合材料的ILSS值最达可提高13.5%。经过适当的等离子体处理后,碳纤维表面的极性基团的含量、浸润性能和粗糙度均得到改善,增强纤维与树脂基体间界面的粘结性能得到提高,从而提高了复合材料的力学性能。     

纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析

采用拉伸试验和有限元分析方法研究纤维增强树脂基复合材料螺栓连接与胶–螺混合连接结构的失效机理。通过拉伸–剪切试验分析其载荷–位移曲线,结合有限元仿真结果及断面微观结构变化分析其结构强度和失效机理。结果表明,螺栓连接结构孔周碳纤维丝束受到螺栓挤压力变形后传递给树脂基体。因此,呈现纤维屈曲变形,树脂基体由均匀分布状被断裂的纤维短束挤压变成团簇状,形成结构不均匀而出现薄弱区域。胶–螺混合连接结构呈现拉伸断裂式破坏,断口处碳纤维丝束在拉伸–剪切作用下从环氧树脂基体中拔出并损伤断裂,丝束方向杂乱排布。附着在碳纤维丝束周围的树脂基体从均匀分布状变为团聚状,连接结构在达到极限载荷之后出现拉伸断裂,呈现净截面破坏,并且在重新分配载荷之后板材之间的胶粘剂对纤维的破坏会起延滞作用。材料强度、螺栓强度、胶层强度及螺栓宽径比等因素均会成为影响连接结构失效破坏的因素。     

碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响

用浇铸成型法制备了碳纳米管／环氧树脂复合材料，研究了其力学性能，并探讨了该材料的微观结构与性能之间的关系。结果表明，碳纳米管对环氧树脂具有明显增强增韧作用。在碳纳米管加入量为3.0％(质量分数)时，复合材料的综合性能较好，拉伸强度、拉伸模量及断裂伸长率较纯树脂分别提高了90％-100％、60％-70％、150％-200％。     

高温处理对液相气化沉积碳/碳复合材料微观组织结构及力学性能的影响

 对用快速液相气化法制备的碳 /碳复合材料进行了石墨化处理;用 X-ray衍射技术和扫描电子显微镜对高温处理前后材料的微观组织结构及断口形貌进行了研究观察;分析了影响石墨化前后微观结构、力学性能变化及断裂失效模式的因素及机理。结果表明 :经石墨化处理后,d₀₀₂ 值降低,L_c 值升高,弯曲强度σ_f大幅度降低,层间剪切强度 ILSS升高,但随热处理温度提高,ILSS值有降低趋势。     

玄武岩纤维表面涂层改性研究

采用溶胶-凝胶技术制备有机/无机纳米杂化涂层材料,通过红外光谱和原子力显微镜技术对该材料进行表征分析,结果表明合成了环氧/SiO2纳米杂化材料.采用合成的纳米杂化浆料对玄武岩纤维进行表面改性,通过纤维表面形貌、纤维复丝拉伸强度和复合材料层间剪切强度分析,研究玄武岩纤维表面涂层改性效果.试验结果表明:采用适当浓度的涂层溶液对玄武岩纤维进行表面改性可以有效的增加纤维表面粗糙度,提高纤维复丝拉伸强度,改善复合材料界面粘接强度,说明玄武岩纤维表面涂敷有机/无机纳米杂化涂层的改性方法是确实有效的.     

PBO纤维复合材料的拉伸性能研究

对PBO纤维的干纱、复丝以及单向复合材料的拉伸性能进行实验测试，探讨了测试标准对PBO复丝性能的影响，采用SEM观察了PBO纤维表面形貌和复合材料拉伸破坏断口特征，并与F-12纤维相应的拉伸性能进行了对比。结果表明：PBO纤维单向复合材料比F-12纤维具有更为杰出的拉伸性能，拉伸强度比F-12高约28．3％～55．4％、拉伸模量高约80％。PBO纤维复丝性能因测试标准不同其拉伸强度和拉伸模量相差较大。SEM观察到PBO纤维表面极光滑，与树脂界面粘结差，其复合材料拉伸破坏断口呈“皮芯”抽离和纤维撕裂破环特征。     

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。     

碳纤维/双马树脂复合材料整体成型过程分层扩展行为实验研究

针对复合材料构件热压罐成型过程中常见的分层缺陷,考察了整体成型工艺温度对分层扩展、QY8911双马树脂基体韧性及T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并通过分层扩展断面形貌深入分析了复合材料整体成型工艺中分层扩展的路径和断面破坏模式,给出了复合材料整体成型工艺和结构设计的优化建议措施。结果表明,随着整体成型最高温度的升高,分层扩展程度增大,QY8911双马树脂基体的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低,T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增大;对分层扩展断面进行SEM扫描电镜分析发现分层扩展沿着层间开裂,断面内存在基体断裂和基体/纤维界面脱粘两种破坏模式,Ⅰ型层间断裂是复合材料整体成型工艺中分层扩展的典型微观特征。     

复合材料断口形貌与性能

本文用扫描电镜分析复合材料断口形貌的方法,研究了基体性能、固化过程中的加压时机对复合材料力学性能的影响。并分析了断口形貌与力学性能的内在联系。研究结果可供设计复合材料参考。