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。     

基于XRD的径向分布函数法研究碳纤维制备过程中的结构演变

采用X射线和径向分布函数研究分析了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维制备过程中的结构演变。结果表明,PAN原丝中存在着与石墨类似的结构,该结构是石墨微晶结构形成的重要基础;PAN大分子链最近邻链间间距为0.688nm;碳化温度在500～1250℃范围内的碳化纤维中的第三近邻距离均大于石墨晶体的第三近邻距离,表明碳纤维中没有形成平面构型的六元环石墨烯层片;在整个碳纤维的制备过程中,纤维结构经历了长程有序-长程无序、短程有序-长程有序的演变。     

金属与复材混杂连接结构的热应力研究

随着民用飞机的不断发展，复合材料在民用飞机上的使用比例越来越高，复材与金属的混杂连接结构细节也越来越多。民用飞机使用的环境温度包线大，在-75 ℃~55 ℃之间，研究金属与复合材料混杂连接结构的热应力及应变具有必要性。使用控制变量法和对比法，通过有限元建模计算，研究不同厚度的铝合金和钛合金与同一种复合材料连接的结构热应力与应变。结果表明，在相同温度载荷及金属厚度在3 mm~6 mm之间时，复合材料的热应变与钛合金结构厚度成反相关，且钛合金框的热应力比复合材料蒙皮的热应变对钛合金框厚度的变化更敏感；复合材料的热应变与铝合金结构的厚度变化成正相关；钛合金框结构的热应力与自身厚度成反相关，铝合金框结构的热应力与自身厚度成反相关。研究结果具有一定借鉴意义和价值。     

航空透明聚氨酯胶片动态力学性能实验研究

对夹层玻璃中聚氨酯胶片的动态力学性能进行系统研究,可以为飞机和高铁风挡玻璃抗冲击性能的设计提供可靠的材料数据和模型。利用温度控制的Hopkinson拉、压杆试验装置和微型材料试验机(MTS5587)对聚氨酯胶片在-40~50℃温度范围、0.001~6 500s-1应变率范围内的力学行为进行了系统研究。结果表明:航空透明聚氨酯的力学性能具有明显的温度敏感性和应变率敏感性,随着应变率提高或温度降低,聚氨酯胶片的流动应力和割线模量也相应增加,表现出明显的应变率和温度效应,同时两者可能有一定的等效性。温度从-20℃下降到-40℃时,应力-应变曲线变化显著,表现出向玻璃态转变的特性。在0℃以上的温度时,同应变率下,动态拉伸应力-应变曲线的应力值要低于动态压缩曲线的应力值。而在温度低于0℃时,在同应变率下,动态拉伸应力-应变曲线的应力值则高于动态压缩曲线的应力值。     

锯齿冠叶片瞬态热应力模拟试验

锯齿冠涡轮叶片在发动机起动过程中会产生较大的热应力。这种热应力与离心应力、气动应力合成的综合应力可能引起涡轮叶片的低循环疲劳失效。建立了瞬态温度场的热传导、热弹性相似关系 ,通过满足热相似条件的热模拟试验 ,分析了某型锯齿冠涡轮叶片在发动机起动过程的瞬态热应变和热应力 ,其结果为分析该型叶片的低循环疲劳失效原因提供了依据 ,同时讨论了叶冠结构因素对热应力的影响。     

阻燃钛合金高温变形行为研究

通过等温恒应变速率热模拟压缩试验,研究了一种铸态组织的阻燃钛合金在变形温度900~1200℃,应变速率0.001～1s-1下的高温流变应力和组织演变,计算了变形激活能及应力指数,并给出了该合金变形的本构方程.结果表明,此种阻燃钛合金高温变形是扩散控制的过程,软化机制以动态回复为主,但在应变速率较高时会发生项链状动态再结晶,而在应变速率较低时会发生连续再结晶,合金中的碳化物形貌在高温变形过程中也会发生转变.     

粉末高温合金等温成形模具升温热负荷分析

通过建立粉末高温合金盘件等温成形模具的有限元分析模型,对Ni-11Co-17W-6Al-8Ta合金模具的升温参数进行了优化。研究结果表明,在升温速率0.1～0.5℃/s内,模具升温过程中表现出的应力峰值较低。升温过程中的阶段保温时间在2～4h,热应力缓失效果最佳,而当该时间大于4h时,热应力下降的后期速度显著降低,保温作用对应力的影响减小。在升温制度0.1℃/s,2h下有限元模拟的温度场和应力场结果显示,模具的外表面以及型面过渡区域出现应力集中现象,且应力-时间曲线显示该区域应力在升温过程中波动幅值较大。然而,1050℃和1100℃下的疲劳试验结果表明,以上区域的热负荷对裂纹扩展的影响较小。     

树脂基复合材料的分解防热效率

为了提高树脂基复合材料烧蚀中的热阻塞效应,同时避免因为加入过量树脂引起的复合材料脆性较大的问题,本文提出了引入可分解纤维改性的方法来解决这一矛盾.通过比较,筛选出了分解性质与酚醛树脂相似的可分解纤维,制备了改性纤维/酚醛复合材料.电弧风洞烧蚀试验结果显示,20 mm厚的改性纤维/酚醛在最高热面温度1 300℃、总加热时间600 s的条件下背面温升比相同条件下高硅氧/酚醛低约40℃,表现出很好的烧蚀防热性能,与材料设计的初衷相符.因此,引入可分解纤维的方法是一种有效改善复合材料性能的方法.     

高纯α—Fe热压缩动态复原机制的研究

用高纯α-Fe在GLEEBLE-1500热模拟机上率进行了热压缩试验。变形温度分别为550℃,700℃,800℃和900℃,应变速率分别为0.001s~(-1),0.01s~(-1),0.1s~(-1),1s~(-1)和10s~(-1)。对其热压缩过程中的显微结构变化及真应力-真应变曲线进行的研究结果表明,形变温度的增加和应变速率降低有利于动态再结晶的进行;对动态再结晶与Z参数关系的研究结果表明,在一定的Z参数范围内即25<1nZ<37,高纯α-Fe可以发生动态再结晶,并给出动态再结晶图。     

碳化温度对C/C复合材料微观结构及热性能的影响

采用CVI PIC工艺制备了四种碳毡增强碳基复合材料(C/C), 其中对三种样品A、B、C在2 500℃进行了一次石墨化处理,样品D未进行石墨化处理。为与900℃碳化对比,研究了1 500℃碳化对复合材料微观结构及热性能的影响。结果表明:碳化温度由900℃提高到1 500℃后,样品A的开孔率下降11. 6% ~13. 5%, 1 000℃的xy向线膨胀系数由1. 75×10-6 /K增大到2. 17×10-6 /K; xy向和z向的800℃热导率分别由65. 07W/(m·K)、45. 98W/(m·K)增大到75. 44W/(m·K)、54. 86W/(m·K);xy向和z向的比热容分别由1. 70kJ/(kg·K)、1. 43kJ/(kg·K)增大到1. 79kJ/(kg·K)、2. 19kJ/(kg·K)。样品B和样品C也表现出基本相同的趋势;随着碳化温度由900℃提高到1 500℃,样品D中微晶尺寸由2nm增大到4nm。     

难熔金属及其化合物与C/C复合材料相互作用研究

利用织物混编难熔金属丝和浸渍含难熔金属化合物酚醛树脂两种方法，并结合常用的沥青浸影炭化工艺制备了含WC、TaC、ZrC、HfC的C／C复合材料，分析了难熔金属组分在工艺过程中的变化及其与C／C复合材料的相互作用。结果表明：混编的难熔金属丝既可以与基体碳也可以与碳纤维发生化学反应，导致部分碳纤维被侵蚀受损；另外，由于线膨胀系数差异大，造成难熔金属丝以及周围部分碳纤维或整束碳纤维的断裂。颗粒状难熔金属化合物不会造成整束碳纤维断裂，颗粒表层基体碳的取向程度明显高于周围树脂碳。     

Microstructure,thermophysical property and ablation behavior of high thermal conductivity carbon/carbon composites after heat-treatment

Uni-directional carbon/carbon composites with high thermal conductivity are suitable to supply continuous thermal protection for future reentry vehicles since they could reduce surface temperature and ablation rates simultaneously in harsh environments. In this work, the high thermal conductivity carbon/carbon composites were prepared by chemical vapor infiltration. After heat-treatment, both their open porosity and internal friction increase due to the fiber/matrix thermal expansion mismatch; while their thermal conductive performance become better due to more complete carbon structure. With raising heat-treatment temperature from 1800 °C to 2450 °C, the mass and linear ablation rates of C/C composites with fibers vertical to the oxyacetylene torch for 60 s decrease from 0.66 mg/s and 2.95 μm/s to 0.51 mg/s and 2.05 μm/s respectively. The improved ablation resistance is resulted from the increased thermal conductivity from 282 to 508 W/(m·K) and more carbon fibers exposed to the flame during ablation, which have better oxidation resistance than those of carbon matrix. While such ablation rates become larger for composites with fibers parallel to the flame, from 1.02 mg/s and 3.73 μm/s to 1.28 mg/s and 5.01 μm/s respectively since the ablation occurred more easily through gaps at the fiber/matrix interfaces, which become larger and are always exposed to the flame for this case.     

Electromagnetism and Absorptivity of the Modified Micro-coiled Chiral Carbon Fibers

Micro-coiled chiral carbon fibers are modified by nano-Ni. X-ray diffraction （XRD） and scanning electron microscopy （SEM） are used to compare the composition and morphology of the unmodified and the modified fibers. The results show that electromagnetism parameters of the modified are different from those of the unmodified. After modification by nano-Ni, the micro-coiled chiral carbon fibers have decreased permittivity and electrical loss. The permeability and magnetic loss of the modified carbon fibers become larger than those of the unmodified ones. Moreover, the modification of unmodified chiral carbon fibers into the modified is much like changing hollow electric windings into those with magnetic cores inside. The modifier intensifies the cross polarization of the chiral carbon fibers and makes the permittivity and the permeability get closer to each other which improves the matching performance and enhances absorbability of coatings. In the range of 6-18 GHz, the reflectivity of the coating is 6-8dB and the bandwidth is 12 GHz. The area density of the coating is below 3 kg/m^2.     

碳纤维含量对Cf/SiO2复合材料组织与性能的影响

采用真空热压烧结工艺制备了碳纤维体积分数分别为20％、40％和60％的高致密Cf/SiO2复合材料，研究了碳纤维含量对其组织结构，力学性能、热膨胀特性和抗氧化性能的影响规律。结果表明：SiO2基体及20％Cf/SiO2复合材料中，SiO2仍保持非晶态，碳纤维含量为40％和60％时，SiO2发生部分析晶；Cf/SiO2复合材料的抗弯强度、断裂韧性和断裂应变，随碳纤维含量增加均呈现先降低后又增加的趋势，而弹性模量则先增后降；60％Cf/SiO2表现出明显伪塑性；碳纤维含量增大，使复合材料的热膨胀系数成倍增加，抗氧化性变差。     

单向复合材料在低温下的应力集中及强度

首先采用计及基体拉力的修正剪滞模型,研究了在低温情形下受纵向拉伸荷载作用的单向纤维增强复合材料由部分纤维及基体断裂所导致的应力重新分布。然后采用随机临界核理论,对单向纤维增强复合材料在低温情形下的拉伸破坏过程进行了细观统计分析,定量地研究了低温对拉伸强度的影响。计算结果表明,在低温环境下,E-玻璃纤维和碳纤维复合材料的应力集中因子有不同程度的改变,其强度极限均比常温情形下高。     

Out of phase thermal mechanical fatigue investigation of a directionally solidified superalloy DZ125

Out of phase(OP) thermal mechanical fatigue(TMF) behavior of a directionally solidified(DS) superalloy DZ125 was experimentally and numerically studied. Two different temperature conditions, which are 500–1000 °C and 400–900 °C, were considered in the present research.Stress and strain responses as well as fatigue life results were presented and discussed. Scanning electron microscope(SEM) and metallographic analysis were used to study the damage mechanism. An oxidation assisted crack initiation and propagation phenomenon were found to explain the shorted life under TMF cycles. In order to characterize the stress and strain deformations under TMF loadings, a modified Chaboche's constitutive model was applied. Additionally, the TMF life of the material was modeled and predicted by Neu–Sehitoglu damage law with high accuracy.     

超高温刚性隔热材料的制备及性能

针对新型航天飞行器高温隔热(约1 500℃)的迫切需求,开展了超高温刚性隔热材料的制备和性能研究。采用陶瓷纤维和无机粘结剂,经过湿法抽滤成型、高温热处理等工艺制备了刚性隔热材料。对材料的微观结构、热物理和力学性能进行了表征、测试。结果表明:纤维有效粘结在一起;通过改变纤维和粘结剂的比例,可以调节材料性能;热导率、力学性能与密度近似呈直线关系。材料在1 500℃经1 h处理后线收缩率<2%,密度为0.3～0.5 g/cm3,热导率为0.06～0.09 W/(m.K),压缩强度为0.6～1.2 MPa。     

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     

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。      

超临界CO2技术对空心/实心石英混编纤维表面改性

采用热处理+溶剂浸洗+超临界CO2技术对空心/实心石英混编纤维表面进行预处理,同时利用超临界流体的携带与渗透作用,将KH-560偶联剂引入纤维表面进行改性。采用接触角测试、表/界面张力测试、树脂吸附量测试、力学性能测试、扫描电镜等分别测试纤维表面能、胶液表面张力与接触角、胶液与纤维浸润性,观察纤维表面形貌结构,分析复合材料的力学与介电性能。结果表明:采用热处理+溶剂浸洗+超临界CO2技术可有效去除空心/实心石英混编纤维表面浸润剂,提高纤维表面能,促进胶液与纤维的完全浸润,最终改善复合材料力学与介电性能。