Surface Morphology and Evolution Mechanism of Carbon Fiber/Phenolic Resin Composites on Atomic Oxygen Irradiation

利用原子氧暴露地面模拟实验装置,分别对碳/酚醛复合材料、碳纤维和酚醛树脂进行了20h原子氧辐照,采用扫描电子显微镜( SEM)、傅立叶红外衰减全反射(ATR-FTIR)以及X射线光电子能谱(XPS)技术分析了原子氧对碳/酚醛复合材料的侵蚀行为.结果表明,在原子氧环境中,酚醛树脂和碳纤维及碳/酚醛复合材料均发生质量损失,且碳/酚醛复合材料的质量损失率大于酚醛树脂与碳纤维之和.究其机理可知:复合材料中的孔隙和界面增大了原子氧的剥蚀面积,碳/酚醛树脂和碳纤维与原子氧的作用符合“掏蚀”模型,树脂表面出现孔洞,酚醛树脂中亚甲基和醚键易被原子氧氧化,碳纤维表面的上浆剂在原子氧环境中首先被剥蚀,而后裸露的碳纤维本体与原子氧作用导致纤维截面不再呈圆形,且尺寸减小,表面出现浅而宽的沟槽,最终纤维被氧化生成了大量的—0—C＝0和—C =0基团.     

原子氧辐照碳/酚醛复合材料的表面形貌及其演变机理研究

利用原子氧暴露地面模拟实验装置,分别对碳/酚醛复合材料、碳纤维和酚醛树脂进行了20h原子氧辐照,采用扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶红外衰减全反射(ATR-FTIR)以及X射线光电子能谱(XPS)技术分析了原子氧对碳/酚醛复合材料的侵蚀行为。结果表明,在原子氧环境中,酚醛树脂和碳纤维及碳/酚醛复合材料均发生质量损失,且碳/酚醛复合材料的质量损失率大于酚醛树脂与碳纤维之和。究其机理可知:复合材料中的孔隙和界面增大了原子氧的剥蚀面积,碳/酚醛树脂和碳纤维与原子氧的作用符合"掏蚀"模型,树脂表面出现孔洞,酚醛树脂中亚甲基和醚键易被原子氧氧化,碳纤维表面的上浆剂在原子氧环境中首先被剥蚀,而后裸露的碳纤维本体与原子氧作用导致纤维截面不再呈圆形,且尺寸减小,表面出现浅而宽的沟槽,最终纤维被氧化生成了大量的—O—CO和—CO基团。     

三维整体编织碳/酚醛复合材料烧蚀表面状态测试与分析

为了更好地研究三维整体纺织碳／酚醛复合材料的成型工艺对材料烧蚀性能的影响，选用不同纤维体积分数和不同编织结构的碳／酚碳复合材料试样，进行烧蚀试验，利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪对试样烧蚀后的表面进行测试，并采用多种分析方法对测试结果进行分析。从分析结果可以看出三维四向结构的碳／酚醛复合材料随着纤维体积分数的增加，烧蚀性能变好，较低纤维体积分数（50％）的三维五向结构碳／酚醛复合材料具有较好的烧蚀性能。     

用作热防护材料的PAN基碳纤维织物

粘胶基碳纤维织物已广泛用作烧蚀和绝热复合材料。由于行情和利润不断下降,用连续粘胶纤维制得的碳纤维制品最终可能不易买到或限制供应。因此,围绕获得相应的PAN基碳布、测定其性能并制作布带缠绕酚醛树脂复合材料开展了研究。市场上买得到的PAN基碳布具有强度高和质量均匀等特性,但绝热性和化学纯度较差。特殊的PAN基碳布是在较低的(低于1350℃)热处理温度下获得的,并且应用于20°布带缠绕酚醛复合材料中。对这种复合材料的烧蚀、热物理、机械和化学性能的测定表明,所研制的复合材料可以代替粘胶基碳布/酚醛,但纤维与基体之间的粘结和纤维的纯度尚需进一步改善。     

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。     

C／C复合材料界面及其对性能的影响

本研究考察了两种不同表面状态的粘胶基碳布，以碳粉／酚醛为基体前驱体，经热压固化、碳化工艺制得的Ｃ／Ｃ复合材料层压板，并通过扫描电子显微镜（ＳＥＭ）的观察，分析了不同纤维表面状态与材料界面、性能和结构的关系。     

三维编织碳/酚醛复合材料高温热响应的数值计算

为了准确掌握高温条件下防热复合材料的热响应行为,对基体和纤维束分开建模,利用能量和质量守恒方程,并考虑热解过程中酚醛基体密度和材料热属性的变化,计算高温条件下三维编织碳/酚醛复合材料的热响应行为,预测复合材料温度场和热解度的分布规律,并给出质量损失率、炭层生成位置以及厚度的变化情况。结果表明:加热过程中,三维编织碳/酚醛复合材料的温度分布极不均匀,在加热面上基体温度明显高于纤维束温度,而在材料内部竖向纤维束温度反而高于基体温度;加热开始时炭层没有立刻产生,而是需要一段时间的过渡,在此过渡时间内炭层平均厚度为0。     

超高温陶瓷改性C/SiC复合材料的制备及其性能

以碳纤维为增强体,聚碳硅烷和聚烷基铪为前驱体,采用前驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备C/Si C-HfC复合材料,将其与同种工艺所得C/SiC复合材料进行对比评价分析。发现C/SiC-HfC复合材料具有较低密度和较好的高温力学性能,且在1 650℃静态氧化实验中,含有HfC的基体对纤维具有更佳保护效果。C/SiC-HfC密度约为1.92 g/cm~3,常温弯曲强度为345 MPa,1 800℃高温无氧环境弯曲强度可达424 MPa。C/SiC-HfC复合材料表现出更加优异高温力学性能是由于HfC组分的添加抑制了SiC晶粒的生长,降低了基体内部较大裂纹产生的概率。在1 650℃空气环境下,含有HfC的基体对纤维具有更佳保护作用,主要是由于HfC组分的添加使材料表面的SiC及时氧化成SiO_2,SiO_2在纤维和基体表面形成包覆层,防止了材料内部的进一步氧化。     

碳纤维特性对C/ C 复合材料界面性能的影响

分别采用扫描电镜、比表面积与孔体积分析仪等手段对日丝(RS-Cf ) 和美丝(MS-Cf ) 两种碳纤 维进行表面状态表征分析,通过纤维顶出试验、冲剪强度和弯曲强度对两种纤维制备的C/ C 复合材料界面性 能进行了微观和宏观测试,研究了不同表观结构纤维对C/ C 复合材料界面性能的影响。纤维表面形貌观察结 果表明:圆形RS-Cf 表面沟槽比腰果形MS-Cf 明显,但沟槽数量少于MS-Cf,而MS-Cf 的比表面积、孔体积和 孔径均大于RS-Cf。RS-C/ C、MS-C/ C 复合材料界面强度分别为2. 98 和3. 80 MPa;RS-C/ C 复合材料的弯曲 和冲剪强度分别为55. 9 和32. 0 MPa,低于MS-C/ C 复合材料的65． 0 和35. 2 MPa,微观和宏观力学性能均表 明MS-C/ C 复合材料的界面强度高于RS-C/ C 复合材料。     

溶剂对RTM石英／酚醛复合材料溶液浸润过程影响研究

研究了不同溶剂对于RTM石英/酚醛复合材料溶液浸润过程的影响.采用X光电子能谱(XPS)和原位电子顺磁共振(EPR)研究了石英纤维表面硅烷偶联剂和不同酚醛树脂溶液组分间的界面化学反应.采用TGA和层间剪切强度(ILSS)测试方法研究了溶剂对酚醛树脂分布和材料界面结合强度的影响.结果表明,溶剂能够与酚醛树脂在石英纤维表面形成竞争性吸附,从而影响树脂在RTM模具内部不同位置的分布和复合材料的力学性能.随着溶剂形成氢键能力的增强,其影响程度依次为四氢呋喃＜丙酮＜乙醇.     

连续阳极氧化处理碳纤维的研究

本文采用阳极氧化的方法对碳纤维地连续表面处理，研究了处理工艺条件，电解质种类等因素对复合材料的层间剪切强度，抗冲击强度，拉伸 强度等的并利用ＸＰＳ，ＳＥＭ等分析手段分别对纤维表面组成及复合材料断口形进行了分析，观察。     

铝-碳化硅相互作用对纤维强度的影响

本文测试了液态法知固态法制造的SiC/A1复合材料的萃取纤维强度,发现SiC纤维与铝接触后强度明显下降.温度愈高、时间愈长,强度损失愈严重。强度下降的原因可能是铝与纤维表层的游离碳和SiO_2反应后在表面留下凹坑或脆性化合物所致。     

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.     

微球型炭泡沫复合材料力学性能的研究

为表征微球含量对碳泡沫复合材料的影响,以自制热固性酚醛树脂与不同体积分数的酚醛空心微球配比混合,采用模压成型法,制备酚醛泡沫材料;再将其在Ar气保护下高温碳化处理,得到微球型碳泡沫复合材料;研究碳泡沫复合材料的微观结构及空心微球的体积分数对碳泡沫的压缩性能、断裂韧性的影响。结果表明：随着空心微球含量的增加,复合材料的压缩断裂特征由梯度式脆性断裂模式向假塑性断裂模式转变,其断裂韧性也得到了明显改善;空心微球含量为80v01．％的碳泡沫韧性最佳;适当提高空心微球含量,可改善碳泡沫的比压缩强度,空心微球含量为70v01．％的碳泡沫的比压缩强度可达43．32MPa·cm3·g-1。     

三维编织碳/酚醛复合材料研究进展北大核心CSCD

航天装备面临着越来越严苛的热环境,对防热材料的性能要求不断提高。三维编织碳/酚醛复合材料是一种综合性能优异的烧蚀防热材料,并且得益于三维编织预制体的特殊结构而具有极佳的可设计性,能够实现防热-结构一体化要求,随着编织工艺和成型工艺的不断发展,三维编织碳/酚醛逐渐成为航天领域热防护系统理想的候选材料。本文从三维编织碳纤维预成型体、酚醛树脂基体、成型工艺、复合材料耐烧蚀性能四个方面总结了三维编织碳/酚醛复合材料的相关研究进展。     

PVC 阻燃酚醛纤维的制备及其性能

以聚氯乙烯(PVC)改性酚醛树脂为原料,采用熔融纺丝法制备出PVC阻燃酚醛纤维.通过SEM、DMA、TG、Fr-IR等分析手段,对PVC阻燃酚醛纤维的结构和性能进行了研究.与纯酚醛纤维相比,PVC阻燃纤维的韧性和阻燃性提高,但其热稳定性和残碳率稍有降低.当PVC含量为0.5wt％时,其拉伸强度从123 MPa提高至150 MPa,极限氧指数从32.1％提高至38.5％,在空气气氛下600℃的残碳率从87.4％降至70.9％,在氮气气氛下1 000℃的残碳率从62.8％降至59.7％.     

防热材料受液滴碰撞时的侵蚀破坏

本文介绍碳-碳,高硅氧-酚醛复合材料、碳-石英及钨渗铜等防热材料的单粒子液滴碰撞实验结果,以扫描电镜观察其破坏特征,并就液滴碰撞和固体粒子碰撞的不同效应进行了讨论。     

以一种新型先驱体制备SiC/SiC复合材料高温弯曲性能研究

以新型先驱体LPVCS(含乙烯基液态聚碳硅烷)为原料,以经CVD裂解碳(PyC)界面改性的KD-1型SiC纤维作为增强相,采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备三维编织SiC/SiC复合材料,并对其室温及1300℃弯曲性能测试表征。试验结果表明,采用LPVCS为先驱体制备SiC/SiC复合材料,降低了材料制备周期,且9个周期后材料密度达到2.14g/cm3,开孔率为10.8%。在1300℃空气环境中,SiC/SiC复合材料弯曲强度达到470.2MPa,断裂韧性达到20.7MPa·m1/2。采用扫描电镜对SiC/SiC复合材料1300℃下断口形貌进行观察,SiC纤维存在一定拔出;断口表面存在较为严重的氧化现象,这是导致材料弯曲强度降低的主要原因。     

纤维增强AZ91镁基复合材料的阻尼性能

纤维增强的镁基复合材料中,通过在纤维表面沉积一层热解碳而获得了一种特殊的界面层,研究了该复合材料的阻尼性能。结果表明,温度低于170℃时,纤维表面的碳涂层显著提高了复合材料的阻尼性能,相应的阻尼机制归结于位错阻尼、界面阻尼和组元的本征阻尼;高于170℃时,由于界面阻尼和晶界阻尼的贡献,没有涂层的复合材料的阻尼性能超过了有涂层的复合材料。     

纤维状态对碳-环氧复合材料性能的影响

碳纤维具有质地柔软、热稳定性好、耐腐蚀、尺寸稳定性好、比强度、比刚度高等优良特性,因而它是宇航飞行器应用的最有希望的工程材料之一。 我们可以用选择增强材料的品种(即纤维种类)和铺层方向来满足结构材料的设计要求。由于影响碳-环氧复合材料性能的因素很多,本文只对在固定基体成份为环氧648+BF_3·MEA情况下的纤维状态对碳-环氧复合材料性能的影响进行讨论。以便对碳-环氧复合材料进行进一步的研究和应用。