不同基体碳对单向C/C复合材料导热性能的影响

研究了不同基体碳结构对C/C复合材料导热性能的影响.结果表明:树脂碳与光滑层热解碳相比,树脂碳与碳纤维C2结合紧密,热处理过程中应力石墨化明显,而光滑层热解碳与碳纤维C2结合疏松,存在明显的界面裂纹,热处理过程中应力石墨化不明显.随着热处理温度的升高,树脂碳基体更有利于材料的热传导.     

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。     

碳布缝合预制体孔隙与热解碳沉积时变相依的多尺度研究

以甲烷为前驱体,碳布缝合织物为预制体,采用等温化学气相渗透(ICVI)工艺,在1 368 K温度和1 s滞留时间下制备了C/C复合材料。采用压汞仪表征不同致密化时间下预制体的孔隙分布,采用偏光显微镜观察热解碳的结构。结果表明:预制体的孔隙分布呈现多峰分布,热解碳的沉积速率与[A/V]值成反比,热解碳的结构与预制体的比表面积相关,沉积初期比表面积较大时,得到的热解碳织构为各相同性和低织构热解碳,随着沉积的进行,比表面积逐渐减小,在纤维束的边沿等部位出现了高织构热解碳。     

基体碳结构对轴间密封环用C/C复合材料摩擦磨损特性的影响

 在m²000型摩擦实验机上,在不同载荷作用下,对4种具有不同偏光结构的C/C复合材料与40Cr钢配副进行环—块滑动摩擦实验。结果表明:相同载荷下,具有粗糙层（RL）基体碳结构试样的摩擦系数都最高,且随载荷的增加在0.151～0.165之间波动。而光滑层（SL）碳结构的试样的摩擦系数最低,随载荷增加在0.105～0.117之间缓慢降低。随时间延长,RL结构的试样在高载荷下摩擦系数下降,SL结构的试样摩擦系数除60N外略有上升,树脂碳增密的试样摩擦系数均下降,而树脂碳+SL碳的试样仅80N、150N的基本保持不变。RL结构的试样体积磨损量最大,最大值为150N时的1 61mm³,而SL+树脂碳结构的试样体积磨损量最小,在0.391～0.420mm³之间。SEM观察表明:随载荷增加,RL结构的试样摩擦表面形貌仍很完整、光滑,而浸渍增密的试样纤维拔出现象加剧,SL+树脂碳结构的试样摩擦表面逐渐完整。     

准三维C/C复合材料的弯曲性能及其破坏机理

以碳纤维针刺毡为预制体,采用CVI法或结合液相法制备了热解碳、树脂碳和沥青碳基质的准三维C/C复合材料,并研究了这些材料的弯曲性能及其断裂机理.研究表明:对于热解碳基质,SL基质碳的弯曲强度明显高于RL和SL RL两种基质碳;弯曲强度随密度增高而增大;致密度越高,基体支撑越强,同时微裂纹和孔隙度越低,弯曲性能越好.     

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     

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     

生物质超临界水气化制氢产物多元气液相平衡

利用PC-SAFT热力学模型,研究生物质超临界水气化制氢系统中气液分离器中压力及温度对气体产物分离的影响.结果表明,随着分离器压力的升高,气相产物中H2、CH4的摩尔含量增加,CO2摩尔含量迅速降低,H2和CH4的产气量有所下降,CO2的产气量迅速下降.在计算温度范围内,温度的升高使H2和CH4在气相中的摩尔含量降低,CO2的摩尔含量升高.     

组分变化对甲烷氧化特性影响

在射流搅拌反应器实验平台上针对温度范围850~1 300 K、常压条件下的甲烷氧化反应过程进行了实验研究,采用气相色谱仪测量了变组分条件下(当量比范围02~2、氧气体积分数2%~8%、二氧化碳体积分数0~20%、水蒸气体积分数0~20%)主要反应物(CH4、O2)、主要中间组分(C2H6、C2H4、C2H2、H2)和主要污染物(CO、CO2)的摩尔分数,并分析了主要反应物、中间组分以及污染物生成的影响因素和影响规律。研究表明,随着当量比和含氧量的增加,主要中间组分的摩尔分数升高;二氧化碳体积分数的增加对中间产物的生成有微弱的抑制作用,却使得污染物浓度大大增加;水蒸气体积分数的增加导致氢气生成量显著增加,同时促进一氧化碳的生成,而对二氧化碳的生成影响很小。      

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.     

CSCVI法制备C布增韧SiC基复合材料及其微观结构

为了提高CVI法制备C/SiC复合材料的致密化速度 ,提出了连续同步CVI(CSCVI)法制备C布增韧SiC基复合材料的技术路线 ,制备了C/SiC复合材料 ,并观察了其微观结构。实验结果表明 ,在CSCVI工艺中 ,SiC基体沉积速度越快 ,材料的致密化程度越大且致密效果越好。同时 ,SiC基体沉积速度只由沉积温度与MTS(CH3 SiCl3 )流量控制 ,使工艺的可操作性增强 ,工艺参数可在较大范围内变动     

EFFECT OF DEPOSITIONS CONDITION ON THE MICROSTRUCTURE OF C／C MINICOMPOSITE

C/C minicomposites were manufactured by CVI with propylene as resource gas and Ar as diluent gas. Effects of deposition temperature, the flow rate of propylene and total system pressure on theof C/C minicomposites were investigated. Deposition conditions are as follows: deposition temperature ranging from 870℃ to 1000℃. the flow rate of propylene from 10 to 60 ml/min, and total system pressure from 3 to 16kPa. The results revealed : The deposit distributes non-uniformly as increasing the deposition temperature or total system pressure. The effect of the flow rate of propylene on the distribution of deposit observes different principles at different deposition temperatures. If the deposition temperature rises to 900℃, the deposit distributes more non-uniformly as increasing the flow rate of propylene. The morphology of deposit varies with deposition condition, such as smooth, droplet-like or spike-like. Deposition mechanism varies with deposition condition. It can be surface reaction nucleation and growth, heterogeneous nucleation of liquid droplet on carbon fiber or gas-borne nuclei-growth. With the principle of nuclei-growth of crystal and the method of phenomenology, the changes of deposition mechanism and the morphology of pyrolytic carbon with deposition condition were explained successfully. The effect of deposition condition on deposit homogeneity stems from the effect of deposition condition on the CVI kinetics and the deposition mechanism of pyrolytic carbon.     

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。     

RTM工艺成型复合材料树脂固化过程残余应变监测研究

提出了RTM工艺树脂固化过程残余应变布拉格光栅传感器检测新方法。通过光纤光栅波长偏移与温度和固化时间之间的关系测试,得到了树脂固化过程中残余应变的变化历程,成功实现了RTM工艺树脂固化过程中残余应变的在线监测。实验结果表明,在降温过程中,残余应变的变化与温度的变化呈线性关系,这为复合材料层合板的残余应力分析提供了实验依据。     

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。     

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。     

化学气相渗透制备氧化硅基复合材料

 以正硅酸乙酯为氧化硅先驱体,以 Nextel4 80纤维三维编织体作为沉积载体,采用化学气相渗透的方法制备了 Nextel4 80 /氧化硅复合材料。研究了正硅酸乙酯温度和沉积温度对沉积速率和渗透效果的影响,分析了沉积过程中产生瓶颈效应和固相粉末的原因以及沉积产物的相和复合材料的显微结构。结果表明 :1沉积速率随正硅酸乙酯温度和沉积温度的升高而显著升高;2瓶颈效应是由于正硅酸乙酯浓度过高,导致沉积速率过快引起的;3固相粉末是因为沉积温度过高,正硅酸乙酯分子或分解的过渡产物在到达沉积区域前已经完全分解引起的;4正硅酸乙酯为先驱体的化学气相沉积产物为无定型氧化硅;5化学气相沉积获得的无定型氧化硅基体与纤维有较佳的热匹配。     

常压化学气相沉积SiC的组织结构及其稳定性

研究了CH3SiCl3-H2-Ar体系在常压条件下化学气相沉积SiC的组织结构及其高温稳定性。在一定沉积温度下,沉积物的形貌由H2流量所控制;而在H2流量一定的条件下,随着沉积温度的提高,沉积物的晶粒尺寸和致密度增加。本实验所得到的沉积物均为纳米级β-SiC,经高温热处理后发生明显的晶粒长大现象。