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。     

C/ C-SiC 复合材料的反应熔渗法制备与微观组织

采用无压反应熔渗法在1 550℃下将熔融Si或Si0.9Zr0.1浸渗入多孔C/C预制体中制备了高致密的C/C-SiC复合材料.系统研究了多孔C/C预制体中酚醛树脂热解碳(PIP-C)和化学气相渗透碳(CVI-C)对反应熔渗Si或Si0.Zr0.1的浸渗行为、反应程度、物相成分和微观组织的影响.结果表明:熔融Si或Si0.Zr0.1完全渗入到相邻碳纤维束间的大孔和碳纤维形成的小孔中,多孔PIP-C/C预制体较易浸渗,且反应较充分,熔渗Si0.9 Zr0.1后复合材料中除了生成大量SiC外,还有少量ZrC和ZrSi2生成,未发现游离Si.多孔PIP-C/C预制体中部分碳纤维与熔体反应,损伤纤维,而多孔CVI-C/C预制体中的沉积碳仅与熔体反应生成了一薄层,很好地保护了碳纤维,保持了碳纤维的高性能.提出反应熔渗制备C/C-SiC复合材料的形成机制:由初期的溶解-沉淀控制和后期的C向SiC层扩散控制为主.     

用含硅芳炔树脂制备C/C-SiC复合材料

以含硅芳炔树脂为先驱体,采用先驱体浸渍法(PIP)制备了C/C-SiC复合材料。首先通过炭化T300/含硅芳炔树脂(CFRP)制备了多孔C/C-SiC预制体,并探究了炭化工艺对所得多孔C/C-SiC预制体性能的影响,制得的多孔C/C-SiC预制体弯曲强度为98 MPa;然后以含硅芳炔树脂溶液为浸渍剂,浸渍多孔C/C-SiC预制体,经过4次浸渍、固化、炭化后,得到致密的C/C-SiC复合材料,其弯曲强度提升到203 MPa,同时用XRD、SEM、TEM等手段表征了复合材料的微观结构,所得C/C-SiC复合材料主要成分为β-SiC及无定型碳。     

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.     

C/C-SiC复合材料两种制备工艺及材料性能

以碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法(CVI)制备出低密度碳/碳复合材料,再分别采用液相硅渗透工艺(LSI)制备出密度为2.1g/cm3的碳/碳-碳化硅复合材料(C/C-SiC),及先驱体转化工艺(PIP)制备出密度为1.9g/cm3的C/C-SiC.对2种工艺制备的C/C-SiC力学性能进行了比较,结果表明:PIP工艺制备的C/C-SiC弯曲强度为287MPa,明显高于LSI工艺制备的弯曲强度155MPa.     

C/C-ZrC复合材料的制备及结构性能研究

采用针刺及细编穿刺结构分别引入热解碳和沥青碳的多孔C/C坯体,通过反应熔渗工艺（RMI）与熔融金属Zr反应制备了C/C-ZrC复合材料。研究了预制体结构和基体碳类型对C/C-ZrC复合材料微观结构及力学性能的影响。结果表明：材料熔渗后只由C,ZrC两相组成,孔隙率5%~10%,ZrC质量分数53%~63%。针刺结构的C/C坯体熔渗效果更好,制得的C/C-ZrC复合材料密度最高达到3.21 g/cm³;ZrC质量分数达到62.8%。热解碳基体在熔渗过程中对纤维保护作用更好,C/C-ZrC复合材料的弯曲强度达到148 MPa,压缩强度达到408 MPa。     

NiCrAl/Ni3Al微叠层材料的断裂韧度测算

利用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备了NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料.建立了具有中心穿透裂纹有限宽NiCrAl叠层的Ⅰ型裂纹扩展模型,推导出它的断裂韧度表达式,并利用带预制裂纹的NiCrAl/Ni3Al叠层试样的四点弯曲断裂数据,估算出NiCrAl的断裂韧度,叠层后增强Ni3Al单体的断裂抗力.实验结果表明,制备态NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料试样的拉伸断口呈现出裂纹扩展和裂纹瞬断两个区域;随着温度的升高,塑性增加.     

ZrB2 改性C/ C-SiC 复合材料性能研究

采用碳纤维复合网胎针刺预制体,通过溶液浸渍工艺制备了碳纤维增强C/C-SiC和C/C-SiC-ZrB2陶瓷基复合材料,并对材料的力学、热物理和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度分别为199、274和19.3 MPa,各性能均低于对应的针刺C/C-SiC复合材料。针刺C/C-SiC-ZrB2材料与针刺C/C-SiC材料相比,热导率得到大幅度提高,而线胀系数略微有所降低。2 500 K、600 s风洞试验后,针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料表现出良好的抗氧化烧蚀性能,质量烧蚀率约0.4×10-4g/s。     

熔融渗硅对不同类型C/C复合材料微观结构及性能的影响

选用了三种不同结构的C/C多孔体进行液硅熔渗,采用扫描电镜、X-射线衍射、微纳CT、压汞等方法表征了熔渗前后材料的微观形貌、物相组成及孔隙结构。结果表明,熔渗后材料显气孔率均小于2%,实解碳进行保护,熔渗后其弯曲强度分别提高到1.5倍与2.5倍,而纤维未被保护的C/C多孔体熔渗后弯曲强度降低41%。     

铸造碳纤维增强铝基复合材料

 用铸造法制备抗拉强度达800MPa的连续碳纤维增强铝基复合材料。将国产PAN 1碳纤维经SiC+Ni复合涂层处理后,以束状分布于铸模内,用调压铸造设备在0.75MPa的空气压力和4000Pa的真空度条件下,将铝合金液浸渗入铸模纤维内而获得C/Al复合材料。讨论了碳纤维复合涂层的作用和纤维的束状分布在浸渗动力学过程中的有利影响。     

循环湿热老化对T700/TDE86碳纤维复合材料 层间断裂韧度的影响

对T700/TDE86碳纤维增强树脂基复合材料进行加速循环湿热老化实验,研究不同循环湿热老化天数对Ⅰ型张开以及Ⅱ型滑移两种层间断裂韧度的影响。结果表明:循环湿热老化之后的复合材料Ⅰ型层间断裂韧度出现明显的R曲线,且随着循环湿热老化天数的增加,裂纹初始扩展能量释放率(GIC,init)与裂纹稳态扩展能量释放率(GIC,prop)都获得了大幅提升;复合材料Ⅱ型层间断裂韧度随着循环湿热老化天数的增加,呈现阶梯状下降的趋势,而且在循环湿热老化前期,下降幅度最大,为21.68%。     

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。     

复合材料0°/45°层间界面Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ/Ⅱ混合型分层实验研究

高性能碳纤维增强复合材料已成为一种重要的航空材料,在复合材料结构服役过程中分层破坏是一种常见的失效模式。针对T800/环氧复合材料不同加载混合比下的分层行为,对具有0°/45°预制分层界面的复合材料层压板分别开展双悬臂梁(DCB)、三点弯(ENF)和混合模式弯曲(MMB)实验,获得复合材料张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)和Ⅰ/Ⅱ混合型分层的断裂韧度,研究其分层扩展行为。结果表明:不同加载混合比(Ⅱ型分层载荷所占比例)下分层的断裂韧度和分层扩展行为显著不同,加载混合比越大,分层断裂韧度值越高,稳定的分层扩展行为越难保持。基于对实验数据的拟合,建立了一个任意加载混合比下0°/45°分层界面断裂韧度的预测公式。     

硅溶胶强化辅助制备C纤维增韧氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料

通过氧化铝先驱体溶液循环浸渍热解结合硅溶胶浸渗强化的方法制备了三维C纤维预制体增韧的氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料 ,研究了氧化铝浸渗工艺对试样增重率、气孔率以及热处理温度对试样内气孔尺寸和分布的影响 ,分析了复合材料物相、微结构以及复合材料的力学性能。结果表明 ,硝酸铝饱和溶液浸渗纤维预制体并热解后试样的增重率和开气孔率呈类似抛物线曲线 ;由于硝酸铝分解生成氧化铝的煅烧温度不同 ,氧化铝晶态及物理特性不同 ,试样内气孔尺寸和分布差别较大 ;选择经过 115 0℃预处理的试样进行硅溶胶浸渗 ,然后 14 0 0℃处理 2h ,氧化硅与氧化铝完全反应生成莫来石 ,获得了较为致密的复合材料 ,室温三点弯曲强度和断裂应变分别为 180MPa和 2 .2 %。     

不同纤维束下SiC陶瓷基复合材料拉伸强度及拉伸行为研究

为了探究C纤维和SiC纤维对SiC陶瓷基复合材料力学性能的影响,采用化学气相浸渗法(CVI)制备了纤维束复合材料Mini-C/SiC和Mini-SiC/SiC,测试了C纤维束、SiC纤维束、Mini-C/SiC和Mini-SiC/SiC复合材料的拉伸强度,利用两参数Weibull分布模型研究了强度分布,并观察了复合材料的断口形貌。结果表明:两参数Weibull分布可有效合理地表征强度分布,并准确地进行强度预测。Mini-C/SiC复合材料的拉伸强度高于Mini-SiC/SiC复合材料,且C纤维束和Mini-C/SiC复合材料拉伸强度的分散性低于SiC纤维束和Mini-SiC/SiC复合材料。C纤维束发生韧性断裂,SiC纤维束发生脆性断裂。当基体裂纹达到饱和状态时,Mini-C/SiC复合材料继续变形直至断裂,而Mini-SiC/SiC复合材料随即发生断裂,Mini-C/SiC复合材料的断口主要以纤维丝和纤维簇的拔出为主,而Mini-SiC/SiC复合材料的断口主要以纤维丝的拔出为主。该实验结果将为SiC陶瓷基复合材料的设计与制备提供参考与借鉴。     

基于零厚度内聚力单元单向碳纤维增强树脂基复合材料微观切削机理研究

为探究碳纤维复合材料(CFRP)微观切削机理,通过有限元法,采用零厚度内聚力单元模拟界面相,碳纤维建模呈圆柱状并随机分布于基体中,以此来真实反应CFRP的微观结构。通过对各组成相设置不同的材料本构、材料失效和演化准则,对4种典型角度(0°、45°、90°、135°)进行直角切削仿真,探究不同纤维角度下单向碳纤维增强树脂基复合材料(UD-CFRP)在切削过程中的微观切削机理。结果表明:不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同,切削0°CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主,切削45°和90°CFRP时主要是刀具的侵入破坏,切削135°CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹,纤维断裂点在刀刃下方。最后,通过实验验证了微观模型的准确性。     

石墨填料对浸渗热解-熔融浸渗方法制备的C/SiC复合材料结构和性能的影响

采用石墨树脂浆料浸渍三维针刺碳毡增强体,热解后得到C/C多孔体,并采用反应熔体浸渗法制备C/SiC复合材料。研究了石墨填料对C/C多孔体的结构以及C/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明,石墨树脂浆料浸渍时树脂填充束间小孔形成结构致密的亚结构单元,而石墨可以有效填充胎网层等大孔隙,一次浸渍热解后碳产率有效提高。所得C/SiC复合材料包括C、SiC和Si三相,由于亚结构单元的存在,熔融Si并未渗入纤维束内部,束内碳纤维未受损伤。片层石墨的存在使碳基体/石墨和纤维结合强度提高、纤维脱粘拔出阻力增大,从而使材料强度提高;而且石墨可以使裂纹在扩展时发生偏转,从而避免了复合材料脆性断裂,使其呈现出类似金属的伪塑性断裂行为。制备出的C/SiC复合材料的弯曲断裂强度为118 MPa,最大应变可达1.0%。     

PIP工艺制备SiC晶须增强SiCf/SiC复合材料的性能

以不同界面层厚度的SiC纤维为增强相,采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备SiC_f(PyC)/SiC复合材料,并在复合材料基体中引入SiC晶须,对其性能进行研究。结果表明:热解碳(PyC)界面层厚度约为230 nm时,SiC纤维拔出明显,SiC_f/SiC复合材料拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别达到192.3 MPa、446.9 MPa和11.4 MPa?m^1/2;在SiC_f/SiC复合材料基体中引入SiC晶须后,晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等增韧机制增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗,使复合材料的断裂韧度和弯曲强度分别提高了22.9%和9.1%。     

高致密反应烧结SiC_f/SiC复合材料的微观结构与性能

SiC_f/SiC陶瓷基复合材料是航空发动机热结构部件的关键材料。基于国产KD-II碳化硅纤维,利用反应熔渗工艺制备了高致密的SiC_f/SiC复合材料,研究了其微观结构、常温/高温力学性能、热物理性能和高温长时氧化稳定性。反应熔渗制备的SiC_f/SiC显气孔率仅为1.6%,室温弯曲强度为(521±89)MPa,1200℃高温弯曲强度为(576±22)MPa,呈非脆性断裂特征,具有优异的高温力学稳定性。厚度方向常温热导率高达41.7W/(m·K),1300℃热导率为18.9W/(m·K)。SiC_f/SiC复合材料经1200℃氧化1000h仍保持非脆性断裂特征,弯曲强度为(360±54)MPa,仅下降19%,仍保持非脆性断裂特征。反应烧结制备的SiC_f/SiC复合材料具备优异的耐高温抗氧化性能,有望满足航空发动机热端部件对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的应用需求。     

树脂浸渍热解次数对C/SiC刹车材料结构的影响

采用三维针刺碳纤维预制体,通过树脂浸渍热解工艺制备C/C多孔体,然后结合反应熔体浸渗法(RMI)制备了C/SiC复合材料,研究了树脂浸渍次数对C/C多孔体及C/SiC复合材料结构的影响。