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。     

难熔金属化合物掺杂对先驱体转化2D C/SiC复合材料抗氧化性能影响

提出在2D C/SiC复合材料基体中掺杂难熔金属化合物ZrB2,TaC,ZrC,制备了2D C/SiC-ZrB2,2D C/SiC-ZrC和2D C/SiC-TaC新型复合材料,考察了难熔金属化合物的引入对材料力学性能、抗氧化性能和微观结构的影响.结果表明,ZrB2和TaC的引入,能明显提高2DC/SiC复合材料的抗氧化性能;ZrC的引入对2D C/SiC复合材料的抗氧化性能极其不利.这归结于高温下ZrB2和TaC有助于在复合材料表层氧化形成ZrO2,B2O3和Ta2O5保护膜,阻止了材料内部的进一步氧化,从而提高了复合材料的抗氧化性能.     

溶胶-凝胶法制备Zr-C/ C 复合材料及其烧蚀性能

研究了一种在C/C复合材料中掺杂难熔金属化合物的新方法:溶胶-凝胶法。利用醋酸锆溶胶对密度为1.39和1.59 g/cm3的C/C复合材料进行浸渍,凝胶化后,再进行炭化处理,在C/C复合材料中引入了难熔金属化合物ZrC。经若干次处理后,两种C/C复合材料的密度最终分别达到1.88和1.86 g/cm3。利用电子背散射测试观察Zr在C/C复合材料中的分布,发现在C/C复合材料表面多次凝胶沉积形成一层Zr的涂层,而在材料的内部Zr的分布主要依赖于材料本身孔洞的分布以及纤维束间的孔隙。对电弧烧蚀后的Zr-C/C复合材料进行表观形貌观察,发现在材料表面形成均匀的ZrO2膜,将基体与氧气隔绝,从而减缓材料的烧蚀速率。     

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。     

添加剂对超高温抗氧化C/C复合材料力学性能的影响

文摘通过在C/C复合材料内部引入添加剂,研制出超高温抗氧化C/C复合材料。结果表明:与纯C/C复合材料对比,超高温抗氧化C/C复合材料的力学性能有不同程度的下降。采用OM、SEM等手段从宏观和微观尺度发现,添加剂对碳纤维造成的化学损伤、添加剂和基体与纤维热物理不相容引起纤维在复合过程中断裂是其中主要因素。     

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.     

先驱体转化法制备2D C/SiC-ZrC复合材料中ZrC含量对材料结构性能影响研究

针对高超音速飞行器、可重复使用运载器和下一代火箭发动机等超高温使用环境的工况要求,提出在2D C/SiC复合材料中引入耐超高温ZrC填料.采用先驱体转化法制备了不同ZrC含量的2D C/SiC-ZrC新型复合材料,考察了ZrC含量对材料力学性能、抗烧蚀性能和组成结构的影响.结果表明,材料的弯曲强度和弯曲模量随着ZrC含量的增加有一定程度的下降,材料的抗烧蚀性能明显提高,其中ZrC含量最高(33.3vol%)的试样S-50弯曲强度和弯曲模量均最低,分别为192.1MPa和27.5GPa;经氧乙炔焰烧蚀考核60s后,表面温度达到2123℃,试样表现出最低的烧蚀率,线烧蚀率为0.004mm/s,质量烧蚀率为0.006g/s.     

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。     

C/C复合材料在高超声速导弹上的应用研究

结合C/C复合材料构件在高超声速导弹上的热防护要求,通过采用该基体材料在高能量密度光照射下的防热性能试验.总结了C/C复合材料在高超声速导弹热防护技术中的应用特点,并就C/C复合材料在高超声速导弹上的应用做出了展望.     

ZrC/C复合材料性能及微观结构的研究

通过向石墨材料中掺杂氧化锆，制备ZrC／C复合材料。较系统地研究了Zr的加入量对材料性能的影响。结果表明：随着掺Zr量的增加，力学性能不断提高，在掺Zr量为10％时，材料的弯曲强度达最大值，而在掺Zr量为7．5％时，热导率达到最高；进一步研究表明，微观结构影响着材料的力学、热导率等宏观性质。     

高频热等离子体法合成纳米ZrC粉体及其表征

以炭黑和甲烷分别作为碳源,四氯化锆作为锆源,采用高频热等离子体法合成了超细ZrC粉体。分别采用XRD、高频红外燃烧、SEM、化学重量法对实验产物进行了表征,分析了超细ZrC粉体的物相、纯度、粒径与碳源及进气量之间的影响规律。研究表明:采用不同碳源所合成的ZrC粉体粒径均在100 nm以下,相比较炭黑为碳源,甲烷作为碳源合成的产品纯度高,氧含量低,产率大,因此,甲烷作为碳源更适于批量制备超细ZrC粉体。     

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.     

C/C—SiC复合材料的制备与性能

采用化学气相渗透（CVI）法和液相浸渍有机物先驱体混合工艺制备了C／C－SiC复合材料，并对复合材料力学性能、抗烧蚀性能和抗氧化性能进行表征。结果表明：制备的C／C－SiC复合材料在基本保证C／C复合材料力学性能的基础上，抗氧化和抗烧蚀性能得以大幅度提高，提出了制备兼具C／C复合材料与陶瓷材料的技术途径。     

高频热等离子体合成超细ZrB2 和ZrC 粉体材料

采用高频热等离子体工艺合成ZrB2和ZrC高温超细粉体材料,在热力学计算的基础上,采用XRD、FESEM、霍尔流量计表征产品的纯度、尺寸。结果显示,产品结晶较好纯度较高,平均粒径小于100 nm,松装密度分别为ZrB2 0.71 g/mL,ZrC 0.46 g/mL,实验室产量可以达到500 g/h。     

难熔化合物掺杂C/C复合材料的裂纹扩展及断裂模式分析

利用场发射扫描电镜对难熔化合物掺杂C／C复合材料进行了原位三点弯曲测试，在线观测了裂纹的扩展模式和缺陷的演化规律，并结合OM、SEM和TEM所表征的微观结构，揭示了材料的断裂机理。结果表明：难熔化合物掺杂C／C复合材料的断裂以“弱界面断裂”为主，裂纹优先在基体碳、碳布层间及纤维束搭接处等薄弱环节中产生，成为材料的初始破坏面，随着载荷的增加，裂纹沿着薄弱界面进行扩展，形成贯穿性的大裂纹，并导致材料最终失效。     

固体冲压发动机喷管用C/C-SiC复合材料

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺制备固体冲压发动机用C/C-SiC复合材料喷管内层,综合考查复合材料的微观结构、弯曲性能和抗烧蚀性能以及固冲发动机C/C-SiC喷管内层水压和点火实验。结果表明:复合材料的弯曲强度达到197 MPa,且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式;复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,氧化烧蚀200 s后线烧蚀率仅为0.0063 mm·s-1;研制的C/C-SiC复合材料构件的水压爆破压强为6.5 MPa,表明构件具有良好的整体承载能力;C/C-SiC复合材料喷管内层高温综合性能通过了固体冲压发动机点火实验考核。