X 射线 CT 技术在 C/ C 复合材料研究中的应用

分析了X射线CT技术的基本原理和成像模式,综述了X射线CT技术在C/C复合材料的密度测量、孔隙率、孔隙形状和分布等量化表征中的应用。同时介绍了X射线CT图像在C/C复合材料力学性能预测和裂纹扩展规律研究中的应用。     

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。     

C/SiC复合材料微结构的显微CT表征分析

利用显微CT表征了采用化学气相渗透法(CVI)制备的3D C/SiC复合材料的三维结构,评价了显微CT的微结构表征能力.结果表明:显微CT能够有效地分辨C/SiC复合材料的织构形貌、材料内部缺陷(孔隙和SiC基体密度差异).通过重构孔隙的三维结构,揭示了CVI过程预制体内部存在沉积气体滞留;通过重构孔隙壁的形貌,揭示了...     

SiC/ ZrC 前驱体配比对 C/ C-SiC-ZrC 复合材料烧蚀性能的影响

以不同质量比Si C/Zr C有机前驱体混合溶液为浸渍剂,采用前驱体浸渍裂解法(PIP)制得C/CSi C-Zr C复合材料。对C/C-Si C-Zr C复合材料的组成、微观结构及烧蚀性能进行了分析和测试,探讨了Si C/Zr C前驱体配比对复合材料烧蚀性能的影响。结果表明,随着Zr C含量的增加,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率呈现出先减小后增大的趋势。采用质量比为1∶3的Si C/Zr C前驱体混合溶液制备的C/C-Si C-Zr C复合材料具有相对较好的烧蚀性能,试样在氧乙炔焰下3 000℃烧蚀20 s,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为-0.65 mg/s和21μm/s。Si C-Zr C复相陶瓷中Zr C含量过低或过高均不利于提高其氧化稳定性,而Zr C含量适中的Si C-Zr C复相陶瓷具有较好的氧化稳定性。     

复合材料孔隙率超声衰减法检测技术研究进展及应用

介绍了近年来复合材料孔隙率超声检测研究现状和国内外采用超声衰减法测量孔隙率的理论模型、检测结果,并对各种模型进行对比和分析;论述了国内外各航空制造商的孔隙率超声衰减法检测的工程检测方法,对复合材料孔隙率超声衰减法检测技术的发展及应用提出了研究方向.     

基于有限元法的平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数预测方法

提出了一种采用有限元法计算平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的方法.首先研究了材料的细观结构,根据材料显微照片建立了带基体碳纤维束复合材料的单胞模型,采用基体中孔隙分布随机生成的单胞模型,计算了孔隙率对基体等效导热系数的影响,通过施加3组边界条件计算出带基体碳纤维束和复合材料的等效导热系数.最后应用提出的方法计算分析了碳纤维体积分数和孔隙率对复合材料等效导热系数的影响规律.结果显示:复合材料等效导热系数随碳纤维体积分数增大而线性下降,碳纤维体积分数从54%增加到78%的过程中,复合材料y轴方向的等效导热系数下降了12.8%,x与z轴方向的等效导热系数同时下降了8.6%;复合材料等效导热系数随孔隙率增大呈加速下降趋势,孔隙率从0增加到30%的过程中,材料的x与z轴方向的等效导热系数下降了22.91%,y轴方向的等效导热系数下降了34.66%.     

2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测

通过提取2.5维C/SiC复合材料经纱边界曲线,采用鲁棒最小二乘拟合得到了经纱轴向函数表达式,对拟合后的曲线进行合理简化,建立了参数化的2.5维C/SiC复合材料的有限元模型.采用双尺度模型对2.5维C/SiC复合材料进行刚度预测,分别为考虑纤维/基体/孔隙的微观尺度和考虑经纱/纬纱/孔隙的单胞尺度模型,刚度预测的方法采用刚度平均法和能量法.最后讨论了微观尺度的孔隙率对2.5维C/SiC复合材料弹性模量的影响.结果表明,刚度平均法和能量法的计算结果差异较小,考虑微观孔隙率后,计算结果与试验结果吻合得更好.      

微焦点CT在陶瓷基复合材料上的检测应用

陶瓷基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、高比强度等诸多优点,在航空航天领域的应用越来越广泛。受制备工艺和原材料等原因限制,产品会产生各种缺陷。能够进行缺陷检测的无损检测方法有超声波、CT、红外热成像、X射线等。本文基于微焦点CT系统,开展调节片类薄壁陶瓷基复合材料的检测试验。确定微焦点CT具备整体零件亚毫米级孔检测能力,且测量结果更准确。微焦点CT可以获得夹杂物、裂纹、断丝等缺陷清晰检测图像,能够实现材料孔隙率计算。     

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

RTM成型石英/苯并噁嗪复合材料的孔隙率研究

采用RTM工艺制备石英/苯并噁嗪复合材料,研究了主要工艺参数对其孔隙率的影响,并和石英/钡酚醛复合材料进行了对比。结果表明,较之纯低压或纯高压的注射方式,先低压后高压的注射方式可显著降低孔隙率;注射温度对孔隙率有一定影响,较佳的注射温度应是树脂黏度达到100～500mPa.s时的温度;孔隙率随着纤维体积含量的增加而减小,而制件厚度对其影响不大。在给定的先1atm后4.5atm的注射压力,50%纤维体积含量,6mm制件厚度,钡酚醛和苯并噁嗪注射温度分别为62℃和96℃的条件下,石英/苯并噁嗪复合材料的孔隙率仅为0.32%,明显低于石英/钡酚醛的3.49%。     

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。     

等温化学气相渗透法制备C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能

以碳纤维体积分数为30%的2.5维针刺碳毡为预制体,通过等温化学气相渗透法(Isothermal Chemical Vapor Infiltration,ICVI),制备4种C/C-SiC复合材料,基体中Si C含量由56%降至15%,其密度相近(1.87~1.91 g/cm~3)。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对上述材料的显微结构和物相组成进行观察和分析,并在MM-1000型摩擦磨损试验机上研究复合材料的摩擦磨损性能。结果表明:随着基体Si C含量的降低,C/C-SiC复合材料的平均宏观硬度由98.2HRA降至65.1HRA,硬度分布的均匀性也明显下降;制动过程的平均摩擦系数和质量磨损率均显著增加;通过对摩擦表面形貌和磨屑微观形貌的分析,表明制动过程中的磨损机制受材料表面宏观硬度的影响显著;随着复合材料表面硬度的降低,磨损机制由磨粒磨损为主向磨粒磨损和黏结磨损联合转变,从而使摩擦系数和磨损量显著提高。     

孔隙预置技术制备多孔C/SiC复合材料及其性能表征

以玻璃纤维为成孔剂,采用孔隙预置技术制备了发汗多孔C/SiC复合材料.对孔隙结构进行了表征,并研究了材料的力学性能和渗透行为.研究结果表明,采用孔隙预置技术能够有效地实现多孔 C/SiC材料开孔率和孔隙结构控制,该材料具有良好的力学性能和渗透性能.     

针刺预制体分层对燃烧室C/C-SiC热防护结构的影响

开展了针刺预制体分层对吸气式发动机燃烧室C/C-SiC热防护性能影响的实验研究。分析了针刺预制体制作过程中出现预制体分层的原因,指出缠绕张力大小是导致制体分层的因素。通过比较有分层和无分层两种情况的实验结果,发现预制体局部存在的分层,造成了C/C-SiC热防护结构在热防护实验中出现结构破坏,说明由于预制体分层会引起C/C-SiC热防护结构存在局部层间结合力弱以及局部区域存在SiC基体聚集区,从而严重影响C/C-SiC热防护的结构完整性。为了避免出现针刺预制体分层,提出了在预制体制作过程中控制环向纤维缠绕张力的大小和均匀性,并在其完成初步致密化后进行CT检测,发现可能存在的分层,并指出预制体密度大小与预制体是否存在分层有一定的关联性,应通过实验结果和检测结果的统计分析,确定合理的预制体密度大小范围。提出从宏观上预制体密度指标作为评定预制体是否存在分层的判据。     

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。     

无人车基于激光雷达/视觉的目标体积自动测量方法

近些年，基于激光雷达和视觉的目标感知在无人系统中得到了广泛应用。目标的体积测量在很多应用场景可以发挥极其重要的作用，然而对识别感知目标的体积测量，目前尚无大量研究。首次提出了一种基于激光雷达/视觉的无人车目标体积自动测量方法，实现了无人车与目标体积测量功能的结合。通过在LeGO-LOAM算法中加入点云畸变补偿，相较于原始LeGO-LOAM算法，无人车在高速情况下的构图精度得到提升；通过将激光雷达与视觉进行深度融合，实现了目标的自动识别与全局定位；通过基于平面拟合的地面分割与欧式聚类，实现了目标点云轮廓的实时获取；通过设计一种基于切片法的不规则物体体积测量方法，实现了无人车在运动情况下对目标体积的自动估计。最终，分别通过Gazebo仿真和实际试验验证了算法的有效性。试验结果表明，所提算法在无人车运动的情况下对静态目标物的实时体积测量精度优于3%，具有较好的工程应用价值。     

碳陶双基体复合材料壳结构的振动分析

针对某碳陶双基体复合材料的冲压发动机燃烧室衬套结构,在缺少复合材料机械性能参数的情况下,提出一种振动分析的工程实用方法.建立了衬套结构的有限元模型,通过固有振动特性和随机载荷环境中的振动响应计算分析,对结构的动力学设计进行评估,为复合材料壳结构的振动分析以及冲压发动机中典型壳结构的动力学设计和评估提供参考.