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。     

二维机织C/SiC复合材料非线性力学行为数值模拟

建立了考虑纤维束内部缺陷以及外部基体缺陷的多尺度单胞模型。首先依据电镜扫描图和材料内部单胞的密度,确定了纤维束单胞和复合材料单胞的几何尺寸;然后引入周期性边界条件,利用含缺陷的纤维束单胞模型计算了其初始模量和强度;最后使用由电镜扫描图确定尺寸的复合材料单胞模型,利用上一尺度的材料参数,对复合材料的模量进行了预测;并建立了含损伤纤维束单胞的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin准则作为判定纤维束起始损伤的适用性,并最终据此给出了单轴载荷作用下受损材料参数的变化情况。分析表明:基于考虑两种缺陷的多尺度模型,使用Hashin准则对C/Si C复合材料单胞进行非线性应力-应变行为数值预报与实验吻合良好。     

三维四向C/C复合材料高温氧化环境强度预测

在细观尺度下,基于逐渐损伤理论,建立了一种三维四向C/C复合材料高温强度预测模型。模型考虑了纤维束挤压后的截面形状、单胞的周期性以及纤维束和基体的脱黏等因素,引入考虑温度的三维Hashin失效准则进行单元的失效判定,预测了三维四向C/C复合材料室温和有防氧化保护700 ℃的拉伸强度。为了将模型发展到高温氧化环境,建立了考虑氧化速率的纤维束高温氧化环境力学性能退化模型,结合纤维束和单向板力学性能等价性原理,实现了无防氧化保护下三维四向C/C复合材料700 ℃拉伸强度的预测。研究了切边加工对三维四向复合材料强度的影响,建立了考虑切边宽度的切边三维四向复合材料强度预测模型,预测了有、无防氧化保护切边宽度为18 mm的三维四向C/C复合材料拉伸强度。结果表明:对非切边试验件在室温、有防氧化涂层700 ℃和无防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为5.51%、7.20%和7.13%,拉伸过程的应力-应变曲线与试验结果吻合度较好;对切边试验件在室温和有防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为0.88%和4.53%。多种类的算例表明预测模型合理、可靠。      

含缺陷C/SiC平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

采用APDL语言实现ANSYS的二次开发,建立含预制缺陷的纤维束截面卵圆形多尺度单胞模型。首先计算纤维束单胞的初始模量,强度以及最大应变;随后利用扫描电镜图中的缺陷建立单胞模型,并引入周期性边界条件,预测材料的初始各向材料常数。同时利用Linde提出的逐渐损伤准则,进行单轴拉伸力学行为的数值模拟,并阐述该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。该模型计算得到的最大拉应度为0.65%,强度为256.46 MPa。结果表明,该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好,证明了模型的有效性,为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。     

不同针刺预制体结构对C/ C 复合材料力学性能的影响

在斜纹碳布/碳纤维网胎、无纬布正交/碳纤维网胎针刺圆筒预制体的基础上,通过在其结构中增加角度缠绕连续纤维,设计和研制了新型结构针刺预制体,并对比研究了不同针刺预制体结构对圆筒C/C复合材料力学性能的影响.结果表明,无纬布正交铺层针刺C/C复合材料的层剪、轴向拉伸强度都高于斜纹碳布增强针刺C/C材料,其中轴向拉伸强度达到157.0 MPa,提高了83.0％;其层剪、轴向拉伸强度均有所提高,其最大分别可达到11.68和179.0 MPa,分别提高了22.6％和14％.     

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.     

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

温度参数下轴编C/C复合材料的超高温热结构性能分析

为了研究轴编碳/碳（C/C）复合材料的超高温热结构性能,开展了2800℃超高温载荷下复合材料的拉伸实验,表征了复合材料组分材料的高温失效形貌;提出了立方体单胞和正六棱柱单胞的温度周期性边界条件的算法和预测复合材料等效热结构参数的方法,在材料属性各向同性正六棱柱单胞模型上验证了方法的正确性;最后建立了轴编C/C复合材料的代表性体积单元,计算了复合材料随温度载荷变化下的等效热结构参数,与实验数据进行了对比分析。分析表明：开展的轴编C/C复合材料的超高温拉伸实验,可以得到复合材料在2800℃载荷下复合材料的等效刚度值,同时分析了轴向试件和径向试件的高温失效机理,径向试件的纤维束拉伸强度对复合材料的径向拉伸强度起到决定性的作用。在应用位移以及温度周期性边界条件的基础上,提出的方法可以得到随温度载荷变化下复合材料的等效热结构参数,得出复合材料在横向满足近似各向同性的特性,预测结果表明只改变温度参数下复合材料的等效热导率不会发生改变。提出的方法同样也适用于其他编织复合材料的热结构性能研究。     

单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

黏胶丝基碳布增强C/C复合材料研究

采用黏胶丝基碳布进行了二维层板C/C复合材料研究。和PAN基碳布进行对比,分别从碳纤维微观结构、表面形貌、碳布物理性能、树脂基复合材料炭化过程残余热应力模拟、C/C复合材料力学和热物理性能表征等方面进行了对比分析和研究。结果表明,2 200℃处理的黏胶丝基碳纤维是非石墨化结构;纤维横断面呈腰子形,碳布纬向纱弯曲。黏胶丝基碳纤维的密度仅1．39 g/cm~3;拉伸模量很低,约50 GPa。炭化过程研究表明,黏胶丝基碳纤维轴向具有持续的正的线膨胀行为,在炭化初期与酚醛树脂的膨胀行为相一致;黏胶丝基碳布增强树脂基材料在800℃的面内自由热应变是PAN基材料的1/8;模拟的炭化过程热应力是PAN基材料的1/60。黏胶丝基C/C层板材料的层剪强度高于PAN基C/C复合材料,达到16．2 MPa;其拉伸强度为46．6 MPa,弯曲强度高达95．5 MPa,拉伸模量与弯曲模量基本一致,约10 GPa。黏胶丝基C/C复合材料在800℃的热导率是6．48 W/(m·K),与PAN基C/C复合材料非常接近;在800℃的线膨胀系数是2．18×10~(-6)/ K,远高于PAN基C/C复合材料的-0．387×10~(-6)/K。总之,黏胶丝基碳纤维由于其表粗糙度大、碳布纬向纱弯曲、极低的拉伸模量、正的轴向线膨胀系数,因而C/C复合材料层剪强度高,成型工艺中热应力低,较PAN基碳纤维更适合于研制不分层的二维C/C复合材料。     

C/C和C/SiC复合材料的夏比冲击性能研究

使用夏比摆锤冲击试验机对C/C和C/SiC两种复合材料进行了冲击试验,打击瞬时线速率为2.9 m/s,刀刃半径为2 mm.使用光学显微镜和扫描电子显微镜观察了试样断口形貌.结果表明:C/C和C/SiC两种复合材料的夏比冲击能量随着材料密度的增加而减小,冲击能量与密度基本呈线性关系.密度低的C/C和C/SiC复合材料冲击...     

碳化硼对碳／碳复合材料的催化石墨化作用

本文研究了用Ｂ４Ｃ作催化剂，以降低Ｃ／Ｃ复合材料的石墨化温度，并比较分析了添加Ｂ４Ｃ后，对Ｃ／Ｃ复合材料力学、热物理性能的影响。结果表明，添加Ｂ４Ｃ后，在比通常石墨化温度低４００℃的情况下，石墨化度反而增加了１４％，达到了８５％。Ｃ／Ｃ复合材料的抗热震性能也有提高。同时应用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）等分析手段，分析了Ｂ４Ｃ对Ｃ／Ｃ复合材料的催化石墨化机理。     

C/C复合材料光谱发射率测量研究

使用石英灯辐射加热器对C/C复合材料进行加热试验,分别用NiCr-NiSi热电偶及红外测温仪测量材料的背面温度,通过加热过程中的背面温度曲线,得到了材料的ελ-T图.结果表明:在1 123～1 273K情况下,ελ(λ=1.6μm)在0.93～0.87,随温度升高,C/C复合材料的光谱发射率ελ呈下降趋势.     

Dynamic analysis of C/C composite finger seal

A seal device as an important component of aeroengines has decisive influence on per- formance, reliability, and working life of aeroengines. With the development of aeroengines, demands on the performance characteristics of seal devices are made strictly. Finger seal as a novel kind of sealing device, recently attracts more and more attentions in academic circles and engineer- ing fields at home and abroad. Research on finger seals has been extensively developed, especially on leakage and wear performances under dynamic conditions. However, it is a pity that the work on finger seals has been limited with a single approach that is improving the performance by structural optimization; in addition, the technology of dynamic analysis on finger seals is weak. Aiming at the problems mentioned above, a distributed mass equivalent dynamic model of finger seals considering the coupling effect of overlaid laminates is established in the present paper, the dynamic perfor- mance of 2.5 dimension C/C composite finger seal is analyzed with the model, and then the effects of fiber bundle density and fiber bundle preparation direction on finger seal＇s dynamic performance are discussed, as well as compared with those of Co-based alloy finger seal. The current work is about dynamic analysis of finger seals and application of C/C composite in this paper may have much academic significance and many engineering values for improving research level of finger seal dynamics and exploring feasibility of C/C composite being used for finger seals.     

C/C复合材料CVI工艺的计算机模拟研究进展

综述了C／C复合材料CVI工艺数值模拟的基本原理，软计算在工艺优化与控制的应用，以性能模拟的研究现状；分析了现今模拟存在的问题；提出了今后C／C复合材料计算机模拟的发展方向.     

纤维单向缠绕制备C/C扩张段成型技术

在"锥形体纤维单向缠绕技术"的基础上进行了碳纤维单向缠绕制备C/C扩张段成型工艺的探索,制备出了Φ180 mm C/C扩张段试验件,并对其进行了性能测试及整体探伤.测试结果为:超声探伤分贝差为15 dB的缺陷面积小于5%;沿母线方向层间剪切强度大于10 MPa,大端环向层间剪切强度偏小;内压爆破压强为0.6 MPa,破裂模式较好.试验结果表明,采用碳纤维单向缠绕技术制备C/C扩张段工艺可行.     

浅析C/C复合刹车材料

介绍了新一代刹车材料-C/C复合刹车材料的优点、缺点,并介绍了C/C复合刹车材料的应用现状及发展前景.     

液相浸渍法制备针刺C/C复合材料

以T300无纬布与PAN碳纤维网胎叠层针刺预制体,高温煤沥青为浸渍剂,采用和高压浸渍炭化相结合的液相浸溃方式制备C/C复合材料.通过对材料力学、热物理性能测试及扫描电镜下显微结构的观察分析.可以得出,引入z向网胎纤维,使材料的z向剪切及压缩、x-y向拉伸及弯曲强度较整体毡C/C材料提高.同时,材料的线胀系数表现为各向异性,而热导率各向异性程度低于整体毡C/C材料,材料的制备周期缩短.     

C/C复合材料螺栓紧固特性

为了获得C/C螺栓紧固特性,采用紧固力矩试验方法开展了不同结构C/C螺栓紧固特性研究,研究内容包括不同垫片材料、单螺母和双螺母、涂胶和不涂胶等组合情况下C/C螺栓K值的变化趋势,并研究了C/C螺栓的极限抗扭能力。结果表明:碳基螺栓的扭矩系数值K与金属螺栓差异很大,不同材料结构也有差异,涂胶对增加夹紧力有明显的提高作用。