轴棒法编织C/C复合材料的热物理及烧蚀性能

采用轴棒法编织三维四向炭纤维预制体,经高压沥青浸渍炭化致密化工艺(HIPIC)制得高密度4D C/C复合材料,研究了材料轴向的热物理性能、抗烧蚀性能,并分析了材料的烧蚀机理.结果表明,轴棒法编织C/C复合材料轴向的热扩散率随着温度的升高而降低,比定压热容随温度的升高而增大,热导率随温度的升高缓慢下降,且材料的热物理性能...     

热处理温度对针刺C/C复合材料热力学性能的影响(英文)

对炭布叠层针刺C/C复合材料分别进行了不同温度的高温热处理,研究了热处理温度对C/C复合材料热学、力学和抗热震等性能的影响。结果表明,经过高温热处理,针刺C/C复合材料的导热率升高,线膨胀系数降低,材料的抗热震因子从未处理的42 kW/m提高到70 kW/m以上,表明热处理后材料具有更佳的热稳定性,但材料的弯曲强度随热处理的升高从126 MPa降到70 MPa,且经过2 000℃及更高温度处理后弯曲强度降低幅度较大。     

低成本制造C/SiC复合材料的热物理性能研究

采用先驱体浸渍裂解工艺制备了三维针刺C/SiC复合材料,系统地研究了其热物理性能.结果表明:该低成本制造工艺制备的C/SiC复合材料热膨胀系数随温度升高总体上呈增大趋势,但随着温度的升高,热膨胀系数增大程度逐渐减弱,并且z向的热膨胀系数要高于x-y方向,而CVD-SiC涂层的存在会降低其热膨胀性能;C/SiC复合材料比热容、导热率也随着温度的升高呈现逐渐增大的趋势,但增加速率逐渐减小.CVD-SiC涂层的存在会提高C/SiC复合材料的导热性能,有利于C/SiC复合材料产品与外界环境的热能交换,但会使材料的比热容降低.     

编织参数对轴编C/C复合材料热膨胀系数的影响

将能量法和有限元方法相结合,预报了轴编C/C复合材料的热膨胀性能,通过与实验结果的对比,验证了预报方法的有效性;考虑编织间距和纤维棒直径的变化,预报了该材料热膨胀性能随编织参数的变化。结果表明,采用能量法预报C/C复合材料的热膨胀系数具有较高的精度;轴编C/C复合材料的热膨胀系数随编织间距的增大而减小;随半径的增大,轴向的热膨胀系数逐渐减小,而径向的热膨胀系数逐渐增加。     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。     

径棒法编织C/C复合材料热膨胀性能

热膨胀系数是表征C/C复合材料热稳定性的关键性能参数。为了解材料的热膨胀行为,以径棒法编织C/C复合材料为实验材料,分析了该材料的热膨胀性能。结果表明,径棒法编织C/C复合材料热膨胀性能呈现明显各向异性特征,径向方向材料的热膨胀系数最大。随着温度升高,材料热膨胀系数呈现增大趋势,800～1 000℃热膨胀性能趋于稳定。在本次实验中,材料密度由1.89 g/cm3提高至1.96 g/cm3,热膨胀系数增大。对完成致密的样品进行900℃热处理,材料1 000℃下径向热膨胀系数由热处理前的8.486×10-6℃-1降低至3.488×10-6℃-1。     

C-C扩张段材料性能设计

在相同的喷管结构中,通过正交试验和喷管结构有限元热应力分析,获得径向弹性模量、母线方向(环向)弹性模量、径向热导率、母线方向(环向)热导率、径向热膨胀系数、母线方向(环向)热膨胀系数、密度和比定压热容等八因素三水平情况下的母线方向拉应力极值、环向压应力极值和层间剪切应力极值。通过极差分析,初步获得优化的材料参数设计方案,然后对试验结果进行方差分析,得出母线方向弹性模量、径向热导率和母线方向热膨胀系数这3个因素是非常显著的;结合喷管扩张段C/C复合材料的应用环境和工艺条件,得出最终的材料优化设计方案,并进行有限元热应力分析,发现应力极值都远小于现有针刺C/C复合材料的许用应力。     

高密度轴棒法C/C复合材料的热膨胀性能

以轴棒法4D编织预制体、高温煤沥青为前驱体,采用常压、高压相结合的液相浸渍-炭化技术制备高密度(≥1.95 g/cm3)的C/C复合材料,并研究了轴棒法编织C/C复合材料在RT~1000℃的热膨胀性能及其影响因素。结果表明,由于材料预制体编织结构与微观结构的界面裂纹具有方向性,导致了C/C复合材料热膨胀表现出明显的各向异性,径向热膨胀系数低于轴向,高温尺寸稳定性较好;轴棒法C/C材料的热膨胀行为在800℃出现拐点,拐点与材料界面裂纹愈合有关,受最终制备温度的影响很大;材料经2500℃热处理之后,拐点后延,整体热膨胀系数下降,随温度上升趋势变缓。     

增强体结构对炭/炭出口锥材料热性能的影响

研究了三种增强体结构,即炭布叠层增强骨架(P型结构)、原位针刺骨架(N型结构)、整体编织骨架(W型结构),以及增强结构对炭/炭复合材料(C/C)出口锥热性能的影响。结果表明,三种增强结构C/C材料比热相近,随温度升高而增加;增强结构的各向异性对材料导热率影响明显,X-Y向的导热率均大于Z向,P-C/C面内和径向导热率相差10倍以上;N-C/C在两个方向导热率差别最小,各向异性度明显降低;W-C/C在两个方向导热率差别也较明显,径向导热率比P-C/C高,但低于N-C/C;热膨胀系数随增强结构不同呈显著各向异性,Z向和XY向热膨胀系数的比值(ZCTE/XYCTE)可表征C/C材料热膨胀性能的各向异性程度,P-C/C两个方向差异最大,W-C/C次之,N-C/C最小;随测试温度升高,N-C/C、W-C/C的ZCTE/XYCTE比值逐渐变小。     

低密度C/C隔热材料快速低成本制备及性能研究

以轻质粘胶基碳毡为增强体,采用压力浸渍树脂/常压炭化工艺(PIC)引入树脂碳作为基体,从而制备出体密度、开孔率分别为1.05 g/cm~3和35.65%的C/C隔热材料,并对材料的力学性能、热物理性能和隔热性能进行了测试分析。结果表明,室温下C/C隔热材料的水平剪切强度和弯曲强度分别为2.97 MPa和11.7 MPa,其载荷-位移曲线呈典型的"抛物线"状,表明材料的韧性较好;随着温度的升高,C/C隔热材料的比热容和热导率均逐渐增大,但后者的增幅更小,1000℃时其值仅为0.922 W/(m·K);平均热膨胀系数则随着温度的升高呈现先升后降的趋势,RT～1000℃的平均热膨胀系数仅为1.326×10~(-6)/℃;通过氧乙炔静态烧蚀试验测试C/C隔热材料的烧蚀隔热性能,当烧蚀面的最高温度达到2450℃时,其背面温度仅为357℃,表明材料具有良好的隔热性能。     

细编穿刺C/C复合材料热导率数值模拟

根据细编穿刺复合材料的细观和微观结构,分别建立了纤维束和细编穿刺单胞有限元模型。采用周期性非绝热温度边界条件,计算了纤维束和材料整体的等效热导率。计算结果与经验公式比较,具有高度的一致性。在此基础上,进一步研究了纤维体积分数、基体和纤维热导率对材料热导率的影响。结果表明,随着纤维含量的增加,材料两个方向热导率均有不同程度的下降,且差异逐渐减小,且基体对热导率影响作用较大。文中采用的模型和周期性边界条件与理论预期符合较好,为材料热学和热力耦合问题的分析提供了有用参考。     

水氧腐蚀环境对2D C/SiC热扩散性能的作用机制研究

通过对不同温度条件下,水氧腐蚀前后2D C/SiC复合材料热扩散性能的演变规律,研究了环境损伤对C/SiC复合材料热扩散性能的作用机制。在水蒸气和氧气混合环境下,C/SiC复合材料内部气孔率增加,同时在材料表面有氧化物形成。材料内部出现的气孔,阻断了热流在材料内部的传输,使得热扩散性能呈现出直线下降的趋势。氧化物的形成,在一定程度上封填裂纹,有助于热量的传输,能够在一定程度上改善材料热扩散性能。     

一种新型滑撬用针刺C/C复合材料制备与性能研究

研制一种新型滑撬用低成本“铺层-针刺”C/C复合材料,分析了其力学性能、热学性能和微观结构,并与现有国外滑撬用C/C复合材料进行了比较。结果表明,研制的C/C复合材料的力学性能、热性能优良,其层间剪切强度、压缩强度和冲击强度分别达到26.98 MPa、255.8 MPa和361.06 J/m,与国外同类材料相比,分别高96.4%、80.1%和262.2%,热导率提高约50%,线胀系数降低约60%以上,有效提高了抗热震性能和高温工作的可靠性。     

30%SiCp/Al复合材料空间服役温度环境适应性研究

30%SiC_p/Al复合材料具有较高的比强度和比刚度，应用于火星车驱动组件需满足空间环境温度下的高强韧性和高尺寸稳定性需求。文章对粉末冶金法制备的铝基碳化硅复合材料开展了空间环境地面模拟试验，分别从力学性能、组织结构和热物理性能等方面对材料的大温域空间环境适应性进行系统分析。结果表明，材料的力学性能和热物理性能随温度呈现规律性的变化，且具有各向异性:低温条件下抗拉强度提高，线膨胀系数降低；高温条件下冲击韧性提高，导热系数降低；经高低温循环后残余应力降低，抗拉强度提高，线膨胀系数各向异性降低。在此基础上，初步分析了铝基碳化硅复合材料受不同空间温度环境影响，力学性能和热物理性能发生变化的内在机理。     

航天飞行器防热层与天线窗口热匹配行为研究

针对防热层与天线盖板的热匹配及烧蚀匹配开展研究,通过有限元方法,分析了尺寸效应对于天线盖板热匹配的影响,同时结合电弧风洞实验验证了防热层与天线盖板在高温下的烧蚀匹配行为。研究结果表明,按照实验件尺寸20 mm×20 mm,在实验环境条件下,防热层最大热应力为2.98 MPa,小于低密度石英酚醛复合材料在高温下的拉伸强度,不存在热匹配风险。当天线盖板尺寸大于60 mm时,防热层局部接触应力约为5.3 MPa,大于防热层在高温下的抗拉强度,天线盖板与周边防热层保证0.3 mm安装间隙,天线盖板在高温下的最大膨胀量为0.03~0.04 mm,远小于间隙值,因此不存在热匹配风险。天线盖板在与防热层烧蚀过程中,由于耐温较高,在高温下基本无烧蚀,低密度石英酚醛防热层烧蚀量约为 1.1 mm,因此在后续防热设计中可在天线盖板前缘处预留台阶,以减小高温下的烧蚀不匹配风险。     

相变材料深空控温技术研究

随着航天电子产品向小型化、集成化方向发展,产品热流密度迅速增长,其抗热冲击散热问题成为制约产品设计的瓶颈问题之一.使用相变控温技术可以很好地解决该问题,且相变控温属于被动控温,可靠性很高,符合航天产品要求.以某VPX标准机箱扩热板结构为研究对象,提出相变材料与载荷产品结构复合一体化的相变控温装置设计方法.通过设计试验进...     

不同增强体C/C复合材料韧性研究

研究了编织C/C复合材料、针刺C/C复合材料和毡基C/C复合材料室温、高温的断裂韧性,以及3种不同增强体C/C复合材料的冲击韧性。研究发现,C/C复合材料的高温断裂韧性高于室温,其中针刺C/C复合材料的断裂韧性值最高。编织C/C复合材料的抗冲击性能表现出强烈的各向异性,针刺C/C复合材料抗冲击性能优于毡基C/C复合材料。     

High precision composite pipes for SOLAR-B optical structures

The authors have been developing new high thermal conductivity and low moisture absorption composite pipes for high precision space optics applications on the Japanese Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) SOLAR-B satellite.Pitch based K13C (Mitsubishi Chemical) high modulus and high conductivity graphite fiber, and EX1515 (Bryte Technology) low moisture absorption cyanate resin, were applied to the pipes.Thermal expansion of the composite pipes was designed to be zero and more uniform in the longitudinal direction in order to obtain long term dimensional stability in the space environment.Model pipes whose length was 500 mm were fabricated and evaluated for thermal and hygroscopic deformation in a new testing apparatus. Equivalent coefficient of thermal expansion of the model pipes was essentially zero (less than 0.1 ppm/°C) and standard deviation of these coefficients was 0.05 ppm/°C. Hygroscopic deformation of the model pipes was under representative conditions 7 ppm over 3 month. The excellent thermal and hygroscopic stability were verified. In addition, thermal conductivity of the model pipes was more than 200 W/(m · K).