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。     

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。     

碳／碳化硅复合材料摩擦磨损性能分析

采用化学气相渗透法制备了碳纤维增强碳化硅(C/C SiC)陶瓷基复合材料,得到不同密度和组分含量的C/C SiC刹车盘试样。对C/C SiC复合材料进行了摩擦磨损性能测试,平均摩擦系数达到 0 23,摩擦稳定性达到0 43,线性磨损率为 9 3μm/次·面,质量磨损率为 2 6mg/次·面。当C/C SiC复合材料的密度增大 (1 6g·cm-3→2 2g·cm-3 ),碳含量增大(35%→55% ),摩擦系数和稳定性提高(约 70% ),且摩擦系数随制动次数增加的波动幅度减小;SiC含量升高则反之。C/C SiC复合材料经过多次刹停测试,摩擦系数对制动次数不敏感,表现出良好的摩擦稳定性。经过连续刹车试验,摩擦系数不随表面的起始和最终温度升高而衰退,材料尚无热衰竭趋势。对C/C SiC刹车盘试样的磨损表面形貌及缺陷进行了观察,发现表面磨损质量在航标允许范围内。     

2.5维自愈合C/SiC复合材料的拉伸损伤及强度

试验研究了2.5维自愈合C/Si C复合材料的单轴拉伸损伤特征,发现拉应力小于50 MPa时经向和纬向模量基本无变化,50 MPa后残余应变逐渐增大。根据主裂纹面受力情况,建立了单向增强自愈合C/Si C复合材料的脆性断裂模型和韧性断裂模型,并利用其预测了2.5维自愈合C/Si C复合材料的经向和纬向强度。结果表明,2.5维自愈合C/Si C复合材料的经向和纬向拉伸发生脆性断裂,脆性断裂模型预测值与试验值吻合较好。     

不同T300 级碳纤维轴棒法C/ C 复合材料的导热性能

选取两种国产T300级PAN基碳纤维,轴棒法制备4D预制体,以高温煤沥青为前驱体,采用液相浸渍-炭化以及石墨化相结合的技术制备C/C复合材料(密度≥1.95 g/cm<'3>),研究了C/C复合材料从室温(RT)到800℃的热导率及其影响因素.研究表明,在实验温度范围内C/C复合材料的热导率随温度升高而降低,由于原材料自身特性和预制体编织结构具有方向性,使C/C复合材料的导热性能表现出各向异性,径向热导率明显高于轴向;密度高、开孔率小、石墨化程度高的C/C复合材料由于晶粒间连通状态好,微晶结构趋于完整,材料的热导率增大;以低压热处理为最终处理工艺的C/C复合材料热导率略有提高;采用国产T300级与东丽,1300碳纤维制备的C/C复合材料的热导率相当.     

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.     

C/C复合材料比热容和热扩散率的研究

研究了C/C复合材料的比热容、热扩散率及其影响因素。研究表明,C/C复合材料的比热容随着温度的升高而增大,在1 300 K时比热容达到最大值1.8 kJ/(kg.K),之后随着温度的升高,比热容保持恒定;C/C复合材料的热扩散率随着温度的升高而降低,碳纤维的取向与热传导方向一致时热扩散率最高;石墨化度高,热扩散率高;C/C复合材料的热扩散率随着材料密度的增加而增大。     

沥青族组分对C/C复合材料热物理性能的影响

以整体碳毡为预制体、两种族组分不同煤沥青为前驱体,采用常压、高压相结合的液相浸渍/炭化技术制备C/C复合材料.研究了复合材料在200～2000℃的热物理性能.结果表明,族组分影响基体碳的微观结构,从而影响材料的热物理性能.煤沥青喹啉不溶物(QI)质量分数高(7.31%),材料的石墨化度为86.29%,真密度为2.13 g/cm3,微观结构为镶嵌型和域型结构为主,并有部分的流线型结构;QI含量低(0.02%),真密度为2.22 g/cm3,其石墨化度达到91.93%,微观结构主要以流线型为主,含有极少量的镶嵌型和域型结构.QI含量越低,复合材料真密度越大,晶体微观结构渐趋完善,石墨片层的有序度增加,石墨化度越高,材料的比热容和导热性能增强,线胀系数降低.     

沥青浸渍炭化C/ C 复合材料密度及孔隙分布

以径棒法编织成型预制体,采用沥青浸渍炭化工艺制备了C/ C 复合材料(1. 50 g/ cm3 ),采用CT

检测了试件的密度分布特征,并采用光学显微镜和压汞法分析了试件的孔隙分布特征。结果表明,在沥青浸渍

炭化的工艺条件下,试件外端密度最高,由外端到中心沿径向密度递减;以坯体中心为参照点,同一圆周方向密

度均匀分布;坯体开孔率沿径向由外端到中心递增;坯体大孔和中孔孔容积比率沿径向从外端到中心递增,而

微孔孔容积比率则从外端到中心递减。

     

C/C复合材料密度的CT定量无损检测技术

讨论了利用水模试样和石墨试样标定CT检测过程中影响CT值的因素(系统噪声、产品尺寸、检测参数、摆放位置等)对CT值的影响,然后利用C/C复合材料试样建立CT值和材料密度的拟合曲线和拟合公式.结果表明系统噪声、产品尺寸、检测参数、摆放位置等对CT值的影响很小,C/C复合材料织物和复合物CT值和材料密度的拟合公式分别为P=(T+793)/659和P=(T+100)/860,说明利用CT值可以对C/C复合材料的密度进行定量定义.     

基体碳结构对轴间密封环用C/C复合材料摩擦磨损特性的影响

 在m²000型摩擦实验机上,在不同载荷作用下,对4种具有不同偏光结构的C/C复合材料与40Cr钢配副进行环—块滑动摩擦实验。结果表明:相同载荷下,具有粗糙层（RL）基体碳结构试样的摩擦系数都最高,且随载荷的增加在0.151～0.165之间波动。而光滑层（SL）碳结构的试样的摩擦系数最低,随载荷增加在0.105～0.117之间缓慢降低。随时间延长,RL结构的试样在高载荷下摩擦系数下降,SL结构的试样摩擦系数除60N外略有上升,树脂碳增密的试样摩擦系数均下降,而树脂碳+SL碳的试样仅80N、150N的基本保持不变。RL结构的试样体积磨损量最大,最大值为150N时的1 61mm³,而SL+树脂碳结构的试样体积磨损量最小,在0.391～0.420mm³之间。SEM观察表明:随载荷增加,RL结构的试样摩擦表面形貌仍很完整、光滑,而浸渍增密的试样纤维拔出现象加剧,SL+树脂碳结构的试样摩擦表面逐渐完整。     

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。     

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。     

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。     

韩国高性能C/C刹车盘的开发

介绍了韩国国防开发署与大宇重工合作开发的飞机C/C刹车盘的制造工艺和动力矩试验结果。韩国使用专门设计的预形体通过沥青浸渍和化学气相沉积工艺制备了具有要求的摩擦磨损性能、密度、热性能及机械性能的C/C刹车盘,在无损检测、机械加工、金属夹组装和防氧化处理等工序之后进行鉴定试验。包括动力矩试验和服役寿命试验的全部鉴定试验根据MIL—W—5013规范和洛克希德公司的GD16ZL001B规范在惯性动力仪上进行。全部鉴定试验结果显示新的刹车装置与已鉴定过的现役C/C刹车盘相比具有良好的刹车性能,达到了全部要求。     

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-Cu 复合材料的弯曲性能

以碳纤维针刺毡为整体骨架,采用CVI工艺制备出不同密度的C/C复合材料,然后用挤压铸造成型方法制备了C/C-Cu复合材料。并对不同组分的C/C-Cu以及C/C复合材料的弯曲性能进行了研究,结果表明:密度为4.59 g/cm3的C/C-Cu复合材料的xy向弯曲强度高于密度为1.85 g/cm3的C/C复合材料,并且具有一定的塑性,铜基体发挥了增韧增强的作用;密度为2.04 g/cm3的C/C-Cu复合材料的xy向弯曲强度低于密度为1.85 g/cm3的C/C复合材料,且没有塑性出现,铜基体分散未发挥增强作用。     

基体改性C/C复合材料在高温下的热膨胀规律

 对基体改性前后C/ C 复合材料在高温下的热膨胀系数随温度的变化规律进行了研究。结果表明,基体改性前C/ C 复合材料在高温下的热膨胀系数随温度的变化完全符合碳素材料的一般线性变化规律,而基体改性后C/ C 复合材料在高温下热膨胀系数随温度的变化在900 ℃以前为线性关系,在900～1500 ℃之间为指数关系。通过数学推导与实验验证,证实了这种关系的合理性与可靠性,这对于改善C/ C 复合材料与其抗氧化涂层之间热膨胀系数的匹配程度,全面提高C/ C 复合材料的高温抗氧化性具有一定的指导意义。