多向碳/碳复合材料的研究和发展

多向碳/碳复合材料是以多向织物为增强剂,沥青碳、树脂碳、沉积碳为基体复合而成的材料。三向正交结构是多向结构的最简单形式。这种材料的强度极限、断裂应变、烧蚀性能和整体破坏性能比石墨和二向碳/碳材料都高,因此美国首先将其用作MK-12A导弹的端头材料。细编穿刺结构是三向正交结构的改型,和三向正交结构相比细编穿刺结构具有更小的烧蚀量和更好的烧蚀外形,另外通过穿刺过程加入一定的粒子组分从而提高了抗侵蚀性     

金属组元对细编穿刺工艺织物的损伤

讨论了添加金属组元对细编穿刺织物的性能影响,在碳布和碳纤维中引入纳米、微米级粒径组元,对碳布和碳纤维进行测试,分析了不同粒径组元对碳布、纤维在工艺过程中的损伤情况.并对其进行了分散形貌和微观形态的分析.结果表明,纳米级组元对碳布、纤维的损伤小于微米级组元,展示了纳米级组元作为含组元织物成型过程中引入组元的良好前景.     

碳纤维三向织物基体鉴定会召开

建材部和中国科学院于1980年12月29日至31日在北京联合组织召开了“碳纤维三向织物基体技术鉴定会”。会上,由南京玻纤院宣读了《细编、超细编碳纤维三向编织及其工艺和设备的研究报告》、《碳纤维表理处理研制情况》等论文,并有使用单位介绍了三向织物使用试验     

C/C复合材料预制体的研究进展

C/C复合材料是航空航天领域重要的热结构材料,碳纤维预制体是其最主要的基础技术之一,决定着C/C复合材料的各项性能。本文主要介绍了针刺毡、细编穿刺预制体和轴棒编织预制体等C/C预制体,对比了不同预制体的工艺方法、性能和应用特点。针刺毡预制体由于成本低、烧蚀均匀等特点,广泛应用在固体火箭发动机喷管和飞机刹车盘领域;细编穿刺预制体具有纤维体积含量高、致密化周期短和烧蚀率低等特点,应用在固体火箭发动机喉衬;轴棒编织预制体由于织物中70%以上纤维垂直于燃气流方向,提高了材料的抗烧蚀性能,适于制造大型固体火箭发动机。针对国内预制体的研究状况,提出了要加强预制体的孔隙结构、纤维排布等对C/C复合材料的力学、热物理学以及后续致密化工艺影响的研究,更好地促进预制体的发展,进一步提升我国C/C复合材料的性能。     

细编穿刺碳／碳复合材料超高温氧化机理研究

研究了细编穿刺碳／碳复合材料高达３０００℃下的氧化与烧蚀。根据ＸＰＳ,ＳＥＭ和ＸＲＤ对烧蚀产物的微观分析建立了相应的非平衡烧蚀模型,提出了碳氧化的微观机理,探讨了扩散控制和反应动力控制对Ｃ／Ｃ复合材料氧化与烧蚀规律的影响     

防热复合材料抗粒子侵蚀特性研究

研究了含钨Ｃ／Ｃ复合材料、细编穿刺Ｃ／Ｃ复合材料等防热材料抗粒子侵蚀性能及其形貌特征。针对试验结果,探讨了目前侵蚀性能试验存在的问题。指出不同种类的防热复合材料在不同试验条件下表现出不同的抗粒子侵蚀机理和形貌特征,以侵蚀系数Ｃｎ值表征不同防热材料抗粒子侵蚀能力的大小具有不直观性。     

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.     

碳-碳复合材料研制新动向

美国麦克唐纳·道格拉斯宇航公司与美国空军合作正在大力研制供再入应用的新型碳-碳复合材料,其特点是用树脂作为碳-碳复合材料的基本原材料,探索不用沥青高压工艺生产高级碳-碳复合材料的可能。 七十年代中期美国通用电气公司采用三向细编和高压浸渍碳化沥青工艺研制成高级碳-碳复合材料,美国空军接着就与通用电气公司     

国外头部防热材料研制动向和碳—碳材料研究近况

美国战略核武器“民兵—Ⅲ”拟用MK12A取代MK12,MK12A头部防热材料是碳—碳复合材料。美国海军“三叉戟”的机动弹头MK500,也很可能系采用碳—碳材料作为头部防热材料。美国陆军认为反弹道导弹鼻锥经受极为苛刻严历的条件,碳—碳材料是可能满足这些条件的唯一材料。从1958年发现碳—碳材料以来,它的研制和应用已经经历了三个阶段,取得了极大进展。第一代碳—碳材料系三向正交细编碳—碳材料,增强剂大多采用高模石墨纤维,纤维排列推荐2—2—1和2—2—3,复合工艺发展趋向是先用化学气相沉积,然后浸渍、碳化、石墨化,浸渍剂趋向于用沥青。三向正交细编碳—碳材料已经克服了过去碳—碳材料所存在的严重各向异性问题。与七十年代初期3DMod3相比,机械性能与烧蚀性能等都有了显著提高与改进。     

间隙率对平纹及三轴向织物复合材料弹性性能的影响

采用有限元分析方法研究了间隙率对平纹及三轴向复合材料叠层弹性性能的影响.首先,根据平纹织物复合材料几何构型和基本参数,建立了平纹织物复合材料的面密度和单胞边长与间隙率之间的关系;然后,建立了平纹织物复合材料的拉伸、压缩和剪切有限元模型,利用该模型分析了间隙率对其弹性性能的影响;最后,分析了间隙率对平纹织物复合材料与三轴向织物复合材料叠层弹性性能的影响.研究发现,平纹织物复合材料的比拉伸模量和比压缩模量随其间隙率的增加而略微增加,比剪切模量随其间隙率的增加减小,平纹织物复合材料与三轴向织物复合材料叠层的等效模量极曲线平纹织物复合材料的间隙率的增加而极性减弱.     

径向法测量经编双轴向织物渗透率

用径向法测量了经编双轴向玻璃纤维织物的渗透率,研究了织物结构、纤维体积分数和注入压力对渗透率的影响。实验表明,经编双轴向玻璃纤维织物的渗透率呈各向异性,随着纤维体积分数增大,织物渗透率减小,各向异性的程度增加。在低的纤维体积分数下,低的注入压力影响渗透率的精确测量,注入压力增大到一定值时,纤维渗透率保持恒定。     

缝合碳纤维缎纹织物复合材料研究

使用高强度玻璃纤维缝合G803-T300-40B五枚缎纹碳纤维织物预制体,并用树脂膜熔融渗透(RFI)工艺成型复合材料.测试了改性环氧树脂胶膜熔体粘度对固化温度和时间的依赖性,将缝合与未缝合复合材料层合板试样的基本力学性能进行了试验对比.     

缝线粗细对复合材料面内弹性模量的损伤分析

建立了以碳纤维八枚五飞经面缎为基布,以不同粗细缝线的三维有限元模型。分别预报了缝线植入处基布全部损伤和部分损伤两种状况的弹性模量,较粗的缝线使得复合材料的拉剪弹性模量降低,较细的缝线对面内弹性模量影响较小;与未缝合相比,不同直径的缝线的模量变化在9.6%之内。此外,实验结果比有限元预报值大,但缝线粗细对复合材料面内弹性模量影响规律两者结果一致。     

G/K织物混杂增强复合材料层合板冲击损伤特性研究

采用空气炮实验装置、渗透剂增强的X射线照相法和高强光背射法对中心受到横向冲击的G／K织物混杂增强复合材料层合板的冲击损伤情况进行研究，讨论了G、K织物交替铺层时层合板的应力特征与损伤状况，分析了面、背板与芯板材质变化时层合板的应力与冲击损伤的关系、铺层角变化时层合板的损伤特征。结论强调指出，为提高复合材料层合板的抗弹能力，应采用混杂铺层、铺层角的错配方式，并避免将Kevlar作为背板使用。     

Analytical Solution for Predicting In-plane Elastic Shear Properties of 2D Orthogonal PWF Composites

This paper proposes a new analytical solution to predict the shear modulus of a two-dimensional(2D) plain weave fabric(PWF) composite accounting for the interaction of orthogonal interlacing strands with coupled shear deformation modes including not only relative bending but also torsion,etc.The two orthogonal yarns in a micromechanical unit cell are idealized as curved beams with a path depicted by using sinusoidal shape functions.The internal forces and macroscopic deformations carried by the yarn families,together with macroscopic shear modulus of PWFs are derived by means of a strain energy approach founded on micromechanics.Three sets of experimental data pertinent to three kinds of 2D orthogonal PWF composites have been implemented to validate the new model.The calculations from the new model are also compared with those by using two models in the earlier literature.It is shown that the experimental results correlate well with predictions from the new model.     

波形垫圈自动装配的结构设计

波形垫圈由于其形状特点形如波浪,厚度薄且具有弹性,因此上料及准确装配到位有一定难度.为此介绍了装配此工件的上料及装配机构的工作原理,并给出了结构设计方案.实际应用表明,所设计的机械结构结构简单,成本低,实用性好.并且该设备调整方便,各运动环节都具有可调节机构,方便维修.     

Static Pull and Push Bending Properties of RTM-made TWF Composite Tee-joints

This paper deals with static pull and push bending tests on two-dimensional (2D) orthogonal EW220/5284 twill weave fabric (TWF) composite tee-joints processed with the resin transfer moulding (RTM) technique. Static pull and push bending properties are determined and failure initiation mechanism is deduced from experimental observations. The experiments show that the failure initiation load, on average, is greater for push bending than for pull bending, whereas the scatter is smaller for push bending than for pull bending. The failure mode of RTM-made tee-joints in pull bending tests can be reckoned to be characteristic of debonding of resin matrix at the interface between the triangular resin-rich zone and the curved web of tee-joint until complete separation of the curved web from the bottom plate. In contrast, as distinct from the products subject to pull bending loading, the RTM tee-joints in push bending tests experience matrix cracking and fibre fracture from outer layers to inner layers of the bottom plate until catastrophic collapse resulting from the bending. Three-dimensional finite element (FE) models are presented to simulate the load transfer path and failure initiation mechanism of RTM-made TWF composite tee-joint based on the maximum stress criterion. Good correlation between experimental and numerical results is achieved.     

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。     

一种平纹编织复合材料的三维通用单胞模型

为了解决采用通用单胞(GMC)方法开展编织复合材料多尺度模拟的技术难题,发展了一种三维通用单胞模型,可用于二维平纹编织复合材料的多尺度模拟。概述了三维通用单胞方法的基本理论和求解流程;基于对二维平纹编织复合材料细观结构特征分析,建立了其三维通用单胞模型,并通过与传统有限元单胞模型的宏细观力学响应分析计算结果对比,验证了所建模型的正确性。采用基于通用单胞模型的有限元多尺度模拟方法,开展了二维平纹编织复合材料平板试件的模态分析。与试验结果对比表明,采用所建立的通用单胞模型预测得到的前五阶固有频率绝大部分的精度较传统有限元方法有了明显提升。该方法的优势在于可以基于通用单胞模型开展多尺度模拟,进而研究宏细观力学响应的相互关联。