针刺预制体参数对C/C复合材料力学性能的影响（英文）

通过针刺与化学气相沉积分别制备碳纤维预制体与碳基体,获得针刺C/C复合材料。研究了针刺密度、针刺深度、网胎面密度等预制体成型工艺参数对C/C复合材料力学性能的影响,并探讨了预制体体积密度与C/C复合材料力学性能关联关系。结果表明,针刺密度在20~50针/cm2之间时,C/C复合材料拉伸强度先增后减,而层间剪切强度一直上升;针刺深度在10~16 mm之间时,拉伸强度和层间剪切强度随针刺深度的提高而增加;网胎面密度在100~300 g/m2之间时,拉伸强度和层间剪切强度随网胎面密度的提高而降低;当只改变针刺密度、针刺深度、网胎面密度其中一个成型参数时,拉伸强度和层间剪切强度受预制体密度影响显著,预制体密度可作为预测C/C复合材料力学性能的一个宏观成型参数。     

预制体及基体对C/C复合材料性能的影响

研究了预制体结构及其成型工艺和基体类型对C/C复合材料的力学性能、烧蚀性能和微观结构的影响。结果表明,它们对C/C复合材料的拉伸和压缩强度影响不显著,而对剪切性能影响明显。采用CVD成型工艺和树脂炭基体,对于二维预制体,C/C复合材料的剪切强度可达19MPa;对于准三维预制体,C/C复合材料层间剪切强度可达20MPa。不同类型的基体炭对复合材料的耐烧蚀性影响不同,CVD炭具有优异的抗烧蚀性能,树脂炭与沥青炭的抗烧蚀性能较差。采用先沉积后树脂浸渍炭化补充增密,可制备综合性能优异的热结构复合材料。     

两种针刺纤维性能与成型性分析

研究了2种适合针刺炭预制体纤维——预氧丝纤维和炭纤维的性能,并对比了2种纤维成网性能和针刺性能的差异。预氧丝纤维炭化后拉伸强度为2 000 MPa,低于炭纤维(≥3 000 MPa)。预氧丝纤维单丝断裂延伸率是炭纤维的4倍,针刺Z向纤维平均长度8～15 mm,是炭纤维的3～4倍;3K炭布/预氧丝网胎针刺预制体Z向剥离强度达到0.594MPa,而3K炭布/炭纤维网胎针刺预制体剥离强度为0.128 MPa。炭纤维网胎针刺预制体热处理过程尺寸稳定,可满足高强度薄壁C/C复合材料构件的使用要求。预氧丝网胎针刺预制体层间连接紧密,适合制备厚壁C/C复合材料部件,整体性能优越。     

针刺炭布/网胎复合织物的组分形态及性能研究

将T-300炭纤维平纹布和聚丙烯腈（PAN）预氧化纤维网胎预复合,接力层叠、针刺、炭化后制备了炭布/网胎复合织物.在分析复合织物组分形态的基础上,研究了针刺深度和针刺密度对复合织物性能的影响.研究结果表明,随针刺深度增大,复合织物密度增大,X-Y向和Z向拉伸强度均存在极值;随针刺密度增加,复合织物X-Y向拉伸强度下降,而复合织物密度和Z向拉伸强度则存在极值.     

缝合密度对缝合C/C-SiC-ZrC复合材料的力学性能的影响

采用碳纤维无纬布缝合预制体,经"CVI+PIP"混合工艺制备了缝合C/C-SiC-ZrC复合材料。比较不同缝合密度对C/C-SiC-ZrC复合材料力学性能的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料断口的微观形貌。结果表明,在一定范围内,随着缝合密度的提升,缝合C/C-SiC-ZrC复合材料的拉伸强度有所下降,然而剪切强度有明显提升,最大可达24.94MPa。从SEM结果可以看出,无纬布缝合C/C-SiC-ZrC复合材料的拉伸破坏有明显假塑性断裂特性,在剪切载荷作用下,Z向纤维可有效抑制材料层间分层损伤。     

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。     

预制体结构对C/C喷管出口锥材料力学性能的影响

设计了3种用于制备喷管用C/C出口锥材料的炭纤维增强预制体,即炭布铺层骨架(P型预制体)、炭布叠层原位针刺骨架(N型预制体)、炭纤维整体编织骨架(B型预制体),并对比研究了预制体结构对C/C出口锥材料力学性能的影响。结果表明,对同密度水平的C/C出口锥,用P型预制体制备的C/C材料的层剪强度最低,N型预制体制备的材料的层剪强度最高,B型预制体制备的材料的层剪强度居中。3种预制体制备的C/C材料的高温弯曲性能差别不大,N型预制体结构更适合于C/C出口锥材料的制备成型。     

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。     

添加树脂碳对针刺C/C-SiC材料熔渗行为及性能的影响

以2.5D无纬布/网胎叠层针刺预制体为增强体，采用化学气相渗透和树脂浸渍裂解法制备了密度约1.35 g/cm³的热解碳C/C、热解碳+树脂碳C/C两种坯体，再经反应熔渗获得C/C-SiC复合材料，分析了不同碳基体组分C/C材料的熔渗特性及其微结构、拉伸性能及氧乙炔烧蚀性能的变化规律。结果表明：相比热解碳的“薄壳”型孔隙结构，树脂碳的“狭缝”型孔结构增大了液Si与碳基体的接触面积，提高了熔渗动力，获得致密度和SiC含量高的C/C-SiC复合材料，提升抗烧蚀性能，在氧乙炔火焰下经400～600 s烧蚀的线烧蚀率降低24%,但树脂碳对液Si的诱导渗透增加了骨架承载体的损伤，使树脂碳+热解碳基C/C-SiC复合材料室温拉伸强度(104±3)MPa低于热解碳基C/C-SiC的(118±3)MPa。     

穿刺结构参数对C/C复合材料拉伸性能的影响

采用不同间距、不同根数的纤维束穿刺成型炭纤维预制体,经进一步化学气相沉积、沥青浸渍-高压炭化致密制备穿刺C/C复合材料。拉伸性能测试结果表明,穿刺间距2.1mm、穿刺束纤维根数为12K的C/C复合材料获得高的拉伸强度,Z向拉伸强度131.4MPa,XY向拉伸强度111.3MPa;随着穿刺间距减小、穿刺丝束纤维根数增加,Z向纤维含量增加,Z向拉伸强度明显提高。穿刺C/C复合材料1800℃真空条件下的拉伸强度与室温相当,拉伸模量低于室温,延伸率高于室温;常温拉伸断口较平整,且纤维/基体间的裂纹明显,而高温拉伸断口参差不齐,纤维及基体断面粗糙,呈现出假塑性断裂特征。     

炭布叠层穿刺C/C复合材料螺栓连接件微观组织和力学性能

以炭布叠层穿刺结构作为预制体,通过热梯度化学气相沉积(TCVI)工艺,制备了C/C复合材料,并沿不同纤维增强方向加工出C/C复合材料螺栓。考虑到机械加工对C/C复合材料性能的损伤,提出了C/C复合材料螺栓力学性能的测试方法,通过自行设计的模具,对所制备连接件的力学性能进行了测试表征,并利用偏光显微镜(PLM)和扫描电子显微镜(SEM),对C/C复合材料螺栓的微观组织结构及断口形貌进行了分析。结果表明,所制备的螺栓具有较好的抗拉和抗剪能力,沿平行于炭布X-Y面方向(xy向)加工的C/C复合材料连接件具有较高的力学性能,螺柱的抗拉强度和剪切强度分别为52.3 MPa和49.8 MPa,圆柱销剪切强度为52.2 MPa。     

二维炭/炭复合材料中纤维-树脂体系的研究

对三种炭纤维和三种酚醛树脂进行了六各二维层合炭／炭复合材料研制，测试了层同剪切强度和拉伸强度，ＴＣＦ／ＦＥ体系，ＲＣＦ／ＲＰＨ体系所制备的二维Ｃ／Ｃ具有较高的层间剪切强度和拉伸强度，层间强度在１６ＭＰＡ以上，结果表明，二维炭／炭中纤维－树脂体系存在一个最佳配合问题；纤维不约而同的官能团比表面度在界面连接上起重要的作用，树脂的选择还要结合其结构表进行。     

快速制备不同预制体C／C复合材料摩擦学性能研究

分别以短纤维模压毡和炭布叠层为预制体,采用快速CVI工艺制备C/C复合材料,测试了2种不同材料的干态静摩擦性能和干态动摩擦性能,分析了预制体结构及试验条件对其摩擦性能的影响,并探讨了该材料的摩擦磨损机理.结果表明,静摩擦系数随刹车比压增加而减小;快速制备C/C复合材料的磨损率非常低,具有良好的磨损性能,提高垂直取向(垂直于摩擦面)纤维的含量有利于减少磨屑量,降低磨损率.短纤维模压毡预制体制备的C/C复合材料的磨损率低于炭布叠层预制体.     

紫外光辐照对PBO纤维复合材料力学性能的影响

采用紫外光加速老化试验箱、材料试验机和DMA研究了紫外光辐照时间对PBO纤维复合材料性能的影响。研究结果表明:紫外光辐照导致PBO纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及层间剪切强度出现了一定程度的下降,但对复合材料的模量影响较小;经紫外光辐照一定时间后,PBO纤维复合材料的耐热性和刚性均有所提高,随着辐照时间增加,复合材料的E′和E″向低温方向移动,表明复合材料的耐热性和刚性又开始下降。     

炭布高温处理对2D-C/C分层缺陷的影响研究

研究了炭布高温处理对二维炭／炭复合材料(2D-C／C)分层缺陷的影响。分析了炭布处理前后炭纤维的元素及表面形貌；测试了炭布处理前后树脂基复合材料(PMC)、炭化后2D-C／C及致密后2D-C／C的层剪强度、密度、开孔率等；采用金相显微镜表征了2D-C／C的分层缺陷。结果表明，炭纤维(布)经高温处理后，其表面含氧量下降，含碳量提高，表面粗糙度增大，惰性增大；炭布高温处理降低了树脂基复合材料的ILSS．炭化后2D-C／C表现出低密度和高开孔率，炭化收缩量小、热应力小及炭化不分层等特点。     

纳米炭分对炭／酚醛材料性能的影响

用纳米级炭粉对炭／酚醛复合材料性能进行了改进。对纳米级炭粉加入后酚醛树脂的热解性能,材料的烧蚀性能、常温下力学性能、热性能及炭化后材料的层间剪切强度的测定结果表明,材料性能得到不同程度的提高,特别是热膨胀特性及高温下层间剪切强度得到大幅度提高。     

纺丝工艺对炭纤维缠绕复合材料强度转化率的影响

通过不同纺丝工艺的聚丙烯腈基炭纤维表面状态、NOL环及Φ150 mm容器的实验研究,分析了不同纺丝工艺对湿法缠绕复合材料聚丙烯腈基炭纤维强度转化率的影响。结果表明,干喷湿纺炭纤维比湿法纺丝Φ150 mm容器环向纤维强度转化率要高出11.9%~15.4%,湿法纺丝的炭纤维复合材料NOL环层间剪切强度要比干喷湿纺炭纤维复合材料高7.4~34.1 MPa。因此,干喷湿纺的炭纤维可应用于固体火箭发动机缠绕壳体、压力容器等主要承受拉伸应力的领域,可充分发挥其纤维强度;而湿法纺丝工艺制成的炭纤维与树脂基体结合紧密,利于载荷的传递,可应用于承受压缩剪切等复杂载荷的领域,从而发挥这两种纤维各自不同优势。     

低成本炭/炭复合材料的研究进展——化学液相沉积工艺

简述了制备炭/炭复合材料的新工艺——化学液相沉积(CLD)的沉积原理。利用工业燃油作为裂解炭前驱体,炭纤维毡作为增强体,通过工艺参数控制得到低成本炭/炭复合材料。CLD工艺所得材料沉积密度1.6 g/cm3,轴向压缩强度92 MPa,等离子烧蚀率0.06 mm/s,与CVD工艺所得材料相近。与常规CVD工艺相比,CLD工艺制备的C/C复合材料在制备时间上缩短了4/5,致密速率快5倍多。所得基体裂解炭为粗糙层与光滑层结构(大部分为粗糙层结构)。基体炭与炭纤维接合界面适中,且呈洋葱状分布,从而材料具有一定韧性。