针刺C/C复合材料高温力学性能

文摘采用材料超高温力学性能设备及高温应变测试系统,对针刺C/C复合材料拉伸、压缩性能进行了研究。结果表明:针刺C/C复合材料具有明显的拉、压双模量特性,拉、压模量均随着温度的升高而线性下降,且拉伸模量下降更快;针刺C/C复合材料拉伸、压缩强度均随温度升高而先升高后降低,1 600℃时拉伸强度达到最大值,1 200℃时压缩强度达到最大值;其拉伸破坏为脆性断裂,断口呈现45°豁口;其压缩破坏为典型剪应力引起的压缩失效,破坏面倾角为40°~50°。     

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％.     

C/SiC复合材料在典型模拟环境下高温拉伸性能研究

以先驱体浸渍裂解（PIP）工艺制备的C/SiC复合材料为对象,研究了C/SiC复合材料在典型模拟环境下的高温拉伸性能,首次获得了约3 000 s时间不同变状态条件下材料的高温拉伸性能数据,探讨了不同条件下C/SiC复合材料高温承载行为及其变化规律。研究结果表明,C/SiC复合材料经历约3 000 s复杂阶梯热环境后拉伸强度仍保持60%左右;经历大温度梯度热震后,C/SiC复合材料的高温拉伸性能保持率反而提高,最高保持率超过80%;热震温差越大,热震后保温时间越长,对材料的高温拉伸性能保持和提高越有利。     

Mo-Si涂层C/SiC复合材料的氧化性能

采用刷涂法在C/SiC复合材料表面制备Mo-Si抗氧化涂层,研究涂层的微观结构、氧化性能和热震性能.结果表明,涂层中存在微裂纹等缺陷,物相组成为MoSi2、SiO2、SiC和Si.1 400℃氧化时,微裂纹等缺陷迅速愈合.单层Mo-Si涂层试样经5 h氧化后,失重率高速5.90%,贯穿裂纹是涂层失效的主要原因.三层Mo-Si涂层试样经140h氧化后,失重率仅为1.37%,失重速率为3.80×10-5g/(cm2·h).在1 400℃(←→)100℃的热震过程中,涂层保持完整,热震50次的失重率为0.34%.经25次和50次热震后,涂层试样的弯曲强度保持率分别为90.30%和74.56%.三层涂层具有优异的抗氧化和抗热震性能,这与涂层的制备工艺和结构密切相关.     

环状针刺C/C复合材料的压缩性能及破坏机理

以碳纤维针刺毡为预制体,采用CVI致密工艺制作准三维C/C薄壁回转体,具有各向异性的力学性能.本文主要对三个主方向的材料压缩性能及破坏机理进行了研究讨论.结果表明:轴向压缩与环向压缩性能相似具有较高的压缩模量.材料的径向压缩表现为假塑性断裂行为,在材料的断裂面上具有大量纤维及基体碎屑,材料发生剪切破坏及基体压溃破坏.材料的轴向压缩与环向压缩表现为脆性断裂行为,材料主要以分层劈裂方式破坏.     

针刺C/ C 复合材料剪切性能

利用V形开口梁(Iosipescu)实验对一种新型针刺准三维C/C复合材料面内剪切性能及层间剪切性能进行了测试分析;获得了离散性较小的剪切强度与剪切模量值,以及有效地破坏模式;同时用有限元方法分析了层间剪切试样中的应力分布状态。结果表明,试样缺口根部处应力集中引起试样过早破坏,人为引入缺陷后,可以得到较均匀的剪应力场。     

致密化工艺对针刺无纬布C/ C 复合材料性能的影响

比较了两种不同工艺制备的针刺无纬布C/C复合材料。研究表明,在沥青浸渍/碳化之前对针刺预制体进行CVI预增密处理后,其C/C复合材料轴向拉伸强度提高了234%,层剪强度提高了126%;热扩散率明显升高,轴向线胀系数下降,表现出良好的综合性能。     

热处理对C/ SiC 复合材料拉伸性能的影响

对等温化学气相渗透法(ICVI)制备的C/SiC复合材料进行热处理,利用声发射(AE)技术对热处理前后C/SiC试样拉伸过程声发射累积能量进行分析,通过SEM进行微结构观察。结果表明:界面层较薄的C/SiC试样经1 500℃热处理后拉伸强度与初始强度相近,经1 700和1 900℃热处理后拉伸强度显著提高,其断裂应变随着热处理温度升高而大幅提高,弹性模量却呈现下降趋势;界面层较厚的C/SiC试样经1 500和1 700℃热处理后拉伸强度变化不大,断裂应变显著提高,弹性模量逐渐降低,经1 900℃热处理后拉伸强度和断裂应变开始下降,而弹性模量变化较小。热处理可以显著提高C/SiC的韧性,在拉伸过程中的断裂功和声发射累积能量均显著增加。界面层较薄的C/SiC断裂模式从脆性逐渐向韧性转变,而界面层较厚的C/SiC热处理后韧性进一步提高。     

C/ C 复合材料与高温合金钎焊接头微观组织与性能分析

采用BNi68Cr WB粉末作为连接材料,利用真空钎焊工艺成功制备了C/C复合材料与镍基高温合金(GH600)的连接试样。并借助扫描电子显微镜和材料万能试验机,研究钎焊接头微观组织结构和室温及高温(700℃)下的抗剪切性能。结果表明,使用BNi68Cr WB粉末可以实现C/C与GH600的钎焊连接,接头的断裂位置为C/C复合材料母材;与室温条件相比,钎焊接头在700℃下的抗剪强度较低。     

三维四向C/C复合材料高温氧化环境力学试验

为了研究三维编织C/C复合材料高温氧化环境下的力学性能,在大气环境下开展了有、无抗氧化涂层三维四向C/C复合材料平板试验件700℃时的拉伸试验和拉/拉疲劳试验。拉伸试验结果表明:无涂层三维四向C/C复合材料在700℃保温1h和2h后,强度分别下降至有涂层的70.33%和44.57%,弹性模量分别下降至有涂层的58.57%和38.99%,氧化后的总拉伸应变比有涂层的大幅度提升,材料破坏时无刚度突降现象。疲劳试验结果表明:有涂层三维四向C/C复合材料的剩余刚度先增加,而后保持,最后突降,应力水平为83%经10~5循环后剩余强度比初始强度提高了19.75%;无涂层三维四向C/C复合材料的剩余刚度先增加后降低,直至材料完全破坏,应力水平为75%经10~5循环后剩余强度比初始强度降低了20.40%。     

二维C/C复合材料高温力学、热物理性能研究

研究了二维C/C(2D -C/C)复合材料在高温下层剪强度、弯曲强度和模量、热导率和线膨胀系数的变化规律。结果表明 ,所制得的 2D -C/C复合材料的层剪强度随温度的升高变化不大、弯曲强度随测试温度的升高而增加 ;2 0 0 0℃的层剪强度、弯曲强度分别达到 1 4 .8MPa和 2 2 7.4MPa ,较室温分别提高了9.6 %和 6 0 %。弯曲模量在 1 0 0 0℃时增加到 39.4GPa ,在 2 0 0 0℃则下降 ,低于室温数值。 2D -C/C复合材料的热导率、线膨胀系数在z向和x -y向都具有明显的各向异性。未石墨化 2D -C/C复合材料 2 0 0℃的z向热导率是 4 .4 1W / (m·K) ,且随温度的升高而增加 ;而石墨化 2D -C/C复合材料 2 0 0℃的z向、x -y向热导率分别是 1 8.0 2W / (m·K)和 73.2 9W / (m·K) ,随温度的升高而下降。 2D -C/C复合材料在z向的线膨胀系数较大 ,80 0℃以内在 8× 1 0 - 6 /K～ 1 0× 1 0 - 6 /K之间 ;而在x -y向线膨胀系数在 80 0℃以内都很小 ,基本上接近于零     

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。     

纤维表面处理对PBO/ 环氧界面性能的影响

为提高PBO纤维/环氧树脂的剪切强度,采用聚合物涂层法对PBO纤维进行表面改性。通过NOL环复合材料层间剪切强度测试,研究不同浓度的表面涂层处理液、不同浸渍工艺对复合材料层间剪切强度的影响。结果表明:PBO纤维表面经不同涂层处理液处理后,层间剪切强度均高于未经表面处理的;当PBO纤维经过以涂层A为一浴浸渍液、涂层B为二浴浸渍液的两次浸渍工艺处理后,层间剪切强度最高,比未经表面处理的提高了61%。     

碳纤维表面状态对C/C复合材料性能影响的研究

用两种经高温处理的碳纤维织物,以酚醛树脂作为基体先驱体,制备了二维C／C复合材料。通过扫描电镜（SEM）,X－射线光电子能谱（XPS）研究了两种碳纤维（TCF和JCF）的表面状态,测试了C／C复合材料（TCC和JCC）的层间剪切强度,拉伸性能,SEM观察表明,TCF及JCF表面都有沟槽,但TCF横断面呈腰子形非圆形,XPS分析表明TCF表面含氧官能团数量多,力学测试结果为：TCC层间剪切强度（ILSS）高于JCC,达到16．1MPa;TCC拉伸强度,模量均高于JCC,而JCC断裂延伸率达1．1％,是TCC的3倍,拉伸断口SEM分析表明,TCC断口平整,无纤维拔出,呈脆断,JCC断口有纤维拨出,是纤维控制的多层基体断裂。     

F-12 纤维/ 氰酸酯树脂基复合材料力学性能研究

采用预浸法缠绕工艺制备了F-12纤维/氰酸酯树脂基复合材料NOL环、层合板和φ150 mm压力容器,研究了F-12纤维/氰酸酯复合材料的力学性能以及断口微观形貌.研究结果表明,F-12纤维/氰酸酯复合材料的层间剪切强度≤35 MPa,φ150 mm压力容器特性系数PV/Wc值达到34.22 km,纤维强度转化率达到70.22％,断口破坏形式以F-12芳纶纤维撕裂和微纤化为主.     

热冲击后气膜冷却叶片结构强度流固热耦合仿真

研究了冷气流量对气孔周围热应力的影响,为气膜冷却叶片可靠性设计提供参考。改变气孔的孔径,并建立有限元模型,结合有限元/边界元理论,通过流固热三场耦合技术获得热冲击后的叶片最大温度、温度不均衡程度及最大热应力。研究表明:增加冷气量有利于改善叶片冷却效率降低叶片温度,但也会使叶片温度不均衡程度增加,加剧尾缘气孔内的热应力载荷;增加前缘气孔直径可提升66%的平均冷却效率,有利于减缓气孔内的热应力,增加尾缘气孔的直径对冷却效率及热应力的影响均较小。此外,数值计算结果与试验及解析解较为吻合,对于气膜冷却叶片结构设计具有参考价值。      

预制体结构和热解碳组织对二维碳/碳复合材料热物理性能影响

制备了针刺毡、短纤维树脂模压、碳布叠层 3种预制体 ,其碳纤维体积含量均为 4 0 %。采用化学气相沉积工艺制备了 4种C/C复合材料 :针刺毡 粗糙体热解碳 (具有两种定向热解碳组织 )、短纤维 树脂和热解碳、碳布 光滑体热解碳复合材料 ,对其进行 2 5 0 0℃保温 2h的高温热处理。在 0～ 90 0℃ ,研究了预制体结构和热解碳组织对二维C/C复合材料的热膨胀系数、比热容、热扩散率、导热系数等热物理性能影响。研究发现 :预制体和热解碳结构对C/C复合材料热物理性能有强烈影响。 0～ 90 0℃ ,4种材料的热膨胀系数都非常小 ,与温度近似的成线性关系 ,且几乎具有相同的斜率 ,在一定条件下 ,其值呈现负热膨胀性质 ;0～ 90 0℃ ,4种材料都有高的导热系数 ,但作为温度的函数 ,其值随预制体结构、热解碳组织和传热方向而变化 ,x y向的导热系数 (2 5 .6～1 74W / (m·℃ ) )比z向的 (3.5～ 5 0W / (m·℃ ) )高几倍     

HS40碳纤维/氰酸酯树脂复合材料的湿热行为

通过对低温固化HS40碳纤维/氰酸酯树脂复合材料进行不同湿热环境处理以及3次循环吸湿-脱湿处理,研究其湿热行为。结果表明:复合材料在70℃水浸以及70℃/95%RH两种环境吸湿31 d饱和吸湿率分别为0.71%和0.11%,说明该低温固化氰酸酯树脂基复合材料有很好的耐湿热性;研究复合材料的循环吸湿-脱湿行为,发现复合材料在70℃水浴锅中第1次水浸10 d的吸湿率为0.69%,尚未达到饱和,而第2、3次水浸10 d后的吸湿率分别提高到0.72%和0.74%;复合材料的层间剪切强度随着循环次数的增加,降低更为明显,经过3次循环吸湿-脱湿之后试样的层间剪切强度较干态试样降低了50.77%,连续吸水60 d的试样层间剪切强度较干态试样降低了58.98%。