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     

四向增强碳-碳复合材料的研究

四向织物增强碳一碳复合材料的研究工作正在进行中。这种复合材料是为制造在工作时承受很高的热应力的零、部件而专门设计的。本文概要地描述了四向织物并指出它与三向、七向、十一向相比较所具有的优点。四向织物是用单向碳纱按“抽拉工艺”制得的杆制造的,复合研究证明沥青在压力下浸渍-碳化工艺是优越的。     

影响碳/碳复合材料常压碳化致密效果因素研究

研究了传统沥青浸渍、常压碳化工艺中影响沥青致密化效率的因素。结果表明：碳化压力、织物结构、材料尺寸、材料密度、碳化时间的长短等因素对致密化效果都有影响。通过改进工艺制度和工装，明显提高了沥青致密化效率，有的提高幅度在2倍以上。     

再入钝锥体烧蚀热防护内部热响应的数值仿真

研究了烧蚀热防护系统内部热响应的计算模型和计算方法.采用碳化层-热解面-原始材料层模型,建立碳基材料内部热响应物理模型和数学模型,利用有限元法分析和计算再入目标热防护系统轴对称内部热响应.着重研究和分析了轴对称烧蚀过程中热解气体质量流率计算方法和传热机制.将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过保证刚度矩阵和形函数矩阵的正定对称性可以加速温度场计算收敛.计算表明:热解气体的质量流量主要由厚度方向构成,占80%以上;头部驻点附近最大烧蚀厚度接近10mm,需要采用抗烧蚀能力强的碳-碳材料,身部烧蚀量小于2mm,可以采用密度较小的碳-酚醛材料.      

碳/碳化锆复合材料烧蚀机理和计算方法研究

研究了碳/碳化锆复合材料氧化烧蚀机理,发现它们与传统的硅基和碳基材料烧蚀有很大差别。基体ZrC氧化后在表面形成一种膨松状的多孔固态抗氧化膜,氧化膜能有效阻止材料进一步氧化,使烧蚀量大大降低。研究了烧蚀过程抗氧化膜的形成、演化和流失行为,研究了氧化膜中氧气的扩散机制(包括分子扩散和Knudsen扩散),研究了材料原始层表面可能存在的化学反应,建立了分析碳/碳化锆复合材料烧蚀响应的物理数学模型。     

沥青基碳/碳复合材料的弯曲破坏分析

沥青基碳 /碳复合材料试件的弯曲试验表明 ,其弯曲断裂特征与材料密度有着密切联系。本文分析讨论了沥青基碳 /碳复合材料的弯曲破坏特征及其过程机理     

沥青及织物结构对C/C复合材料致密化的影响

选取四种不同软化点的浸渍剂沥青和四种不同结构织物，采用低压浸渍-常压碳化的致密化工艺，制备C／C复合材料。结果表明：浸渍剂种类和织物结构对致密化效果都有影响，并指明造成传统工艺致密化效率低下的主要原因是碳化时沥青的流淌。     

碳/碳销钉研究

碳纤维由混编,软编制成预制体,后经致密化制成C／C销钉复合材料,讨论了编织方法,复合工艺,界面,加工性等影响C／C销钉的因素,高压碳化沥青碳基体与碳纤维界面结合强;纤维体积分数对碳销钉的强度起决定性作用,软编C／C销钉可机加性好,带轴纱4向软编C／C销钉的纤维含量高,剪切强度高达63．7MPa。     

短纤维增强C／C复合材料模压成型工艺

本成果综合了常规及高温模压两种工艺的优点，将黏结剂沥青等混合料在模压成型的同时，随着模压温度的升高，压坯中的黏结剂沥青在模具内一并完成包裹浸渗和半碳化。采用本工艺，模压压力高（60～250MPa），最终模压温度高（550～750℃）；装备简单，模具寿命长，生产成本低；碳制品密度高达1．80g/cm^3，力学性能好。     

半潜入喷管收敛段碳/酚醛材料烧蚀特性

采用流固热耦合数值方法,以及Abaqus的ALE（arbitrary Lagrangian-Eulerian,任意拉格朗日欧拉方法）自适应网格技术,对位于半潜入喷管收敛段的碳/酚醛的烧蚀现象进行了预估,与试验结果进行了对比分析。结果表明:在收敛段,Al/Al₂O₃液滴或颗粒对材料的传热烧蚀起到了关键作用,当气流与材料表面平行时,液滴或颗粒的影响很小;从碳/酚醛热分解角度出发,基于完全碳化即被剥蚀的假设,基本能够预估碳/酚醛材料的烧蚀特征,烧蚀速率大约为0.3 mm/s;后效碳化对材料碳化过程的影响明显,发动机工作期间,分解层的厚度大约为2.0 mm,考虑后效作用,分解层厚度可能会增加至4.0 mm左右;与喉衬接触的材料区域,喉衬的传热会明显加剧材料的碳化过程。      

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。     

碳/碳复合材料用基体先驱体研究进展

综述了碳／碳复合材料用基体先驱体如沥青、酚醛树脂、邻苯二甲腈树脂和炔类树脂的合成及改性研究。为开发新一代低成本、高性能碳／碳复合材料提供了方向。     

碳/酚醛材料的粒子侵蚀

引用均质材料的冲蚀疲劳理论，研究了碳／酚醛材料应用在固体火箭发动机喉衬情况下的侵蚀特性；分别对无碳化层和有碳化层两种状态进行了分析和计算。综合热化学烧蚀计算与实验对比，得到粒子冲蚀的定性定量结果。     

粘胶纤维原丝性能和碳化工艺对碳纤维性能的影响

为了探讨原丝的性能和碳化工艺与碳纤维性能的关系,我们采用不同品种、不同结构的粘胶原丝用直接碳化和增强热处理后再碳化、松弛状态和加张力下的碳化等不同碳化工艺,研究了碳化过程中的热收缩和重量的变化。结果表明,采用增强热处理后碳化工艺,可制得性能良好的碳纤维,在碳化过程中施加一定张力,对提高碳纤维强度有利。     

碳-碳材料微观结构和烧蚀剥蚀过程的初步分析

碳-碳复合材料具有良好的烧蚀性能和机械性能,以及较好的热物理性能,是战略核武器头部防热材料中极有希望的一种材料。但是它存在“剥蚀”问题,“剥蚀”是影响碳-碳性能的技术关键之一。本文概要地回顾了国外对碳基防热材料的烧蚀剥蚀和破坏的论述。报导了碳-碳材料当前性能,并与国外典型碳一碳材料进行了对比。通过电子扫描显微镜,研究了碳-碳材料的微观结构,重点对三向2-2-2和 Z 向增强毡碳-碳烧蚀后的试样进行了研究、观察和分析。其中包括:基质碳的微观结构和特点;裂缝在基质碳中的取向及其发展;基质碳在烧蚀过程中的变化和破坏;Z 向和 X—Y 向纤维束的结构形态和烧蚀以及“球形碳”和它的影响因素等。提出了对上述材料烧蚀剥蚀过程和热裂破坏特性的初步分析。在此基础上,讨论了研究改进碳-碳材料工艺的方向与措施。     

高强度中间相沥青基泡沫碳的制备及性能

以中间相沥青为原料,通过加入中间相碳微球和溶剂抽提两种方法对中间相沥青进行改性,实现了对中间相沥青基泡沫碳的微观结构的调控,对两种方法进行了对比讨论.结果表明,改性后沥青制备的泡沫碳的裂纹数量较少,长度较短,并且泡沫碳的孔径较小;加入55%中间相碳微球的沥青制备的泡沫碳的炭化(1573 K)后的压缩强度高达26.2 MPa,在2 873 K石墨化后强度达到17.7 MPa,热导率为41.4 W/(m·K).利用甲苯抽提后的沥青得到的泡沫碳在炭化(1 573 K)后强度高达30.0 MPa,在2 873 K石墨化后强度达到9 MPa,热导率达到80 W/(m·K).     

C/C复合材料的纳米压痕实验及其性能分析

采用纳米压痕技术研究了不同石墨化温度和混合基体碳的C/C复合材料的性能。结果表明：石墨化温度为2 500 ℃的C/C复合材料的模量比石墨化温度为2 300 ℃的纳米压痕模量降低了10%;纳米压痕法测得热解碳、树脂碳和沥青碳混合基体的C/C复合材料中的树脂碳模量最高,热解碳的次之,沥青碳的最低;通过对纳米压痕载荷位移曲线进行非线性拟合,经过有限元计算最终得到C/C复合材料微观组元的表面断裂韧度为0.492 MPa?m^1/2。     

化学气相沉积(CVD)碳-碳复合材料的新进展(文献总结)

一、序言碳/碳复合材料作为一项新型材料,大约在一九五八年开始问世了。最初出现的这种材料是用树脂反复浸渍然后碳化的办法制得的。大约在1965年才出现化学气相沉积的碳/碳复合材料。十余年来这种材料有很大发展。研究这种材料主要目的在于宇航方面的应用,如作为再入热防护和火箭喷管等。这种材料在航空工业方面作为     

聚碳硅烷在新材料研制中的应用

聚碳硅烷是以硅碳键为主链的有机硅聚合物。它在非氧化性的气氛中经高温处理可转变成碳化硅,是制备连续碳化硅纤维及其他碳化硅材料的先驱体。本文对聚碳硅烷的合成方法,结构性能及其应用作了评述。     

碳化温度对C/C复合材料微观结构及热性能的影响

采用CVI PIC工艺制备了四种碳毡增强碳基复合材料(C/C), 其中对三种样品A、B、C在2 500℃进行了一次石墨化处理,样品D未进行石墨化处理。为与900℃碳化对比,研究了1 500℃碳化对复合材料微观结构及热性能的影响。结果表明:碳化温度由900℃提高到1 500℃后,样品A的开孔率下降11. 6% ~13. 5%, 1 000℃的xy向线膨胀系数由1. 75×10-6 /K增大到2. 17×10-6 /K; xy向和z向的800℃热导率分别由65. 07W/(m·K)、45. 98W/(m·K)增大到75. 44W/(m·K)、54. 86W/(m·K);xy向和z向的比热容分别由1. 70kJ/(kg·K)、1. 43kJ/(kg·K)增大到1. 79kJ/(kg·K)、2. 19kJ/(kg·K)。样品B和样品C也表现出基本相同的趋势;随着碳化温度由900℃提高到1 500℃,样品D中微晶尺寸由2nm增大到4nm。