固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性分析

为研究固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性,以组分材料之间界面分析为基础,完成热结构参数的实验测定与基于代表性体积单元的等效热物理参数的预测,得出轴编C/C复合材料的等效热膨胀系数与等效热导率系数。分析表明:基于代表性体积单元程序温度周期性边界条件的应用,可以较精确预测复合材料等效热膨胀系数和等效热传导率;得出了组分材料界面相对等效热结构参数的影响,组分材料界面相采用一定厚度的单元模拟更加接近实验数据;讨论了等效热膨胀系数和等效热导率随编织参数的变化规律。     

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.     

针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测

基于金相显微镜观测的针刺C/C复合材料细观结构,考虑材料内部纤维的真实分布,建立了针刺C/C复合材料单胞模型。采用Linde失效准则,考虑纤维渐进损伤对材料进行了刚度折减,通过引入周期性位移边界条件,对针刺C/C复合材料的拉伸破坏进行了有限元法（FEM）数值模拟,分析了单胞模型的渐进失效过程,并预测了材料的拉伸强度。开展了针刺C/C复合材料拉伸试验,采用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌,数值预测结果与试验吻合良好。针刺C/C复合材料受拉伸载荷后发生准脆性断裂,拉伸应力-应变曲线呈双线性,0°无纬碳布发生纤维断裂和基体开裂破坏,90°无纬碳布出现横向基体劈裂,最终断裂发生在针刺纤维与面内无纬碳布交叉区域。     

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的工作环境面临高温、高压、高速燃气流和大量凝聚相颗粒的烧蚀和冲刷,对材料的抗烧蚀性能和热结构特性要求十分严格。因此,从烧蚀实验和热结构特性实验研究、热结构特性预测与气体-颗粒两相流数值模拟三个方面,论述了轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展。总结讨论了实现真实烧蚀工作环境的模拟和影响烧蚀实验参数的控制是高温烧蚀实验的难点,对于铝颗粒添加下工况的烧蚀实验和在细观尺度下热结构特性参数的测定实验是重点;提出从实验件类型、实验系统设计和对比有无铝颗粒添加下的工况进行烧蚀实验;提出采用一种热稳定性材料取代界面的实验方案进行热结构特性参数的测定实验。在热结构特性研究的细观尺度方面,组分材料之间的界面对热结构特性的影响有待深入研究,提出在代表性体积单元模型的基础上引入温度的周期性边界条件来实现热结构参数的预测。在气粒两相流数值模拟方面,发动机内不同相之间相互耦合作用以及对轴编C/C复合材料的机械侵蚀是数值模拟研究的难点,提出使用SDPH-FVM耦合的方法去解决内流场燃烧流动的问题,进一步可用来揭示内流场燃烧流动机理。     

二维机织C/SiC复合材料非线性力学行为数值模拟

建立了考虑纤维束内部缺陷以及外部基体缺陷的多尺度单胞模型。首先依据电镜扫描图和材料内部单胞的密度,确定了纤维束单胞和复合材料单胞的几何尺寸;然后引入周期性边界条件,利用含缺陷的纤维束单胞模型计算了其初始模量和强度;最后使用由电镜扫描图确定尺寸的复合材料单胞模型,利用上一尺度的材料参数,对复合材料的模量进行了预测;并建立了含损伤纤维束单胞的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin准则作为判定纤维束起始损伤的适用性,并最终据此给出了单轴载荷作用下受损材料参数的变化情况。分析表明:基于考虑两种缺陷的多尺度模型,使用Hashin准则对C/Si C复合材料单胞进行非线性应力-应变行为数值预报与实验吻合良好。     

轴拉载荷下轴棒法C/ C 复合材料的渐进损伤

以渐进损伤方法和双线性内聚力模型为理论基础,结合ABAQUS6.8用户子程序USDFLD对轴向拉伸载荷作用下轴棒法C/C复合材料的破坏模式及载荷进行了预测,对比了试验结果与预测结果.结果表明:本方法可以准确预测轴拉载荷作用下轴棒法C/C复合材料的破坏模式.     

基于有限元法的平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数预测方法

提出了一种采用有限元法计算平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的方法.首先研究了材料的细观结构,根据材料显微照片建立了带基体碳纤维束复合材料的单胞模型,采用基体中孔隙分布随机生成的单胞模型,计算了孔隙率对基体等效导热系数的影响,通过施加3组边界条件计算出带基体碳纤维束和复合材料的等效导热系数.最后应用提出的方法计算分析了碳纤维体积分数和孔隙率对复合材料等效导热系数的影响规律.结果显示:复合材料等效导热系数随碳纤维体积分数增大而线性下降,碳纤维体积分数从54%增加到78%的过程中,复合材料y轴方向的等效导热系数下降了12.8%,x与z轴方向的等效导热系数同时下降了8.6%;复合材料等效导热系数随孔隙率增大呈加速下降趋势,孔隙率从0增加到30%的过程中,材料的x与z轴方向的等效导热系数下降了22.91%,y轴方向的等效导热系数下降了34.66%.     

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。     

添加剂对超高温抗氧化C/C复合材料力学性能的影响

文摘通过在C/C复合材料内部引入添加剂,研制出超高温抗氧化C/C复合材料。结果表明:与纯C/C复合材料对比,超高温抗氧化C/C复合材料的力学性能有不同程度的下降。采用OM、SEM等手段从宏观和微观尺度发现,添加剂对碳纤维造成的化学损伤、添加剂和基体与纤维热物理不相容引起纤维在复合过程中断裂是其中主要因素。     

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°。     

温度对溶剂热改性C/C复合材料显微结构和氧化性能的影响

以硼酸三正丁酯、乙酸、B2O3粉体为原料,无水乙醇为溶剂,采用一种新颖的溶胶/凝胶结合溶剂热法对C/C复合材料基体进行了抗氧化改性.采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)及X射线光电子能谱(XPS)对改性后试样进行了表征.重点研究了溶剂热反应温度对改性后试样的物相组成、微观结构和氧化性能的影响.结果表明:经过溶剂热改性处理后,C/C复合材料表面缺陷被玻璃相B2O3组成的涂层所覆盖,材料内部一部分孔隙也被B2O3相填充,且随着溶剂热温度的上升,试样表面的微裂纹逐渐消失,B2O3涂层的致密度上升;C/C基体的抗氧化性能随着溶剂热改性温度(范围353～433 K)的升高而提高;经433 K溶剂热改性后的C/C复合材料在873 K的空气中氧化16 h后的质量损失仅为4.09％.     

中温固化树脂／碳布复合材料工艺性能研究

采用树脂的粘度-温度曲线、凝胶时间-温度曲线、DSC法确定了树脂的固化工艺.比较了溶液法和热熔法制备的预浸料复合材料力学性能.结果表明,热熔预浸料复合材料湿热性能高于溶液预浸料.对复合材料断面进行扫描电镜分析,断面的纤维和树脂粘接良好.     

燃烧产物二氧化碳高温辐射的窄谱带模型参数

窄谱带模型法与CG近似及LS近似结合能够很好处理非灰、非等温、非均匀介质的辐射传输问题,在飞行器发动机燃烧室及尾喷焰高温辐射传输问题研究中多被采用。二氧化碳是含碳类推进剂主要的燃烧产物,其辐射特性的研究一直受到国内外重视,但其现有的窄谱带模型数据不完整或分辨率太低。本文利用最新的高分辨率高温燃气光谱数据库HITEMP(序列号:3153),并将其中的谱线光谱参数外推到300～3000K的温度范围内,计算得到了一个新的、完整的、分辨率较高的二氧化碳窄谱带模型参数库。以本文计算的模型参数为基础,采用窄谱带模型计算了各种光学路径下的发射率、穿透率,其结果与实验值符合很好。      

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     

炭/炭复合材料快速制备工艺研究进展

综合评述国内外研制的几种快速制备工艺:快速定向流动CVI工艺、压力强制流CVI工艺、复合感应加热热梯度CVI工艺、液相气化CVI工艺和直热CVI工艺等,阐述了其快速制备炭/炭复合材料的工艺原理和主要研究成果,并分析了目前炭/炭复合材料快速制备工艺研究中存在的问题及发展趋势。     

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。     

沥青基炭纤维表面改性对炭／炭复合材料力学性能的影响

为了提高沥青基炭纤维表面活性,采用臭氧氧化法对沥青基炭纤维表面进行改性。采用AFM,XPS研究了臭氧改性后沥青基炭纤维表面结构的变化。利用浸润仪测定了改性前后沥青基炭纤维表面能的变化,并用SEM分析了炭/炭复合材料断口形貌。结果表明,臭氧氧化使沥青基炭纤维表面含氧官能团和表面粗糙度增加,提高了沥青基炭纤维的表面能。炭/炭复合材料力学性能得到明显提高。     

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。     

Study on Microwave Dielectric Property of Carbon Black and Short Carbon Fibers

Carbon black and carbon fibers of different lengths were introduced in different matrices at different ratios to explore their microwave dielectric properties under 8.2 GHz-12.4 GHz. It is found that the actual dielectric constants of the samples containing carbon black are in a two-order function of the contents of carbon black （ε＇, ε＂=Av2＋Bv＋C） and the complex dielectric constants show an obvious frequency response. Of the added fibers of different lengths, the 4 mm-long one could well disperse in the matrices having not only good frequency response, but also larger real parts, imaginary parts and loss values. The imaginary parts and the loss values （tanδ）of the samples with 4 mm-long carbon fibers added increase linearly with the contents of fiber increasing. So it is practicable to adjust the dielectric parameters of the material in a wide range by changing the added amount of carbon black, and the carbon fiber or altering the lengths of the carbon fiber added.     

Study on Microwave Dielectric Property of Carbon Black and Short Carbon Fibers

Carbon black and carbon fibers of different lengths were introduced in different matrices at different ratios to explore their micro-wave dielectric properties under 8.2 GHz-12.4 GHz. It is found that the actual dielectric constants of the samples containing carbon black are in a two-order function of the contents of carbon black (ε′, ε″=Av2 Bv C) and the complex dielectric constants show an obvi-ous frequency response. Of the added fibers of different lengths, the 4 mm-long one could well disperse in the matrices having not only good frequency response, but also larger real parts, imaginary parts and loss values. The imaginary parts and the loss values (tanδ) of the samples with 4 mm-long carbon fibers added increase linearly with the contents of fiber increasing. So it is practicable to adjust the di-electric parameters of the material in a wide range by changing the added amount of carbon black, and the carbon fiber or altering the lengths of the carbon fiber added.