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。     

高温热处理与C/C复合材料性能关系研究

采用整体炭毡为增强坯体,经过化学气相渗透(CVI)及树脂浸渍/炭化(PIC)工艺制备成整体毡C/C复合材料样品,对样品连续进行了3次2 500℃以上的高温热处理(HTT)。材料性能测试结果表明,3次HTT后材料z向抗拉强度由16.7MPa下降到8.87MPa,抗压强度由129.0MPa下降到72.7MPa,抗弯强度由35.7MPa下降到17.6MPa,抗剪强度由34.4MPa下降到18.7MPa;xy向室温(RT)~1 000℃的平均线膨胀系数由1.55×10-6K-1降低到1.13×10-6K-1;800℃的热导率由106.91 W/(m.K)降低到61.27 W/(m.K),比定压热容由2.56 kJ/(kg.K)下降到1.93 kJ/(kg.K);z向变化趋势基本相同。     

硅钼含量对C／C复合材料SiC-MoSi2涂层结构和高温抗氧化性能的影响

采用两步包埋法在C/C复合材料表面制备SiC-MoSi2抗氧化复合涂层,通过恒温氧化实验以及X射线衍射分析、扫描电镜观察,研究了包埋粉料中硅钼含量对复合涂层微观结构和高温抗氧化性能的影响。结果表明,随着包埋粉料中硅钼比的减小,涂层的厚度和致密性先增加后减小,硅钼质量比为6∶1时所制备的复合涂层具有较大的厚度和较为致密的结构,且MoSi2含量相对较高,体现出优良的抗氧化和抗热震性能,在1 500℃氧化87.3 h和经过9次1 500℃室温急冷急热后,带有该涂层的C/C试样失重仅为3.22%。穿透性裂纹的形成是长时间氧化后涂层失效的主要原因。     

针刺预制体参数对C/C复合材料力学性能的影响

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.     

三维针刺C/C-SiC复合材料的烧蚀性能

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺,制备了三维针刺C/C-SiC复合材料,使用氧气流量和乙炔流量之比为2∶1的氧乙炔焰,研究了复合材料的烧蚀性能,烧蚀时间长达600 s;分别用扫描电镜和表面能谱,分析了烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.004 3 mm/s和0.001 4 g/s。烧蚀表面不同区域微观形貌和烧蚀机理不同,烧蚀中心以基体氧化流失、C纤维的氧化以及气流冲刷为主;在过渡区域,烧蚀是以SiC基体的氧化和气流冲刷为主;烧蚀边缘则以SiC基体的热氧化为主。C/C-SiC复合材料在氧-乙炔条件下的烧蚀机制是热化学烧蚀、热物理烧蚀和机械冲刷的综合作用。     

石墨粉对LSI法制备C/C-SiC复合材料性能的影响

在酚醛树脂中添加石墨粉,采用模压法制备出CFRP材料,在不同温度热解转化为C/C复合材料,然后反应熔渗(LSI)硅制备出C/C-Si C材料,研究了石墨粉对材料的微结构、毛细渗透行为及机械性能的影响。结果表明,热解后C/C材料中的石墨粉和碳基体之间形成了剥离型微裂纹,但层间结合良好,且弯曲性能和未添加石墨粉C/C材料相当,同时石墨粉的添加降低了C/C材料毛细增重速率。热解温度对C/C材料的孔隙率、弯曲强度和毛细渗透行为均有显著影响。不同条件C/C材料硅化后制备的C/C-Si C弯曲强度基本相当,在120~130 MPa,表明热解温度和石墨粉对C/C-Si C材料的弯曲性能没有明显影响。     

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。     

轴棒法编织三维四向C/C复合材料压缩及弯曲性能

通过对轴棒法编织三维四向C/C复合材料进行压缩、弯曲实验,观测了材料在不同载荷下的应力-应变曲线以及压缩性能和弯曲性能数据,采用扫描电镜对断面形貌进行分析,并研究了材料的破坏机理.结果表明,轴棒法编织三维四向C/C复合材料具有良好的力学性能,编织结构对复合材料性能有较大影响,材料的轴向压缩强度大于径向,但轴向弯曲性能低...     

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。     

针刺复合织物增强C/C复合材料结构与热性能研究

以T-300平纹炭布和聚丙烯睛(PAN)预氧化纤维网胎叠层针刺,经炭化后制备成准三维结构的圆筒复合织物,在化学气相沉积至一定密度后,用两种不同工艺制备了C/C复合材料。在金相显微镜下对材料的增强结构进行了分析,并对材料热物理性能进行了测定。结果表明,网胎纤维沿径向的针刺导入明显增强了材料的整体结构,导入的径向纤维以纤维簇的形式存在,并不完全与层间垂直,工艺过程对分布形式影响显著。800℃时,化学气相沉积(CVD)和树脂炭混合基体,中间经1 800℃高温处理的C/C复合材料其轴向和径向热扩散系数分别为0.064 cm2/s和0.026 7 cm2/s,比热容分别为1.928×103J/(kg.K)和2.278×103J/(kg.K);CVD和沥青炭混合基体,中间经2 500℃高温处理的C/C复合材料,其轴向和径向热扩散系数分别为0.159 cm2/s和0.067 cm2/s,比热容分别为1.597×103J/(kg.K)和1.713×103J/(kg.K)。对两种工艺造成热性能差异的原因进行了分析。     

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。     

高温处理对T300级炭纤维结构及性能的影响

为了研究炭纤维在复合材料数次高温处理过程中的性能变化,选取1种国产和1种进口T300级炭纤维,进行3次2 500℃高温处理,研究了高温处理及处理次数对纤维微观形貌、线密度、晶格参数及灰分含量等性能的影响,讨论了不同的高温处理次数对不同纤维及不同性能的影响.实验结果表明,2种炭纤维的各项性能在3次高温热处理中的变化趋势相...     

热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料烧蚀性能的影响

根据高硅氧/酚醛复合材料的烧蚀机理,建立了包括烧蚀退移层、化学反应边界层、液态层、炭化层、热解层、原始材料层的自外向内的物理模型,针对平板烧蚀问题,预报了热导率、比定压热容、驻点焓值等热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料的表面烧蚀后退率、壁面温度、气化烧蚀速率、热阻塞效应因子、气化分数等烧蚀性能的影响.结果表明,低热导率能使表面烧蚀后退率明显降低,但却使壁面温度、热阻塞效应因子及材料的气化分数升高;而高的比定压热容则能大大降低表面烧蚀后退率和壁面温度;随驻点焓值的增加,表面烧蚀后退率和壁面温度都增大.     

温度对乙烯热解制备炭/炭复合材料织构的影响

以乙烯为气态前驱体,2D针刺炭毡为预制体,在负压条件下,沉积温度为950～1 200℃,采用等温CVI工艺制备炭/炭复合材料。研究了沉积温度对复合材料密度分布及热解炭组织结构的影响规律。结果表明,所制备的炭/炭复合材料内外密度较为均匀,较低温度下沉积得到中织构和高织构混合组织的热解炭,较高温度下得到纯高织构热解炭。依据Particle-filler模型,其原因可解释为随温度升高,反应中间体中芳香烃比例增大,直至其与小分子比例达到生成高织构热解炭的条件,同时高温导致的快速热解也促进高织构热解炭的生成。     

固化压力对炭纤维复合材料层压板的孔隙和力学性能的影响

孔隙的存在是炭纤维复合材料层压板加工过程中不可避免的缺陷,并且会对炭纤维复合材料结构的性能产生很大的损害.针对[(±45°)/(0,90°)_2/ (±45°)]_S炭纤维复合材料层压板,详细分析了层压板内孔隙的尺寸、形状及分布特征.通过施加不同的固化压力制备了不同孔隙率含量的试件.采用显微图像分析技术和性能测试对炭纤维复合材料层压板内孔隙的形态及其对炭纤维复合材料层压板力学性能的影响进行了研究,采用图像分析软件对孔隙的形状和尺寸进行了定量的表征.结果表明,对于铺层为[(±45°)/(0,90°)_2/ (±45°)]_S层压板,孔隙主要分布于层间,且都沿着平行于铺层的方向发展.随着固化压力的减小,孔隙率增大、层间剪切强度和压缩强度下降.     

碳/环氧复合材料两次表面镜基板成型工艺研究

介绍了碳/环氧复合材料两次表面镜基板的结构与设计要求、选材和材料特性试验,确定了工艺方案及制造工艺流程。解决了成型工艺、质量控制及平面度精度控制等主要技术难点。经试验,制件各项技术指标满足设计要求,其研究成果应用于某同步轨道气象卫星前太阳屏结构中,取得满意的结果。     

纤维表面处理对碳纤维复合材料剪切性能影响

采用活性涂层，刚性涂层，柔性涂层分别对HTA－P30碳纤维进行表面处理，研究了不同涂层对HTA－P30／AE4环氧NOL环复合材料剪切强度的影响，试验结果表明，活性涂层可显著改善复合材料的剪切性能，而且涂层浓度对性能的影响非常敏感，当浓度为1％－2％时，剪切强度可以提高20％，此外，在复合材料破坏微观形貌分析基础上，提出了活性涂层对碳纤维的改性机理。     

溶剂对石英/酚醛复合材料浸润过程的影响

通过研究不同溶荆对于石英／酚醛复合材料溶液浸润过程的影响,得出酚醛树脂及溶荆在石英表面的竞争性吸附机理。漫反射红外光谱研究表明,强极性溶剂由于能够与石英表面Si-OH形成氢键,从而与酚醛树脂在石英表面形成竞争性吸附;粘度和表面张力测量证实强极性溶剂被优先吸附;热失重分析表明,不同溶剂与酚醛树脂的竞争性吸附导致树脂在石英表面平衡吸附量存在差异。