3D C/C复合材料超高温剪切性能试验研究

C/C复合材料同时结合了纤维增强复合材料高性能、可设计性和碳素材料优异的高温性能和化学稳定性等优点，广泛地应用于固体火箭发动机喷管、高速飞行器头部与翼前缘等热端部件。怎样正确评价C/C复合材料的超高温力学性能，成为了其能否合理使用的关键因素之一。本文将基于C/C复合材料良好导电特性的试样直接通电加热技术与复合材料双切口压缩剪切试验技术（DNS）相结合，提出了一种可用于温度达3000℃的材料超高温剪切性能试验方法。利用该方法完成了3D C/C复合材料室温～2800℃温度范围的剪切性能试验研究，红外热像仪测试结果显示在试样标距区内温度场分布较均匀，全场应变测试系统测试结果显示在试样标距区内应变分布较均匀，室温下双边切口压缩试验方法与Iosipescu试验方法测试剪切强度具有好的一致性，该方法适用于C/C复合材料超高温剪切性能试验研究。3DC/C复合材料具有显著的剪切非线性，剪切强度在一定温度范围内随温度的升高而增加，在2400℃左右达到最大值，而后随温度增高而降低；材料的主要破坏模式为薄弱面的宏观裂纹扩展、纤维束剪切破坏与拔出。     

一种测试C/ C 扩张段层间剪切强度的改进三点短梁剪切法

分别采用传统三点短梁剪切法和改进三点短梁剪切法对扩张段所采用的针刺C/ C 复合材料进

行了层间剪切强度测试试验。结果显示,改进的三点短梁剪切法很好地解决了传统三点短梁剪切法的应力集

中现象,试件更容易发生层间剪切破坏;改进的三点短梁剪切法的测试结果一般要大于传统三点短梁剪切法

的,更接近材料实际水平。对改进的短梁剪切法试验破坏试样进行电镜扫描分析,指出了发生破坏的薄弱点,

提出了要提高材料的层间剪切性能可合理优化网胎层厚度的改进建议。。

     

连续阳极氧化处理碳纤维的研究

本文采用阳极氧化的方法对碳纤维地连续表面处理，研究了处理工艺条件，电解质种类等因素对复合材料的层间剪切强度，抗冲击强度，拉伸 强度等的并利用ＸＰＳ，ＳＥＭ等分析手段分别对纤维表面组成及复合材料断口形进行了分析，观察。     

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。     

结冰翼型前缘下垂变弯度容冰特性改善机制

传统容冰气动力优化设计方法难以完全兼顾常规飞行和结冰状态对翼型几何特征的矛盾需求。依据前缘下垂变弯度的思路创新性地提出了一种能有效协调和解耦翼型气动/容冰特性的解决方案。针对GLC305-944结冰翼型典型过失速状态开展了基于IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法的前缘下垂前后容冰特性对比分析，表明前缘下垂后结冰翼型失速特性显著改善，前缘吸力以压力平台形式恢复，分离泡形态由大尺度全局回流退化到冰角后方的局部流动结构，湍流脉动影响范围约束于前缘近壁面有限区域内。由于前缘下垂后冰角与当地壁面组成类凹腔结构，剪切层涡系经短暂发展后能迅速在壁面附近触发掺混融合-动量输运效应，有效促进再附过程，导致时均再附点提前、混合层厚度降低、分离泡几何尺度减缩，这是容冰特性改善的主要机制。     

燃料预加热对超声速剪切掺混的增强效果

随着高超声速飞行器不断朝着高马赫、宽速域方向发展，推进系统面临低动压的工作条件，对燃烧室内的流动掺混带来巨大挑战。针对碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室，本文研究了碳氢燃料预加热对超声速剪切掺混特性的影响机制，分析了温度与碳氢燃料热裂解对掺混特性的影响规律。研究发现，当碳氢燃料未发生热裂解反应时，燃料预加热会使射流黏性耗散增强从而掺混效率降低，燃料温度从750 K增加到900 K时，燃烧室掺混效率降低约5%、总压损失约增加20%；但燃料热裂解反应对剪切掺混有双重影响，裂解后的碳氢燃料膨胀性能提升，使喷嘴附近的掺混效率提高约18%；由于剪切层内流体湍动能下降，在远离喷嘴的位置掺混效率降低约6%。