温度参数下轴编C/C复合材料的超高温热结构性能分析

为了研究轴编碳/碳（C/C）复合材料的超高温热结构性能,开展了2800℃超高温载荷下复合材料的拉伸实验,表征了复合材料组分材料的高温失效形貌;提出了立方体单胞和正六棱柱单胞的温度周期性边界条件的算法和预测复合材料等效热结构参数的方法,在材料属性各向同性正六棱柱单胞模型上验证了方法的正确性;最后建立了轴编C/C复合材料的代表性体积单元,计算了复合材料随温度载荷变化下的等效热结构参数,与实验数据进行了对比分析。分析表明：开展的轴编C/C复合材料的超高温拉伸实验,可以得到复合材料在2800℃载荷下复合材料的等效刚度值,同时分析了轴向试件和径向试件的高温失效机理,径向试件的纤维束拉伸强度对复合材料的径向拉伸强度起到决定性的作用。在应用位移以及温度周期性边界条件的基础上,提出的方法可以得到随温度载荷变化下复合材料的等效热结构参数,得出复合材料在横向满足近似各向同性的特性,预测结果表明只改变温度参数下复合材料的等效热导率不会发生改变。提出的方法同样也适用于其他编织复合材料的热结构性能研究。     

过滤式阴极电弧沉积类金刚石薄膜的特性分析

利用自行研制的过滤式阴极电弧沉积装置,在硅片和高速钢基体材料上获得了类金刚石薄膜,分别采用扫描电镜、原子力显微镜、喇曼光谱以及磨损实验等手段对薄膜进行了分析研究。结果表明,所获得的类金刚石薄膜为非晶态,sp3含量最高达70%;基体材料对成膜质量影响较大,在硅片上薄膜的摩擦系数可达0.08;同时偏压的变化会引起喇曼谱线中D峰和G峰位置向低频移动,半高宽σG增大、σD减小。     

碳纤维增强复合材料与高强度金属的接触腐蚀

碳纤维/环氧树脂复合材料(CFRM)与高强度钛合金、铝合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢等结构材料连接时,在界面形成了电偶腐蚀和缝隙腐蚀,这首先决定于材料本身的电化学性能;同时,也与相互的配偶情况、处理工艺和环境条件有关。电偶腐蚀受配偶材料各自的静态自腐电位(E_(corr))和电偶电位、电偶电流等闭路动态性能的影响。在3.5％NaCl溶液中,材料电化学特性和处理工艺对电偶腐蚀及缝隙腐蚀影响的趋势相同。用浸泡失重法、盐雾试验法及缝隙腐蚀法检验CFRM与阳极化钛合金,以及热水封和铬酸盐封闭的铝合金偶接时,稳定性较好,可满足工程应用的需要。     

气体流场对C／C复合材料CVI致密化效果的影响

以丙烯为碳源气体,研究平板针刺预制体在不同倾斜角放置和不同进气方式条件下化学气相渗透（ CVI）工艺制备C／C复合材料的致密化效果。采用工业CT、浸泡介质法和偏光显微镜对沉积样品的密度分布、开孔孔隙率和织构分别进行表征。沉积102 h后,倾斜17°、前进气条件下试件的密度最高,达到1．45 g／cm－3。结果表明,试样由底端到顶端的密度是有小幅递增的,开孔孔隙率是逐渐减小的。4块试件热解炭的织构以光滑层为主,试样消光角的测量结果表明直立状态和倾斜17°、后进气状态热解炭织构取向度从底部到顶端有增大的趋势,这种织构的增长趋势与锥形回转体扩张段的材料设计相符合。     

中间相沥青基碳纤维表面特性和界面粘结性能

针对高模量、高热导率中间相沥青基碳纤维复合材料界面性能弱等瓶颈问题,深入研究该类纤维表面特性及其与树脂的界面粘结性能。选取3种典型中间相沥青基碳纤维,测试分析其微观形貌、表面能和极性与色散分量、表面元素种类与含量,利用微脱黏方法表征中间相沥青基碳纤维与环氧树脂的界面剪切强度。研究结果表明:中间相沥青基碳纤维表面均存在明显沟槽结构,但其呈化学惰性,选用的中间相沥青基碳纤维与环氧树脂界面剪切强度最高约为50 MPa,明显低于聚丙烯腈基碳纤维;纤维表面能越高,尤其是极性分量越高,中间相沥青基碳纤维/环氧树脂界面剪切强度越大,这些结果揭示了中间相沥青基碳纤维与树脂基体界面性能主控因素。     

单壁碳纳米管冲击吸能特性分析

碳纳米管的优异力学特性使其在冲击能量吸收方面存在潜在的应用前景,但纳米尺度的冲击验证实验却难以实现.应用分子结构力学、冲击动力学和纳米尺度有限元相结合的方法,研究了单壁碳纳米管受轴向冲击的吸能特性.使用ANSYS中APDL编程语言,建立了单壁碳纳米管的空间结构参数化模型;同时,采用修正的Morse原子势函数拟合了C-C共价键的本构方程.按照最大失效应变作为共价键断裂的判据,对比了长度、直径和手性对单壁碳纳米管冲击吸能的影响.结果表明:采用这种仿真方法可以动态呈现碳纳米管断裂的全过程,且能够证实单壁碳纳米管的比吸能远高于其他材质类似管状结构,其中,锯齿型碳纳米管的吸能特性又好于扶手椅型.      

CVI沉积炭纤维束的组织结构

采用CVI工艺在常压下对单束炭纤维进行热解沉积,天然气为前驱体,N2为载气,沉积温度为1 020～1 100℃,沿纤维束轴向分布。对不同位置炭纤维束外和束内热解炭组织结构分别进行PLM表征。研究发现,束外热解炭在距离热电偶(0位置)上方40～80 mm处沉积厚度达到最大,在0～80 mm内组织结构良好,主体为高织构;束内沉积热解炭的厚度较均匀,组织结构的变化与束外一致。对气体裂解过程中的反应气体组分进行模拟并与实验对比,发现生成高织构时,热解反应中间产物中的C2H2/C6H6范围为15～35。     

3D-Cf / Mg 复合材料的热残余应力研究

采用随动硬化有限元模型,研究了三维碳纤维增强镁基复合材料(3D-Cf/Mg)基体热残余应力的大小、分布以及不同工艺处理对热残余应力的影响。同时,对复合材料进行了高、低温处理,利用XRD定性分析了处理前后复合材料基体热残余应力的变化。计算结果表明:经过-196℃低温处理后,复合材料基体的平均Mises热残余应力由169.06 MPa减小至55.29 MPa;高温处理后,基体平均热残余应力几乎不变。该结果与实验结果吻合,证明了低温处理能明显降低复合材料基体的热残余应力。     

单壁碳纳米管低能区光吸收性质

采用半经验方法,通过紧束缚理论建立一维近似模型,研究了单壁碳纳米管的态密度,解释了单壁碳纳米管光吸收谱低能阶段出现的3个吸收峰的形成原因。     

泡沫铝板弯曲振动特性数值研究

泡沫铝作为一种新型轻质高强度材料,是通过气泡层形成的多孔金属材料。文章结合泡沫铝的结构特点,以Timoshenko梁理论为基础,建立了泡沫铝板弯曲振动的理论模型,求解得到了泡沫铝板弯曲振动频率与振幅变化曲线,并通过有限元仿真验证了理论分析结果。通过求解泡沫铝板的频率特性确认了载人航天器使用的泡沫铝板的频率远离舱体基础频率,满足航天总装使用要求。最后,对比分析了泡沫铝材料弹性模量及密度的变化对泡沫铝弯曲振动基频的影响。随着泡沫铝弹性模量的增加,泡沫铝板的基频逐渐增加;随着密度的增加,泡沫铝板的基频逐渐变小。因此,可以通过改变泡沫铝的材料参数得到不同频率特性的泡沫铝,以满足航天器不同总装工况的使用要求。