复合工艺制备炭/炭密封材料弯曲断裂特征

为使高性能碳/碳(C/C)复合材料在航天密封材料领域中得到进一步的应用,研究了碳布叠层以及碳毡结构的C/C复合材料在一定压力下气体的渗漏情况,对比试样为俄罗斯高强石墨密封环材料,采用扫描电镜观察分析气体通过C/C复合材料的途径.结果表明C/C复合材料比高强石墨更适合用做航天动密封材料.碳毡C/C复合材料比碳布叠层C/C复合材料气密性更好.C/C复合材料中的穿刺纤维、贯穿基体的孔隙和裂纹以及纤维与碳基体的结合情况对密封材料的密封性能起到很大的影响.     

复合工艺制备炭/炭密封材料弯曲断裂特征

为使高性能碳/碳(C/C)复合材料在航天密封材料领域中得到进一步的应用,研究了碳布叠层以及碳毡结构的C/C复合材料在一定压力下气体的渗漏情况,对比试样为俄罗斯高强石墨密封环材料,采用扫描电镜观察分析气体通过C/C复合材料的途径.结果表明:C/C复合材料比高强石墨更适合用做航天动密封材料.碳毡C/C复合材料比碳布叠层C/C复合材料气密性更好.C/C复合材料中的穿刺纤维、贯穿基体的孔隙和裂纹以及纤维与碳基体的结合情况对密封材料的密封性能起到很大的影响.     

航空刹车副用C/C复合材料的氧化行为

对B(波音 ) 75 7和B76 7飞机用C/C复合材料刹车盘试样的氧化行为进行了研究。在实验温度范围内 ,B75 7的刹车盘材料氧化损失率与温度有三段式关系 ,而B76 7的有二段式关系 ,所对应的氧化敏感温度分别约为6 0 0和 70 0℃ ;在氧化敏感温度以上和以下氧化动力学曲线分别为直线型和指数型 ;B75 7刹车材料为 2层薄炭毡中间夹 1层纤维布组成的单元叠层构成 ,纤维布的纤维方向互成 90 ;B76 7刹车材料为无捻长纤维按一定角度旋转铺层 ,并在层面上辅加适量随机取向的短纤维束。材料氧化时首先在纤维与基体交界处氧化 ,基体炭氧化较深 ,纤维炭氧化成针尖状 ;但B75 7刹车材料的炭毡纤维氧化程度较深而成管状。     

C/C-Cu复合材料的组织和摩擦磨损性能

以炭纤维针刺整体毡为预制体，用化学气相渗透（CVI）、浸渍／炭化（I／C）的方法制备密度和基体炭不同的C／C多孔坯体，采用真空熔渗将熔融Cu渗入到C／C坯体中制备C／C-Cu复合材料，利用X射线衍射、金相显微镜和扫描电镜分析复合材料的组织结构，研究复合材料的摩擦磨损性能。结果表明：Cu成功地渗入C／C坯体中，并填充了坯体的孔洞和炭纤维之间的孔隙，复合材料的主要相为Cu、C及少量的TiC相，当渗剂中Ti的质量分数达到15％时，出现微量的Cu和Ti的金属化合物相；复合材料的摩擦因数随着摩擦时间的增加而逐渐增加并趋于稳定。渗剂相同时，摩擦因数和体积磨损量随着材料密度增加而增加；坯体相同时，随着渗剂中Ti含量增加，摩擦因数增加，体积磨损减小。随着外加载荷的增加，摩擦因数和体积磨损先增后减，80N载荷时均达到最大值；与J204电刷对比，同样条件下，两者摩擦因数接近，但C／C-Cu复合材料的体积磨损量远远小于J204电刷的。     

三维机织C／C复合材料的摩擦磨损性能

采用碳纤维织造了三维角联锁和三向正交2种不同三维机织物,首先采用化学气相渗透(CVI)使其致密,再采用液相树脂浸渍/碳化的补充增密技术,制备出粗糙层结构热解碳和树脂碳双元基体C/C复合材料;对该C/C复合材料进行摩擦磨损实验,采用光学显微镜、扫描电镜对三维机织物增强的C/C复合材料的摩擦面以及磨屑形貌进行观察,对其磨损机理进行分析.结果表明:三维角联锁C/C复合材料比三向正交C/C复合材料的摩擦因数低(分别为0.40和0.48),二者的摩擦性能均稳定,后者比前者磨损量小,说明Z向纤维束有利于提高摩擦因数并降低磨损量.     

石墨化处理对三维针刺C/C复合材料力学性能的影响

以T700碳纤维三维针刺整体毡为预制体,利用高压液相浸渍-碳化周期循环致密工艺制备三维针刺中间相沥青基C/C复合材料.用XRD、SEM及力学性能测试研究了三维针刺C/C复合材料的微观结构与弯曲断裂机制.结果表明:随着浸渍-碳化次数的增加,三维针刺C/C复合材料的密度、抗弯强度和杨氏模量逐渐增大,石墨化处理使三维针刺C/C复合材料的石墨层间距减小,石墨化度提高.经2800 ℃石墨化处理后,三维针刺C/C复合材料中纤维与基体间界面结合减弱,复合材料的抗弯强度减小并表现出韧性断裂特征.     

热梯度CVI C/C材料的结构与性能

以炭纤维整体毡为预制体，采用热梯度CVI工艺制备了两种不同结构基体炭的C／C材料，即RL结构和SL结构材料。采用光学金相仪，X射线衍射仪，硬度计，激光导热仪等设备研究了沉积态和热处理态C／C材料的显微结构及热物理性能。对比研究了两种结构材料的力学性能及摩擦摩损性能。结果表明：当密度超过一定值后，密度对C／C材料的力学性能和摩擦性能的影响远不如CVD炭结构的影响大；不管是沉积态还是热处理态，RL结构材料的刹车性能曲线明显优于SL结构材料的刹车性能曲线，这意味着CVD炭的微观结构不同是造成C／C材料摩擦性能差异的根本原因。     

C／C-SiC材料的快速制备及显微结构研究

分别以碳毡和二维碳纤维为预制体，采用化学液相气化渗入法结合熔融渗硅反应法快速制备了C／C-SiC陶瓷复合材料。对这种材料的密度和气孔率进行了表征，并通过XRD，OM和SEM等方法对其相组成、显微结构和反应机理进行了研究。结果表明：不同预制体制备的C／C—SiC材料密度和气孔率分别为～2．0g／cm^3和～1．0％。其相组成包括反应生成β-SiC以及未反应的游离Si和C。C／C—SiC中纤维被环状的沉积碳包裹，生成SiC的反应只发生在Si与沉积碳之间，纤维没有损伤。Si，C和SiC各相分布和含量因预制体的不同而有明显差异。     

混杂C／C复合材料的烧蚀性能

利用等离子体火炬为高温热源，研究了混杂C／C复合材料的烧蚀性能。结果表明：随着烧蚀区域从火焰中心到边缘的变化，材料的烧蚀特性从中心区域的以热力学烧蚀为主向靠近边缘区域的以热化学烧蚀为主过渡；碳基体和碳纤维的抗热力学烧蚀性能相当，而碳纤维的抗热化学烧蚀特性则明显优于碳基体。     

电子封装用SiCP/Al复合材料的热膨胀性能

采用气压浸渗方法制备了SiCP／Al（SiC颗粒增强铝基复合材料）。研究了复合材料的工程热膨胀系数CTE和物理CTE随体积分数的变化关系。结果表明，随着SiC颗粒体积分数的增加，复合材料的工程CTE减小，物理CTE也减小。相比双尺寸SiC，／Al，单尺寸颗粒的SiCP／Al物理CTE曲线随温度增长不规则，这可以归结于SiC颗粒与基体合金接触表面积较小.     

Numerical simulation on thermal expansion coefficient of 3D braided C/C composites简

To effectively get the thermal expansion coefficient(CTE) of three-dimensional(3D) braided C/C composites and study the variations, a VC?? program with graphical user interfaces was obtained, based on the yarn unit model and numerical analysis. With the limited basic properties of carbon fibers and carbon matrix, CTE of 3D braided C/C composites is obtained at 85 °C. The deviation between the simulated and experimental axial CTE of 3D braided C/C composites is no more than 11 %. The effects of different parameters(including the braiding angle of 3D braided preform, the fiber volume fraction and the porosity of 3D braided C/C composites, and the elastic modulus, Poisson's ratio and CTEs of carbon fibers and carbon matrix) were analyzed with the program. The results show that the axial CTE of C/C composites decreases with the increase of the braiding angle, the fiber volume fraction, and the porosity of 3D braided C/C composites. The transverse elastic modulus of carbon fibers has the greatest effect on the axial CTE among the studied mechanical parameters, followed by the elastic modulus and Poisson's ratio of carbon matrix.     

Interface and thermal expansion of carbon fiber reinforced aluminum matrix composites

Two kinds of unidirectional PAN M40 carbon fiber(55%,volume fraction) reinforced 6061Al and 5A06Al composites were fabricated by the squeeze-casting technology and their interface structure and thermal expansion properties were investigated.Results showed that the combination between aluminum alloy and fibers was well in two composites and interface reaction in M40/5A06Al composite was weaker than that in M40/6061Al composite.Coefficients of thermal expansion(CTE) of M40/Al composites varied approximately from(1.45-2.68)×10-6 K-1 to(0.35-1.44)×10-6 K-1 between 20 °C and 450 °C,and decreased slowly with the increase of temperature.In addition,the CTE of M40/6061Al composite was lower than that of M40/5A06Al composite.It was observed that fibers were protruded significantly from the matrix after thermal expansion,which demonstrated the existence of interface sliding between fiber and matrix during the thermal expansion.It was believed that weak interfacial reaction resulted in a higher CTE.It was found that the experimental CTEs were closer to the predicted values by Schapery model.     

热膨胀性能对炭/炭复合材料在制动摩擦过程中热应力场的影响

测量以纯树脂炭、粗糙层热解炭和光滑层热解炭为基体的3种炭/炭复合材料的热膨胀系数,并采用有限元分析软件,模拟这3种炭,炭复合材料在飞机正常着陆能量条件下的热应力场,研究热膨胀系数对炭,炭复合材料热应力场及其摩擦性能的影响.结果表明:3种炭/炭复合材料在z方向上的热膨胀系数大于在X和y方向的,且热膨胀系数均随着温度的升高而逐渐增大,其中,基体为粗糙层热解炭的炭/炭复合材料的热膨胀系数最小,纯树脂炭试样的次之,光滑层热解炭试样的最大;在制动过程中,炭/炭复合材料摩擦表面产生的热应力与材料的热膨胀系数相关,材料的热膨胀系数越大,产生的热应力越大;过大的热应力使纯树脂炭试样具有相对稳定的摩擦曲线,在较大热应力的作用下,光滑层热解炭试样的摩擦曲线不稳定,影响其摩擦性能.     

Densification Behavior and Performances of C/C Composites Derived from Various Carbon Matrix Precursors

Three types of carbon/carbon (C/C) composites were manufactured by densifying the needled carbon fiber preform through resin and pitch impregnation/carbonization repeatedly, as well as propylene pyrolysis by chemical vapor infiltration plus carbonization after the resin impregnation/carbonization. The densification behavior and performances (involving electric, thermal, and mechanical properties, as well as impurity) of the C/C composites were investigated systematically. The results show that besides the processing and testing conditions, the electric resistivity, thermal conductivity (TC), coefficient of thermal expansion (CTE), strength, and fracture, as well as impurity content and composition of the C/C composites were closely related to the fiber orientation, interfacial bonding between carbon fiber and carbon matrix, material characteristics of the three precursors and the resulting matrix carbons. In particular, the resin-carbon matrix C/C (RC/C) composites had the highest electric resistivity, tensile, and flexural strength, as well as impurity content. Meanwhile, the pitch-carbon matrix C/C (PC/C) composites possessed the highest TC and CTE in the parallel and vertical direction. And most of the performances of pyro-carbon/resin carbon matrix C/C composites were between those of the RC/C and PC/C composites except the impurity content.     

热暴露对SiCf/Ti-6Al-4V复合材料热膨胀行为的影响

研究了热暴露对SiCf/Ti-6Al-4V复合材料热膨胀行为的影响。对基体合金、制备态复合材料、经900 ℃热暴露10, 25及75 h的复合材料的热膨胀行为进行了实验测量。结果表明,无论纵向和横向,热暴露的复合材料其热膨胀系数均高于制备态复合材料。且无论纵向和横向,经900 ℃热暴露10和75 h的复合材料热膨胀系数均高于经900 ℃热暴露25 h的复合材料。这是因为经900 ℃热暴露25 h的复合材料拥有较为合适的界面反应。另外,在对复合材料纵向热膨胀系数进行预测时,因为Schapery模型在整个加热过程中都考虑了热拉伸残余应力对复合材料热膨胀系数的影响,因此在CTE曲线的高温阶段,预测值低于实验值     

RMI法制备穿刺C/C-SiC复合材料的微结构及烧蚀性能研究

以无纬布/网胎0°/90°叠层穿刺预制体为增强体,采用化学气相渗(Chemical vapor infiltration,CVI)、树脂浸渍碳化(Polymer infiltration carbonization,PIC)与反应熔渗(Reactive melt infiltration,RMI)复合工艺制备穿刺C/C-SiC复合材料,研究其微观组织及在C₂H₂-O₂焰中的烧蚀行为。结果表明：无纬布、穿刺纤维束由CVI+PIC制备的碳基体填充而形成致密C/C区域,RMI生成的SiC主要位于网胎层中,其含量37.3wt%。复合材料表面因过量硅化而形成了SiC富集层。烧蚀距离20mm、O₂:C₂H₂=2:1时,烧蚀600s后材料X-Y、Z向线烧蚀率分别为：0.8×10^_-4 mm/s、3.6×10^_-4 mm/s,比PIP工艺制备C/C-SiC材料烧蚀率小一个数量级。烧蚀面SiC富集层保护及被动氧化作用是材料具有优异抗氧化烧蚀性能的主要原因。随烧蚀距离由20mm向10mm减小,复合材料烧蚀率先缓慢变化后快速增大,烧蚀率快速增长阶段复合材料发生主动氧化烧蚀。     

镀TiC金刚石/铝复合材料的界面及热膨胀性能

采用气压浸渗法制备高体积分数的镀TiC金刚石/铝复合材料,通过SEM和EDS等手段对复合材料的断口形貌进行分析,并研究TiC镀层对复合材料界面和热膨胀性能的影响。结果表明:TiC镀层改善金刚石颗粒与铝合金基体之间的选择性粘结现象,断裂方式以基体断裂为主。部分TiC会被氧化成TiO2并与铝合金基体反应生成Al2O3,从而实现金刚石颗粒与铝合金基体之间良好的界面结合;TiC镀层有效地降低复合材料的热膨胀系数(CTE),增强复合材料热膨胀性能的稳定性。在体积分数相同的情况下,CTE随金刚石颗粒尺寸的减小而减小。     

镀TiC金刚石/铝复合材料的热膨胀性能

采用气压浸渗法制备了金刚石体积分数为65%的铝基复合材料,分析了复合材料的显微组织并对热膨胀系数(CTE)进行了测试,研究了镀TiC金刚石/铝复合材料的热膨胀性能。结果表明,金刚石颗粒在铝合金基体中分布均匀,组织致密;TiC镀层有效地改善了金刚石颗粒与铝合金基体间选择性粘结现象,增强了金刚石与基体间的界面结合;镀TiC使复合材料热膨胀系数明显降低,Turner模型和Kerner模型的均值可以预测其热膨胀系数,而对于未镀层的复合材料则可以用Kerner模型进行预测。     

短炭纤维增强C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能

采用温压？原位反应法制备C/C-SiC复合材料,利用QDM150型摩擦试验机研究短炭纤维（SCF）长度和纤维体积分数对C/C-SiC制动材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：C/C-SiC制动材料能够保持较高且稳定的摩擦因数;SCF的体积分数将影响C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能,纤维体积分数为10%时,材料具有适中的摩擦因数和较低的磨损率;SCF长度对C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能有显著影响,炭纤维长度为12 mm时,材料具有最佳的摩擦磨损性能。     

WC_p/2024Al复合材料热学性能研究

利用粉末冶金法制备了WC颗粒体积分数分别为8%、11.8%、16.7%的WCp/2024Al复合材料,采用扫描电子显微镜、热膨胀分析仪、热导率测试仪等多种手段研究不同WC体积分数、挤压比和热处理对复合材料热膨胀系数（CTE）、热导率和微观结构的影响。结果表明：复合材料的热膨胀系数随WC体积分数的增大而明显降低,随挤压比的增大而提高,经过T4态热处理后,复合材料内应力的降低和第三相的析出导致其热膨胀系数降低,热膨胀系数的实测值与kermer模型的计算值相近。复合材料的热导率随WC体积分数的增大而降低。