高性能二维碳/碳复合材料的制备与性能

为获得高性能热结构复合材料,以国产T300碳纤维为原料,通过碳布预浸料交替铺层热压及液相浸渍裂解工艺方法制备了一系列二维碳/碳复合材料,并对二维碳/碳复合材料的微观结构特征、力学性能及烧蚀性能进行了测试与分析。研究结果表明:碳布规格及制备工艺对二维碳/碳复合材料力学性能有较大影响,当碳布规格选用八枚缎纹、经过碳化预处理且高温处理温度达到2 300℃时,二维碳/碳复合材料表现出较好的综合性能,拉伸强度和层间剪切强度的最大值分别高达301 MPa和12.4 MPa,达到了国际先进水平;在模拟典型服役环境考核状态下,制备的不同规格二维碳/碳复合材料的烧蚀性能基本相当,均未出现由于层间强度偏低而发生的烧蚀揭层现象,表现出较好的烧蚀均匀性和结构可靠性。      

碳/碳复合材料的镍铬铝抗氧化复盖层

在碳/碳复合材料上,电镀以镍铬合金,再渗以铝,可得到抗氧化复盖层.在高温下,连续地进行破坏性试验,结果指出,材料的抗氧化性能可提高数十倍.     

陶瓷颗粒增强Cr0.5MoNbWTi难熔高熵合金复合材料的制备及其力学性能

难熔高熵合金因其优异的力学性能、高温稳定性和抗氧化性能等, 作为高温结构材料具有广阔的应用前景。为了进一步提升材料的力学性能, 本研究利用原位反应烧结制备了陶瓷颗粒增强难熔高熵合金复合材料, 并探讨了陶瓷增强相的生成机理及其对复合材料力学性能的影响。通过机械合金化制备了含有碳氮氧非金属元素的Cr_0.5MoNbWTi过饱和体心立方(Body Centered Cubic, BCC)固溶体粉末, 经后续放电等离子烧结, 在BCC基体内部原位反应生成了大量弥散分布的(Nb,Ti)(N,C)和Ti₂O₃陶瓷增强相。在陶瓷颗粒的增强作用下, 该复合材料表现出较高的室温强度(4033 MPa)和硬度(11.57 GPa)以及优越的高温强度, 1400 ℃的屈服强度高达572 MPa。     

浸渍熔渗复合法制备C_f/HfC复合材料及其性能

采用液相浸渍结合反应熔渗法制备了Cf/HfC复合材料。研究了浸渍效果、抗氧化烧蚀微粒分布形貌、熔渗效果与熔渗组织,并考核了C_f/HfC复合材料的抗氧化烧蚀性能和力学性能。结果表明:经5次浸渍-碳化循环和1次高温处理工艺制备了含13wt%抗氧化烧蚀微粒的ZrB_2+HfO_2+TaSi_2改性C/C预制体,其密度和开孔率分别为1.41g/cm~3和24.84%,微粒主要分布在纤维束之间的基体碳中,且分布均匀。改性C/C预制体经过Hf35Zr10Si5Ta合金反应熔渗制备的C_f/HfC复合材料密度和开孔率分别为2.98g/cm~3和12.95%,其线烧蚀率为0.017 1mm/s,弯曲强度为173.76 MPa,断裂方式为假塑性断裂。     

碳／碳复合材料表面沉积SiC涂层

用化学气相沉积工艺在以碳布层叠为骨架的碳/碳复合材料表面沉积SiC,制备了抗氧化的碳/碳复合材料。研究了材料的力学性能、热学性能及其对空气的抗氧化性能。     

超高温本体抗氧化碳/碳复合材料研究

通过向碳/碳复合材料基体中掺杂难熔金属化合物,研制出了一类集碳/碳材料优异的高温力学、热物理性能和超高温陶瓷材料非烧蚀性能于一体的超高温本体抗氧化碳/碳复合材料。攻克了难熔金属化合物在复合材料中分布以及组元与碳纤维反应控制关键技术,提高了复合材料的力学性能。静态和动态高频等离子风洞超高温本体抗氧化试验表明,在驻点温度达到2 500℃,600 s烧蚀后烧蚀量仅为碳/碳复合材料的1/5,给出了超高温本体抗氧化碳/碳复合材料氧化烧蚀抑制机理。     

掺杂改性C/C复合材料研究进展

陶瓷掺杂改性碳/碳(C/C)复合材料在保持C/C复合材料原有优异高温力学性能及尺寸稳定性等特性的前提下,显著提高了C/C复合材料的高温抗氧化、抗烧蚀性能,且其具有可设计性和良好的抗热震性能等优势,是新型高超声速飞行器和新一代高性能发动机热防护部件的理想候选材料。综述了国内外在SiC陶瓷掺杂改性C/C复合材料,ZrC,ZrB2超高温陶瓷掺杂改性C/C复合材料以及TaC,HfC超高温陶瓷掺杂改性C/C复合材料等方面的最新研究进展和应用情况,并分析了陶瓷掺杂改性C/C复合材料目前研究及应用中存在的主要问题和今后潜在的研究发展方向。     

炭/炭复合材料表面高温抗氧化合金涂层的研究进展

炭/炭(C/C)复合材料高温下易氧化,严重制约了其应用.高温合金涂层技术是解决该问题的有效手段.综述了近几年来C/C复合材料高温抗氧化合金涂层的最新研究进展,介绍了Si-Cr系、Si.Mo系、Sj-Mo-X(W,Ta,Cr)系、Al基以及Ir系舍金涂层的高温抗氧化性能,分析了部分合金涂层失效的原因,提出了C/C复合材料...     

碳/碳复合材料SiC/MoSi_2/ZrO_2涂层体系氧化烧蚀性能

抗氧化涂层技术是解决碳/碳复合材料高温抗氧化性的最有效技术途径之一。为了提高材料在1 800℃以上的高温抗氧化性能,首次采用包埋法、涂刷法和等离子喷涂法在碳/碳复合材料表面制备出SiC/MoSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系。采用SEM/EDS、结合力和粗糙度测试对涂层表面及断面形貌进行微观分析,利用等离子风洞对整个涂层体系进行氧化试验。结果表明:基体、过渡层和高温抗氧化层之间结合力良好,高温抗氧化层厚度均匀、结构致密。经等离子风洞氧化600s后,涂层表面温度达到1 850℃,氧化质量失重速率仅为3.15×10~(-6) g/(cm~2·s)。表明SiC/MOSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系在1 800℃以上的高温环境下具有很好的抗氧化性能。     

碳毡——沥青碳复合材料

前言碳—碳复合材料具有独特的性能,在航天工业中由于它能在高温下耐烧蚀,并具有优异的强度,因此可用作隔热材料。生产这些碳一碳复合材料的最一般方法是将碳的化学蒸汽沉积(CVD)在一种纤维上,即碳毡基体上。本研究的目的是用热的煤焦油沥青浸渍碳     

化学镀Ni-P-B4C复合镀层的耐磨性

本文通过比较化学镀Ni-P-B₄C复合镀层、Ni-P-SiC复合镀层、Ni-P合金层和电镀铬层的性能,发现Ni-P-B₄C复合镀层是其中最理想的抗磨材料。试验证明:由于-B₄C微粒的硬度高于SiC微粒,并且-B₄C本身又具有较高的抗显微切削能力,所以Ni-P-B₄C复合镀层的耐磨性显着高于Ni-P-SiC复合镀层和Ni-P合金层。由于电镀硬铬层的硬度随磨擦热的升高而迅速下降,所以其耐磨性远不及Ni-P-B₄C复合镀层。      

Effects of nano-sized and micro-sized carbon fibers on the interlaminar shear strength and tribological properties of high strength glass fabric/phenolic laminate in water environment

In order to clarify the effects of carbon fiber size on the properties of carbon fiber/high strength glass fabric (HSGF)/phenolic laminate, two kinds of laminates modified by nano-sized carbon fibers (CNFs) and micro-sized carbon fibers (CMFs), were respectively fabricated. The interlaminar shear strength (ILSS) and tribological properties of HSGF/phenolic laminates modified by CNFs and CMFs in water environment were comparatively investigated. Results showed that CNFs at proper contents ranging from 1.0% to 3.0% can enhance ILSS of HSGF/phenolic laminate, while CMFs deteriorated the ILSS. After water immersion, ILSS of the laminates modified by CNFs at 1.0–3.0% were just slightly decreased; however, those of the laminates modified by CMFs suffered larger drop. On the other hand, however, CMFs were more effective than CNFs in improving the wear resistance of HSGF/phenolic laminate in water.     

Experimental Investigation on the Specific Heat of Carbonized Phenolic Resin-Based Ablative Materials

As typical phenolic resin-based ablative materials, the high silica/phenolic and carbon/phenolic composites are widely used in aerospace field. The specific heat of the carbonized ablators after ablation is an important thermophysical parameter in the process of heat transfer, but it is rarely reported. In this investigation, the carbonized samples of the high silica/phenolic and carbon/phenolic were obtained through carbonization experiments, and the specific heat of the carbonized samples was determined by a 3D DSC from 150 \(^{\circ }\hbox {C}\) to 970 \(^{\circ }\hbox {C}\). Structural and compositional characterizations were performed to determine the mass fractions of the fiber and the carbonized product of phenolic which are the two constituents of the carbonized samples, while the specific heat of each constituent was also measured by 3D DSC. The masses of the carbonized samples were reduced when heated to a high temperature in the specific heat measurements, due to the thermal degradation of the carbonized product of phenolic resin in the carbonized samples. The raw experimental specific heat of the two carbonized samples and the carbonized product of phenolic resin was modified according to the quality changes of the carbonized samples presented by TGA results. Based on the mass fraction and the specific heat of each constituent, a weighted average method was adopted to obtain the calculated results of the carbonized samples. Due to the unconsolidated property of the fiber samples which impacts the reliability of the DSC measurement, there is a certain deviation between the experimental and calculated results of the carbonized samples. Considering the similarity of composition and structure, the data of quartz glass and graphite were used to substitute the specific heat of the high silica fiber and carbon fiber, respectively, resulting in better agreements with the experimental ones. Furthermore, the accurate specific heat of the high silica fiber and carbon fiber bundles was obtained by inversion, enabling the prediction of the specific heat of the carbonized ablators with different constituent mass fractions by means of the weighted average method in engineering.     

Friction and wear behavior of carbon fiber reinforced brake materials

A new composite brake material was fabricated with metallic powders, barium sulphate and modified phenolic resin as the matrix and carbon fiber as the reinforced material. The friction, wear and fade characteristics of this composite were determined using a D-MS friction material testing machine. The surface structure of carbon fiber reinforced friction materials was analyzed by scanning electronic microscopy (SEM). Glass fiberreinforced and asbestos fiber-reinforced composites with the same matrix were also fabricated for comparison. The carbon fiber-reinforced friction materials (CFRFM) shows lower wear rate than those of glass fiber- and asbestos fiber-reinforced composites in the temperature range of 100°C-300°C. It is interesting that the frictional coefficient of the carbon fiber-reinforced friction materials increases as frictional temperature increases from 100°C to 300°C, while the frictional coefficients of the other two composites decrease during the increasing temperatures. Based on the SEM observation, the wear mechanism of CFRFM at low temperatures included fiber thinning and pull-out. At high temperature, the phenolic matrix was degraded and more pull-out enhanced fiber was demonstrated. The properties of carbon fiber may be the main reason that the CFRFM possess excellent tribological performances.     

低温炭化温度梯度对聚丙烯腈预氧纤维结构演变及碳纤维性能的影响

聚丙烯腈(PAN)预氧纤维在低温炭化阶段经热裂解重组而转化为具有乱层石墨结构雏形的低温炭化纤维,此阶段的温度调控对最终碳纤维的结构与性能有着重要影响。采用¹³C固体核磁共振谱图(¹³C-NMR)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和力学性能分析等手段,研究预氧纤维在低温炭化阶段的反应进程、温度梯度调控对预氧纤维的结构演变和碳纤维结构及性能的影响。结果表明:PAN预氧纤维在低温炭化过程中,经450℃热处理后碳结构的支链化程度达到最大值0.99,当处理温度达到550℃后,以芳环链段的重组交联为主要反应。低温炭化温度梯度影响预氧纤维的结构演变进程,当采用350—450—650℃的梯度升温模式时,先经450℃处理的低碳纤维中—C—C基团的¹³C-NMR位移最大,表明纤维内的支化交联反应最多,再经650℃处理的纤维d₀₀₂以及相应高碳纤维的I_A/I_G达到最大,说明其无定形碳相对含量最多,因而最终碳纤维的力学性能最差;当采用350—550—650℃的梯度升温模式时,纤维内裂解与重组交联反应有序开展,低碳和高碳纤维的碳结构更优,最终碳纤维的致密性及力学性能得到提升。     

基于酚醛树脂的碳/碳复合材料在高温分解过程的微结构演变

采用热压成型方法制备碳/ 酚醛树脂预制体, 再经高温碳化得到开气孔率为27 %、密度约1. 27 g/ cm3并具有预期孔隙结构的碳/ 碳复合材料。研究了200～900 ℃预制体转化为碳/ 碳复合材料过程中, 材料的密度、开气孔率、失重率、以及内部微观结构随温度的变化。分析了材料在高温分解过程中微观结构演变规律。结果表明,酚醛树脂主要在400～700 ℃大量分解, 其分解速率约为其余温度范围的4 倍, 该温度范围失重率增加了14 %、开气孔率增加了18 %。在高于400 ℃时形成大量裂纹与孔隙, 随着温度升高裂纹增多并进一步扩展, 900 ℃碳化后形成一种连通的特征性微观裂缝网格模式。高温分解后碳/ 碳复合材料中总孔容约0. 17 cm3 / g , 其中81 %的孔隙半径在122. 190～2. 440μm 范围内。      

AlB2对高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料及其裂解产物力学性能的影响

以AlB₂和SiC颗粒填充酚醛树脂作为基体,高硅氧纤维作为增强体,制备了高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料。研究了不同添加量的AlB₂颗粒对高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温和1200℃裂解产物性能的影响,并分析了AlB₂颗粒对其裂解产物的增强机制。结果表明:随着AlB₂颗粒的添加,高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温下的弯曲强度逐渐减小,但其1200℃裂解产物的弯曲强度先增大后减小。当AlB₂颗粒与酚醛树脂的质量比为12%时,裂解产物的弯曲强度提高最为显著,相比未添加AlB₂颗粒的复合材料,其裂解产物的弯曲强度提高了16.4%。AlB₂颗粒在1200℃有氧环境中反应生成由B₂O₃ 、Al₂O₃和Al₂₀B₄O₃₆组成的共熔体,填充了树脂基体裂解产生的孔隙,明显减少复合材料裂解产物的结构缺陷,阻止内部材料进一步氧化,提高了裂解产物的力学性能。      

碳纤维丝束结构对碳纤维/酚醛复合材料烧蚀性能的影响EI北大核心CSCD

以酚醛树脂为基体,以平纹碳布和短切碳纤维两种结构形式的碳纤维为增强剂,制备碳纤维增强的碳/酚醛复合材料。采用氧/乙炔烧蚀实验对复合材料的耐烧蚀性能进行了对比性研究,采用电子拉力试验机对复合材料的弯曲性能进行表征,采用扫描电镜对复合材料烧蚀形面进行观察,并通过固体火箭发动机对复合材料的烧蚀性能进行考核验证。研究结果表明:以这两种结构形式的碳纤维为增强剂制备的碳/酚醛复合材料,其氧乙炔质量烧蚀率的大小与碳纤维丝束的大小具有正相关的特性,碳纤维丝束越小碳纤维质量烧蚀率越低,当碳纤维增强剂处于单丝状态时,复合材料的氧乙炔质量烧蚀率达到最低为0.046 g/s,并且碳纤维的型号规格对复合材料氧乙炔质量烧蚀率的影响变小。固体火箭发动机实验表明,单丝状态下的碳纤维/酚醛复合材料的抗烧蚀冲刷性能明显优于束状碳纤维/酚醛复合材料。     

碳/酚醛防热复合材料烧蚀行为的数值模拟

碳/酚醛复合材料被广泛地应用于钝头体表面,是飞行器优秀的热防护材料。为了准确地预测其烧蚀性能,本文从复合材料的组成物纤维和基体的角度出发,基于能量、质量守恒和热分解方程,考虑了烧蚀过程中材料热属性的非线性变化和烧蚀面的退缩,分别计算了纤维和基体的烧蚀性能,预测了烧蚀过程中防热复合材料的温度分布、密度变化、质量损失规律及热属性和线烧蚀率等。结果表明：碳/酚醛复合材料的烧蚀是各种因素相互作用、相互影响的高度非线性过程;烧蚀过程中材料结构具有不均匀的温度分布,烧蚀面区域材料密度衰减最大并且材料的质量损失和损失率几乎呈线性增加;纤维和基体的烧蚀行为存在明显差异,分别预测两者的烧蚀性能,可以为热防护材料的设计提供更加准确的参考和依据。     

石墨/酚醛树脂复合材料双极板的制备与性能

双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部分,石墨与聚合物的复合材料双极板是目前研究的重要方向。采用模压热固化二步法,以酚醛树脂为粘结剂、天然鳞片石墨为导电骨料、炭黑为添加剂制备了质子交换膜燃料电池用复合材料双极板。系统研究了不同种类石墨对石墨/酚醛树脂复合材料电性能和抗弯强度的影响。结果表明:以天然鳞片石墨为导电原料时,所制备的石墨/酚醛树脂双极板的性能最好;添加导电炭黑能有效提高石墨/酚醛树脂复合材料的电导率;在复合材料制备中加入4wt%的碳纤维,碳纤维-石墨/酚醛树脂复合材料的抗弯强度提高了29%;碳纤维表面液相氧化处理能有效提高纤维与基体间的结合强度,随着处理时间的延长与处理温度的升高,碳纤维-石墨/酚醛树脂复合材料的电导率和抗弯强度都有很大程度的提高;最终固化温度主要影响酚醛树脂的交联程度,随着最终固化温度的升高,酚醛树脂的交联程度增加,电导率增大,但抗弯强度有一定程度减小。