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。      

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。     

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。     

碳质材料增强环氧树脂复合材料力学性能研究进展

综述了炭黑、碳纤维、碳纳米管等碳质材料增强环氧树脂复合材料的力学性能特征、论述了碳质材料的类型、用量,改性方法对复合材料抗张强度、抗拉强度、断裂伸长率、抗冲击强度以及韧性等力学性能的影响.讨论了表面化学修饰碳质材料、改进共混技术以及材料微观结构对复合材料力学性能的影响,碳质材料的分散性是影响复合材料力学性能和微观结构的...     

2D-C/C复合材料结构与性能的研究进展

2D-C/C复合材料是以二维碳纤维为增强体,以化学气相渗透的热解碳或液相浸渍炭化的树脂碳、沥青碳为基体组成的一种纯碳多相二维结构材料,是一种新型高性能结构功能复合材料,大量运用在航空航天等高新技术领域.目前研究集中于其宏观性能方面,难点在于其组织结构和性能的可控性、可调性.主要介绍了二维碳纤维预制体和针刺碳纤维,基体碳的微观结构和添加剂,纤维/基体界面和界面修饰,以及制备工艺对2D-C/C复合材料性能的影响.结合2D-C/C复合材料的结构特点,概述了2D-C/C复合材料热物理性能、力学性能及氧化烧蚀等行为的各向异性.此外,还展望了其研究发展方向.     

粉末涂层碳纤维制备碳/碳复合材料研究进展

综述了国内外碳/碳复合材料的主要用途和制备方法,通过比较发现粉末预涂层制备碳/碳复合材料是一种低成本、短制备周期的理想方法,它包括基体树脂和碳纤维的选择、碳纤维的表面处理及碳纤维丝束的铺展.采取层压成型制备试样,经高温炭化和石墨化制备碳/碳复合材料.     

3D混杂梯度结构碳/碳复合材料微观结构和性能研究

采用Z-PIN与粘胶基碳纤维毡、粘胶基碳纤维平纹织物、聚丙烯氰基碳纤维平纹织物制备了3D混杂梯度纤维预制体,多相碳素基体经丙烯等温化学气相渗透(ISO-CVI)和煤焦油沥青高压浸渍碳化(HPIC)复合工艺制备,分析研究了多相碳素基体的组织特征、Z向增强体对粘胶基碳纤维织物碳/碳复合材料(RCC)和聚丙烯氰基碳纤维织物碳/碳复合材料(ACC)层间性能的影响以及失效模式.碳基体的微观组织结构为各向同性层、光滑层和粗糙层多相复合体,粘胶基碳纤维表面和聚丙烯氰基碳纤维表面沉积碳的微观组织存在差异性.采用高密度Z-PIN增强体可提高层间性能40%～60%.失效模式为层间和纤维束内裂纹扩展,基体组织和纤维类型对层间性能的影响很小.     

细编穿刺碳/碳复合材料等离子火炬高温烧蚀性能研究

采用等离子火炬作为高温热源，研究了细编穿刺碳／碳复合材料高温烧蚀性能。研究结果表明：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，而抗热化学烧蚀和抗氧化性，碳纤维则明显优于碳基体。     

碳纤维/有机硅改性环氧树脂复合材料性能研究

介绍了一种碳纤维/有机硅改性环氧树脂复合材料的性能研究情况.对该复合材料的力学性能、热常数和烧蚀性能进行了初步测试.结果表明,其拉伸强度达到558MPa,拉伸模量达到44.0GPa,层间剪切强度为16.6MPa,导热系数不超过0.3 W/(m*K),氧-乙炔烧蚀的线烧蚀率为0.049mm/s,质量烧蚀率为0.0595g/s.通过与常用的碳/酚醛材料比较,碳纤维/有机硅改性环氧树脂复合材料的性能较优.     

薄层化碳布缝合碳/碳复合材料制备与性能

为获得高性能、低成本碳/碳复合材料,以商用级T700大丝束薄层化碳纤维展宽平纹布和航空航天级T300小丝束碳纤维缎纹布为原材料制备缝合预制体,采用化学气相沉积工艺方法制备了一系列缝合碳/碳复合材料,对材料的气相致密化特征、微观结构特征和力学性能进行了测试与分析。研究结果表明,碳布规格和缝合间距对材料气相致密化效果和力学性能有较大影响。当选用T700-12 K、展宽16 mm大丝束纤维编织的面密度100 g/m2的平纹布为原材料且预制体缝合间距为5 mm×5 mm时,制备的密度为1.781 g/cm3薄层化碳布缝合碳/碳复合材料表现出良好的气相沉积工艺适应性和优异的力学性能,材料拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度高达342.9 MPa、285.5 MPa、328.4 MPa和15.2 MPa。通过商用级大丝束薄层化碳纤维的应用,大幅降低了高性能碳/碳复合材料的原材料成本,且制备的碳/碳复合材料性能达到了国际先进水平。      

Comparative study of high temperature composites

Two classes of composite made using either ceramic matrix with high temperature fibers or carbon/carbon have been used for various applications that require high temperature resistance, over three decades. However, their use has been limited to special applications because of the high costs associated with fabrication. Typically the composites are cured at more than 1000°C, and in most instances the heating has also to be carried out in controlled environments. In addition, because of the high processing temperature, only certain type of expensive fibers can be used with the ceramic matrices. A recently developed inorganic matrix, called polysialate can be cured at temperatures less than 150°C, making it possible to use carbon and glass fibers. Composites made using carbon, glass and combinations of carbon and glass fibers have been tested in bending and tension. This paper presents the comparison of processing requirements and mechanical properties of carbon/carbon composites, ceramic matrix composites made with silicon carbide, silicon nitride and alumina fibers and carbon/polysialate composites. The results indicate that carbon/polysialate composite has mechanical properties comparable to both carbon/carbon and ceramic matrix composites at room and high temperatures. Since the polysialate composites are much less expensive, the authors believe that it has excellent potential for more applications in aerospace, automobile and naval structures.     

沥青基炭纤维γ-射线改性对炭/ 炭复合材料力学性能的影响

为了提高沥青基炭纤维表面活性, 采用γ-射线辐照对沥青基炭纤维表面改性。用AFM、XPS 研究了γ-射线辐照改性后沥青基炭纤维表面结构的变化, 用浸润仪测定了改性前后沥青基炭纤维表面能的变化。研究了γ-射线辐照沥青基炭纤维对炭/ 炭复合材料力学性能的影响, 并用SEM 分析了炭/ 炭复合材料断口形貌。结果表明,γ-射线辐照使炭纤维表面含氧官能团和表面粗糙度增加, 提高了沥青基炭纤维的表面能; 降低了炭/ 炭复合材料孔隙率, 提高了炭/ 炭复合材料力学性能。     

沥青过渡层对C/C复合材料力学性能的影响

在2D碳／碳（C／C）复合材料的碳纤维与基体热解碳间引入中间相沥青做过渡层，研究了中间相沥青的引入对C／C复合材料力学性能的影响．结果表明，与没有过渡层，普通沥青做过渡层、中间相沥青做过渡层的三类C／C复合材料比较．采用沥青做过渡层可以提高复合材料的力学性能，采用中间相沥青做过渡层制备的C／C复合材料的弯曲强度比采用普通沥青做过渡层提高44％，剪切强度提高15％．中间相沥青的引入可以使碳纤维束间和束内的结合强度不同，从而使基体断裂产生的裂纹扩散时发生偏转，复合材料的强度和韧性同时得到提高．     

碳纤维/乙烯基酯树脂拉挤复合材料界面性能研究

对PAN基碳纤维在线热氧化表面处理,分析了处理前后碳纤维的表面形貌,通过拉挤成型工艺制备出碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料。对拉挤复合材料的微观结构观察以及力学性能测试表明:碳纤维经表面处理后表面粗糙度增加,与乙烯基酯树脂的界面粘结性明显改善,复合材料的力学性能尤其是层间剪切强度得到显著提高。对不同界面性能的碳纤维复合材料进行动态热机械分析(DMTA),认为界面性能的改善可降低损耗模量,提高复合材料的耐疲劳性能。     

短切碳纤维表面处理对木粉/高密度聚乙烯复合材料性能的影响

木粉（WF）填充增强高密度聚乙烯（HDPE）复合材料具有良好的环境效益,少量引入短切碳纤维（SCF）可进一步提高其力学性能。为改善SCF与WF/HDPE复合材料中塑料基体的界面结合,提高SCF在WF/HDPE复合材料中的增强作用,采用气相、液相及气液双效氧化3种表面处理方式处理SCF,通过挤出工艺制备短切碳纤维增强木粉/高密度聚乙烯复合材料（SCF-WF/HDPE）,探讨了不同处理方法对SCF-WF/HDPE复合材料性能的影响。SEM观察显示,表面处理增大了SCF的表面粗糙度,可提高其与基体的界面结合;动态力学性能分析证实碳纤维提高了存储模量。测试结果表明：表面处理过的短切碳纤维可使SCF-WF/HDPE复合材料的力学性能、热力学性能和蠕变性能均得到显著提高,其中气相表面处理的效果最好。对比WF/HDPE复合材料,SCF-WF/HDPE的拉伸强度提高了34.5%,弯曲强度提高了23%,冲击强度提高了54.7%。     

C／C复合材料的显微结构及其与工艺、性能的关系

对化学气相渗透（CVI）C／C复合材料在偏振光下的显微结构（偏光显微结构）类型、结构的形貌特征及对应炭的基本物理性能、材料的制备工艺参数－结构－性能之间的关系进行了综述。C／C复合材料具有三种基本偏光显微结构,即RL、SL和ISO。这三种基本偏光结构的炭对应于不同的形貌特征,可从消光十字形、旋光性、光学反射性、生长特征、表面织构、择优取向性和环形裂纹等特征将其分辨出来。工艺参数对沉积炭偏光显微结构的影响没有一成不变的规律可循,影响因素除了温度、压力、气体成分、气体流速外,还与炉子的几何尺寸及试样的堆积尺寸有关,对不同的CVI体系,都应当摸索出一套适合其运行的最佳工艺参数。C／C复合材料的偏光显微结构与材料的性能有着密切的联系,不同的结构下,材料的物理性能、力学性能和热性能都表现出明显的差异。通过归纳与分析,获得了对C／C复合材料偏光显微结构全面、系统的认识,明确了它在C／C复合材料研究中的重要性,为制备具有单一、均匀偏光显微结构及所需性能的C／C复合材料指明了方向。     

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。     

碳纤维改性对不饱和聚酯自修复复合材料性能的影响

采用H_2O_2和浓HNO_3对碳纤维(CF)表面分别进行氧化处理,得到氧化碳纤维(OCF1和OCF2),采用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)对OCF1进行接枝处理,得到接枝改性碳纤维(KCF),将改性前后CF应用于不饱和聚酯(UP)自修复复合材料中,分析比较了不同改性剂及改性方法对碳纤维/不饱和聚酯(CF/UP)自修复复合材料性能的影响。利用FTIR、XPS、SEM表征CF与CF/UP自修复复合材料的化学结构与形貌,通过TGA、万能拉力试验机、悬臂梁冲击仪、邵氏硬度计等对复合材料的热稳定性、力学性能及自修复效率进行测试。结果表明:氧化、接枝反应均可增加CF表面的粗糙度和活性官能团含量,从而改善CF与UP基体的界面相容性。其中OCF1/UP自修复复合材料的综合力学性能比OCF2/UP自修复复合材料好,KCF/UP自修复复合材料的力学性能在三者之中最佳,其自修复效率最高,可达67.03%。     

用CVI工艺制备的低密度单向C/C复合材料的阻尼性能

用化学气相渗透工艺（ＣＶＩ）制备出几种不同密度及不同炭纤维类型增强的单向Ｃ／Ｃ复合材料。在国内自制多功能内耗仪上用扭摆法测试其阻尼性能。结果表明,低密度单向Ｃ／Ｃ复合材料的阻尼随密度的升高而降低。同种工艺条件,高模炭纤维Ｔ－５０增强的单向Ｃ／Ｃ复合材料的阻尼性能优于高强炭纤维Ｔ３００增强的单向Ｃ／Ｃ复合材料,且前者在８０￣２００℃范围内有一明显的内耗峰。纤维类型和界面微观结构是影响这类单向Ｃ／Ｃ复