碳纤维预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响

以2D碳纤维预制体为增强体, 采用电耦合和等温化学气相渗联合工艺制备C/C复合材料, 研究不同预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响。结果表明, 不同预制体结构增强的C/C复合材料表现出不同的力学行为。对于针刺结构, 随着针刺密度由35 pin/cm ²降至25 pin/cm ², C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由60.1、119.9 MPa增大至69.5、176.8 MPa; 随着碳纱丝束由12 K变为3 K, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由69.5、176.8 MPa增大至105.5、184.4 MPa。对于12 K双向缝合结构, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别为68.1、123.7 MPa。不同碳纤维预制体结构增强的C/C复合材料力学性能的差异主要取决于长纤维的完整性、大孔的分布和数量等因素。C/C复合材料的螺栓性能由于体材料性能和加工过程中缺陷的影响, 其拉伸强度略低于其体材料, 并表现出更为明显的脆性断裂模式。     

不同预制体结构C/C复合材料轴向热力学性能分析

主要对比了编织C/C复合材料和针刺C/C复合材料的轴向热力学性能.编织C/C复合材料主要有径棒法、轴棒法、轴向穿刺三种,针刺C/C复合材料主要有炭布叠层针刺、整体毡两种.编织预制体密度较高,平均可达到0.70g/cm3以上,针刺类整体毡密度在0.20g/cm3左右,炭布叠层预制体密度在0.45g/cm3左右,均低于编织预制体.径棒法、轴棒法、轴向穿刺预制体轴向纤维含量≥19%,针刺类预制体轴向纤维含量约为5%.C/C复合材料的轴向拉伸强度、热膨胀系数与预制体编织结构、轴向纤维含量有关,编织类C/C复合材料轴向拉伸强度平均值≥40MPa,针刺类C/C复合材料轴向拉伸强度在10MPa左右.轴棒法、轴向穿刺、炭布叠层针刺、整体毡等四种C/C复合材料(RT～800℃)轴向热膨胀系数基本相当.     

C/C 复合材料增强体结构对性能影响的研究

研究了四种C/C 复合材料增强体(1K 碳布、3K 碳布、1K 碳布+ 碳纸、1K 碳布+ 特殊碳毡) 结构对弯曲性能的影响。结果表明: 用这四种增强体制备的C/C 复合材料表现出明显的假塑性, 弯曲断口的宏观形貌呈“之”字形, 其总体力学性能良好, 但也具有较大差异。本文作者结合材料的微观形貌对这些特点的成因进行了分析。      

碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响EI

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。研究了碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明,由纤维体积分数与C/C素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m^(2)),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道,最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa,51.75 GPa,11.32 MPa·m^(1/2)。初始预制体结构和C/C中间体结构的综合调控是CVI-GSI联用工艺制备高性能C/C-SiC复合材料的关键。     

C/C泡沫预制体液相硅浸渗制备C/SiC复合材料研究

以中间相沥青浸渍整体碳毡发泡技术制备的一种新型多孔C/C泡沫复合材料为预制体,通过液相硅浸渗(LSI)工艺制备了C/SiC复合材料,研究了预制体不同孔隙率对Si浸渗及C/SiC复合材料力学性能和微观形貌的影响,分析了复合材料的物相组成和晶体结构.结果表明,采用发泡技术可以快速有效地实现C/C预制体的致密化处理.预制体孔隙率为65.41%时液相硅浸渗处理后所得复合材料性能最好,密度为2.64g/cm3,弯曲强度为137MPa,弹性模量为150GPa.纤维未作表面抗硅化涂层处理以及复合材料中存在闭孔是C/SiC复合材料性能不佳的主要原因.     

碳纤维预制体结构对CVI-GSIC/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布，通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体，再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration, CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration, GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。研究了碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明，由纤维体积分数与C/C素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m²),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道，最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高，其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa, 51.75 GPa, 11.32 MPa·m^1/2。初始预制体结构和C/C中间体结构的综合调控是CVI-GSI联用工艺制备高性能C/C-SiC复合材料的关键。     

直热式化学气相渗C/C复合材料研究

采用直热式化学气相渗工艺制备了 C/ C复合材料 ,以 2 D无纬织物和碳毡为纤维预制体 ,液化石油气为碳源气体 ,在常压下经 2 5 h左右沉积得到整体密度分别为 1.6 0 g· cm- 3和 1.78g· cm- 3的 C/ C复合材料。观察了材料的微观结构 ,测试了材料的力学性能和热物理性能。结果表明 ,直热式化学气相渗制备的 C/ C复合材料具有良好的力学性能和热物理性能 ,是一种较为理想的制备 C/ C复合材料的新工艺。     

三维机织预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

本工作设计并用炭纤维织造了两种不同结构的三维预制体,即三维角联锁结构(JLS)和三向正交结构(SZJ),采用化学气相渗透(CVI)致密和液相树脂浸渍/炭化的增密工艺,制备出C/C复合材料,测试并对比分析了拉伸性能和冲剪性能.结果表明:预制体结构对C/C复合材料的力学性能有很大影响,同时决定拉伸断裂破坏模式.三向正交结构C/C复合材料的力学性能好于三维角联锁结构的C/C复合材料.     

无纬布/网胎叠层针刺C/C材料的制备及性能

以无纬布/炭纤维网胎叠层针刺预制体为增强体,经化学气相渗透(CVI)联合沥青浸渍/高压炭化(HPIC)方法制备了针刺C/C材料,研究了该材料的热力学性能,并与整体毡C/C材料进行了对比。结果表明:针刺C/C材料室温及2 800℃下轴向拉伸强度分别为24.50 MPa和52.88 MPa,较整体毡C/C材料分别提高了138%和170%,且拉伸破坏模式为假塑性。针刺C/C材料热物理性能优于整体毡C/C材料,1 000℃轴向热膨胀系数仅为1.409×10-6/℃,相比降低了64%。针刺C/C材料优异的机械强度和良好的热物理性能为其在固体火箭发动机中的应用奠定了基础。     

添加Al对MSI制备C/C-SiC复合材料组织和力学性能的影响

以聚丙烯腈( PAN) 基炭纤维(Cf ) 针刺整体毡为预制体, 用化学气相渗透(CVI) 法制备炭纤维增强炭基体(C/ C) 的多孔坯体, 采用熔融渗硅(MSI) 法制备C/ C-SiC 复合材料, 研究了渗剂中添加Al 对复合材料组织结构和力学性能的影响。结果表明: C/ C 坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC 相、C 相及残留Si 相。随着渗剂中Al 量的增加, 材料组成相中的Al 相也增加而其它相减少; SiC 主要分布在炭纤维周围, 残留Si 相分布在远离炭纤维处, 而此处几乎不含Al ; 当渗剂中Al 量由0 增加到10 %时, 复合材料的抗弯强度由116. 7 MPa 增加到175. 4 MPa , 提高了50. 3 % , 断裂韧性由5. 8 MPa·m1/2增加到8. 6 MPa·m1/2 , 提高了48. 2 %。Al 相的存在使复合材料基体出现韧性断裂的特征。      

Study of the infiltration and mechanical behavior of C/C composites prepared by ECVI

Three kinds of preforms, chopped fibers/resin carbon, spreading layers of carbon cloth, and needle-pricked long fiber felt, were used in this study. The preforms were densified by using the electrified preform heating CVI method (ECVI), and infiltrated using natural gas. Initial thermal gradients were determined. Resistivity and density evolutions with infiltration time have been recorded. A tensile test was applied to investigate the influence of preform architecture on the tensile properties of the C/C composites. Results show that the architecture of preform strongly influences the uniformity of infiltration and fibers/matrix bonding. The samples prepared from using 1K plain carbon cloth have the smallest density variations with position (about 0.011 g/cm³), and possess the highest tensile strength and modulus, while the samples produced from chopped fibers/resin carbon possess the lowest tensile strength due to their strong interfacial bonding between resin carbon and carbon fibers and poor microstructure.     

炭布叠层针刺预制体性能分析

通过X-Y向拉伸强度、Z向剥离强力、NOL环整体拉伸强度表征预制体性能,研究了炭布叠层针刺预制体的结构特点.结果表明:X-Y向拉伸强度反映了针刺对连续纤维的损伤程度,其随针刺密度升高而降低.网胎面密度对Z向预制体剥离强力的影响规律性不明显,3 K炭布针刺预制体剥离强力高于6K和12K炭布针刺预制体,斜纹炭布针刺预制体剥离强力高于缎纹炭布预制体.NOL整体拉伸环破坏有完全断裂、褶皱式不完全断裂、层间剥离三种模式;3 K缎纹炭布针刺预制体NOL环拉伸强度最低,只有3 MPa,呈现整体拉伸完全断裂破坏模式;12 K缎纹炭布针刺预制体呈现层间破坏模式;6 K缎纹炭布针刺预制体的破坏方式为褶皱式不完全断裂模式,整体力学性能较好.相同工艺预制体环向拉伸强度远大于X-Y向拉伸强度.     

C/C复合材料拉伸强度与针刺成型参数相关性研究

采用Design-expert软件设计预制体不同针刺成型参数组合试验, 研究预制体针刺成型参数对针刺碳/碳(C/C)复合材料拉伸强度的影响, 并构建了响应曲面数学模型, 实现对针刺C/C复合材料拉伸强度的优化与预测, 其模型显著性P=0.0206, 各试验实测值与预测值相对误差≤10.82%, 模型具有较高的拟合度。响应曲面回归分析表明: 针刺深度对拉伸强度有极显著影响, 针刺密度对拉伸强度有显著影响, 在本研究的针刺成型参数取值范围内, 拉伸强度的预测区间为42.31~91.87 MPa。通过模型优化出的针刺成型参数组合为: 针刺密度11 pin/cm²、针刺深度 11 mm、网胎面密度50 g/m², 相应拉伸强度预测值为88.62 MPa, 验证值为90.71 MPa, 相对误差2.36%。     

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。      

高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能

为获得高性能针刺碳/碳复合材料, 拓展其应用领域, 通过优化针刺工艺参数, 设计并研制了不同结构参数的针刺预制体。采用沥青高压致密化工艺将针刺预制体制备成一系列针刺碳/碳复合材料, 研究了针刺碳/碳复合材料的微观结构、力学性能和热物理性能。结果表明, 针刺预制体的针刺深度、针刺密度以及短/长纤维配比等对碳/碳复合材料的力学性能和热物理性能影响显著。当针刺深度为12 mm、针刺密度为22针/cm ²、短/长纤维比例为1.0 : 4.8时, 针刺碳/碳复合材料表现出优良的综合性能, 拉伸、压缩、弯曲、面内剪切和层间剪切强度分别达到207、228、285、54和28 MPa。     

TiB2颗粒增强反应结合B4C陶瓷的显微结构与性能

以微孔碳、颗粒级配碳化硼粉体、钛粉和硅粉为原料, 通过多孔预制体真空熔渗Si工艺制备了硼化钛颗粒增强的反应结合碳化硼复相陶瓷, 并通过X射线衍射、扫描电子显微镜、EDS能谱和透射电子显微镜对复合材料的显微结构进行表征。结果表明: 在预制体中钛为15wt%时, 所制备的复相陶瓷抗弯强度和断裂韧性分别为313 MPa和5.40 MPa•m^1/2。原位反应生成的硼化钛对材料的增韧补强起到了积极的作用。     

CVI-iC/TaC改性C/C复合材料的力学性能及其断裂行为

以针刺碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透工艺对预制体纤维进行PyC/SiC/TaC的多层复合模式的涂层改性, 然后采用化学气相渗透和热固性树脂浸渍-化进行增密,制备出新型C/C复合材料。对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:包覆在碳纤维表面的PyC/SiC/TaC多层结构均匀致密、无裂纹,在C/C复合材料中形成空间管状网络结构;改性后C/C复合材料的抗弯强度和韧性均大大提高, 平均抗弯强度达到522 MPa,断裂位移达到1.19mm;复合材料弯曲断裂形式表现为脆性断裂,经过2000℃高温热处理以后,复合材料的抗弯强度下降,但最大断裂位移增大,弯曲断裂形式由脆性断裂转变为良好的假塑性断裂。      

Development and Characterization of C/C-SiC Brake Disc

A new process was developed to produce full-size carbon/carbon-SiC brake discs consisting of two friction layers and a structural layer. Different lengths of chopped carbon fibers were used for the friction layers and structural layer. A preform of each layer was produced by hot-pressing a mixture of resin and carbon fibers. After pyrolyzing the preforms, the layers were joined by hot-pressing. Finally, liquid Si infiltration was performed to obtain a C/C-SiC brake disc. The tensile strength, compressive strength, and bending strength were 40, 46, and 61 MPa, respectively. The density of the disc was 2.1 g/Cm³. The heat transfer coefficient in the vertical direction was 16.5 W/m-°C, and it was 45.9 in the horizontal direction. The friction coefficients obtained under various braking conditions showed stable and suitable values, 0.2–0.6.     

Pressure-pulsed chemical vapour infiltration of pyrolytic carbon into porous carbon or two-dimensional-carbon/SiC particulate preforms from C6H6–H2–N2

Pyrolytic carbon was infiltrated into porous carbon or two-dimensionally woven carbon fibre (2D-C)/SiC particulate preforms using pressure-pulsed chemical vapour infiltration from C6H6 (3–16%)–H2–N2 at 1273–1373 K. Residual porosity of porous carbon decreased from 29 to 10% after 1×104 pulses at 1323 K, and that of 2D-C/SiC particulate preform decreased from 30 to 7.5% after 4×104 pulses at 1273 K. Flexural strength of 2D-C/SiC preform reached about 150 MPa.