4D炭/炭复合材料试样尺寸对剪切性能的影响

以4D炭/炭复合材料为研究对象,对不同尺寸规格冲剪试样和三点短梁压剪试样进行了剪切性能测试,分析了试样尺寸对剪切性能的影响。研究表明,试样的尺寸规格对其剪切性能有着显著影响。对于冲剪试样,Φ50mm×4mm试样剪切强度测试值高于Φ50mm×6mm试样,Φ50mm×4mm试样呈韧性断裂特征;Φ50mm×6mm试样呈脆性断裂特征。对于三点短梁压剪试验,在所用的各尺寸规格试样中,40mm×6mm×6mm试样采用26mm跨距时,测试数据的离散性最小。     

采用Z-Pin增强体的3D炭/炭复合材料层间断裂行为

采用炭纤维平纹织物和精细Z-pin制备了新型3D炭纤维预制件。炭基体采用等温化学气相沉积和高温煤沥青高压浸渍炭化制备。短梁剪切试验和开口拉剪试验用来表征Z-pin增强体对剪切破坏模式的影响。短梁剪切失效模式为似塑性，而拉剪失效模式为非似塑性破坏。分析了产生此现象的机制，短梁剪切假塑性失效由炭／炭复合材料叠层中纤维束内、纤维束间和叠层间微裂纹扩展形成，而产生拉剪失效的单一层间裂纹扩展不引起宏观假塑性现象。采用Z-pin作为提高层间剪切强度的增强体间隔1．5mm比间隔2，5mm可提高剪切强度40％～50％，陔技术将成为3D炭／炭复合材料预制体制备更为先进的技术．     

压力梯度CVI工艺制备2D炭/炭复合材料的弯曲断裂行为

采用三点弯曲方法测试了压力梯度化学气相浸渗法(CVI)工艺制备的2D炭／炭复合材料的性能，借助于扫描电镜研究了断口和界面形貌，分析了密度和纤维基体界面对材料力学性能的影响。结果表明，随试样密度增加，2D炭／炭复合材料的断裂模式从剪切断裂、层问分离向拉伸断裂转变。材料密度对弯曲强度和模量影响很大，但对弯曲挠度基本没有影响。揭示了影响2D炭／炭复合材料弯曲挠度的关键因素是纤维与热解炭基体界面的结合情况。     

掺杂难熔金属碳化物对炭/炭复合材料烧蚀微观结构的影响

详细分析和比较了3D炭／炭复合材料及其添加难熔金属碳化物的试样在三种烧蚀条件下的烧蚀结果、微观结构及形貌。SEM观察结果显示，纤维与基体间的界面优先烧蚀现象对纯炭／炭试样是普遍存在的，相反，对难熔金属碳化物掺杂的炭／炭试样而言，纤维却总是优先被烧蚀；纤维单丝相对基体优先烧蚀越明显，材料宏观烧蚀率越大。对纯炭／炭试样烧蚀表层区的TEM观察结果表明，在烧蚀过程中炭纤维和基体炭均发生明显的微观结构变化，具体表现为炭纤维的微晶尺寸显著长大，而基体炭原有层片区则出现柱状炭。烧蚀测试条件对材料宏观和微观形貌及烧蚀机理都有影响：     

准三维炭／炭复合材料力学性能分析

以针刺网胎无纬布交替叠层准三维结构为预制体,采用热梯度化学气相沉积（TCVI）和树脂压力浸渍-炭化（PIC）混合致密方法得到不同密度的炭／炭复合材料,研究了密度和热处理温度对炭／炭复合材料弯曲和压缩性能的影响,并对其机理进行了探讨。结果表明：增大材料的密度可以提高材料的弯曲和压缩性能,破坏机理发生改变,密度较低时,弯曲破坏方式为“假塑性”的分层破坏模式,压缩破坏为压溃式破坏;高密度的试样,弯曲破坏为拉应力或压应力破坏模式,压缩破坏为剪切和分层破坏模式,表现出一定的脆性;热处理温度升高,降低了材料的弯曲和压缩强度或模量,但明显改变了材料的破坏模式,增多了裂纹扩展或偏转的途径,表现出更好的“假塑性”;由分析得出,准三维炭／炭复合材料承压时,针刺处是力学薄弱点,易产生分层。     

基体含量对2D炭/炭复合材料性能影响的研究

研究了 2 D炭 /炭毛坯 -炭 /酚醛 (C/ P)的基体含量对 2 D-C/ C层间剪切性能的影响和防分层作用。结果表明 ,炭化后 2 D-C/ C、致密 2 D-C/ C的层剪强度都随 C/ P基体含量的增大而线性增加 ,而拉伸性能不受此影响。C/ P基体含量影响 2 D-C/ C的分层 ,基体含量低 ,ILSS低 ,难以抵抗热应力而发生分层。最终 2 D-C/ C的 ILSS在 1 3— 1 6MPa之间 ,拉伸强度在 1 3 0— 1 80 MPa之间 ,拉伸模量在 68— 93 GPa之间。     

等离子喷涂法制备炭/炭复合材料硅酸钇涂层研究

采用等离子喷涂(Atmospheric plasma spraying,APS)法在炭/炭复合材料碳化硅(SiC)内涂层表面制备了硅酸钇涂层。分别采用XRD和SEM分析了所得涂层的微观结构,并测试了带有SiC/硅酸钇复合涂层的炭/炭复合材料试样在1500℃静态空气中的抗氧化性能。结果表明:通过调节喷涂粉料中的SiO2和Y2O3的摩尔比,可制得Y2SiO5、Y2Si2O7、Y2Si2O7/Y2SiO5和Y4Si3O12/Y2Si2O7/Y2SiO5四种不同结构的硅酸钇涂层;1500℃氧化73h后,SiC/Y4Si3O12/Y2Si2O7/Y2SiO5涂层试样的氧化失重速率相对较低,仅为1.01×10-4g.cm-.2h-1。     

复合材料层板冲击剪切实验技术研究

基于HOPKINSON杆冲击剪切试验技术、复合材料层板的材料性能及应用特点的分析,对“杆-管”冲击剪切动态力学性能实验技术进行了改进优化,解决了输入杆跳动、同轴调节困难、结果分散大等实验技术问题。根据输入杆、输出管和复合材料试样的匹配分析,确立了输入杆、试样和输出管针对动态冲击剪切实验的约束尺寸条件。通过有限元数值分析,研究了预置剪切间隙对冲击剪切的影响,研究认为0.2mm～0.3mm间隙设计对Ф14.5mm输入杆冲击 2mm～4mm层板试样的冲剪试验是合适的。冲击剪切实验数据表明,加载率对玻纤增强复合材料层板的动态剪切力学性能影响明显。     

热梯度CVI技术制备炭/炭复合材料

为了阐明用于制备炭/炭复合材料的热梯度化学气相沉积工艺原理,分析了沉积过程中随着热解沉积区域的移动,发热体的电阻值以及加在发热体两端功率的变化规律,并利用偏光显微镜观察了材料的粗糙层、光滑层热解炭微观组织结构.结果表明:随着沉积过程的进行,TCVI中加在电极两端的功率呈非线性升高,而电阻值呈非线性降低;利用TCVI工艺在320 h内制备了φ240 mm×φ80 mm×33 mm的盘形件,且炭/炭复合材料的密度均匀性好,密度均大于1.70g/cm3.     

炭布铺层2D炭/炭复合材料研究

采用预浸炭布铺层制作炭／酚醛树脂基层合板,后经炭化、致密制备了二维炭／炭复合材料（２Ｄ－Ｃ／Ｃ）,检测了其工艺过程中的尺寸变化,测试了力学、导热、热膨胀、高等离子烧蚀性能。结果表明,２Ｄ－Ｃ／Ｃ在工艺过程中Ｚ向有明显的收缩现象,炭化收缩率达６．９９％,石墨化收缩率达５．５５％。２Ｄ－Ｃ／Ｃ的层间剪切强度（ＩＬＳＳ）大于１２．６ＭＰａ,拉伸强度大于１３３．７ＭＰａ,位伸模量大于５８．６ＧＰａ,压缩强     

基体含量对2D炭／炭复合材料性能影响的研究

研究了２Ｄ炭／炭毛坯－炭／酚醛（Ｃ／Ｐ）的基体含量对２Ｄ－Ｃ／Ｃ层间剪切性能的影响和防分层作用。结果表明,炭化后２Ｄ－Ｃ／Ｃ、致密２Ｄ－Ｃ／Ｃ的层剪强度都随Ｃ／Ｐ基体含量的增大而线性增加,而拉伸性能不受此影响。Ｃ／Ｐ基体含量影响２Ｄ－Ｃ／Ｃ的分层,基体含量低,ＩＬＳＳ低,难以抵抗热应力而发生分层。最终２Ｄ－Ｃ／Ｃ的ＩＬＳＳ在１３－１６ＭＰａ之间,拉伸强度在１３０－１８０ＭＰａ之间,拉伸模量在６８－     

炭/炭复合材料表面预炭层的制备及其性能研究

为在炭/炭复合材料表面制备C/SiC浓度梯度高温抗氧化涂层,预先用料浆涂刷-高温处理工艺在其表面制备了预炭层.借助XRD、Raman和SEM等测试手段对所制备预炭层的组织结构和微观形貌进行了表征,讨论了不同的原料配比和炭化温度对预炭层结构的影响,并对预炭层与基体的结合性能进行了测定.研究结果表明：制备的预炭层结构致密,与基体具有较好的结合性能,其结合强度可达10.95MPa.不同的原料配比和炭化温度影响了炭层序态结构的形成,最终形成了不同结构的预炭层.     

两种炭材料的载流摩擦磨损性能比较

以两种炭材料作为销试样,用铬青铜作为盘试样,在HST-100摩擦磨损实验机上比较了两种炭材料的载流摩擦磨损性能.结果表明:炭/炭复合材料的载流摩擦磨损性能受速率、载荷和电流的影响较小,而浸金属炭材料的载流摩擦磨损性能受速率、载荷和电流的影响较大.炭/炭复合材料的摩擦因数和磨损率显著低于浸金属炭材料,具有更优的载流摩擦磨损性能.     

炭/炭复合材料新型热梯度制备工艺

对传统的热梯度化学气相渗透工艺进行了改进.把高热导率(55W/(m·℃))的48k炭纤维束穿入针刺炭毡预制体中心.利用炭纤维束和炭毡预制体热导率(0.15W/(m·℃))的差异,在预制体内部产生热梯度.在900℃～1200℃下,天然气首先在预制体中心的48k炭纤维处热解,致密化沿径向由中心向外部推进,67 h后材料的密度达1.778 g/cm3.研究了炉内输入电压、电阻、致密化时间、沉积层位置等工艺参数对材料性能的影响.通过偏光显微镜和扫描电子显微镜研究了基体热解碳的微观结构,并对炭纤维体积含量为10%的炭/炭试样进行了烧蚀性能测试.     

炭/炭复合材料摩擦性能与摩擦表面状态的关系

金相显微分析炭/炭复合材料试样的热解炭结构,测试不同试样的硬度和石墨化度值,在国产MM-1000型摩擦试验机上,进行模拟飞机正常刹车试验,通过扫描电镜(SEM)对摩擦后的表面及磨屑进行形貌观察,傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)定性地分析表面的摩擦膜,研究摩擦性能与摩擦表面状态的联系.结果表明:经过1600℃热处理后,炭/炭复合材料无法获得良好的摩擦磨损性能,碳微晶结构的缺陷和表面膜的不完整性,导致了明显的氧化及吸附的产生.2650℃热处理后,粗糙层(RL)结构热解炭具有更好的延展性,易于形成连续致密的具有自润滑效应的摩擦膜,但是更大程度上,增大了摩擦过程中的有效接触面积,碳结构的完整性及表面膜的实体完整性提高,与A试环相比具有较好的摩擦磨损性能;采用树脂炭补增密技术的双元炭基体试环,摩擦膜实体完整连续性得到进一步提高,对应了更少的氧化及吸附,表现出最佳的摩擦磨损性能.     

反应温度对水热改性炭/炭复合材料抗氧化性能的影响

以磷酸、B₄C、SiC和Al₂O₃粉料为原料, 采用一种新颖的水热法对炭/炭(C/C)复合材料基体进行了抗氧化改性. 重点研究了水热反应温度对改性试样的物相组成、微观结构及抗氧化性能的影响. 采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)及X射线光电子能谱(XPS)对改性后试样进行了表征. 结果表明：经过水热改性处理, 炭/炭复合材料表面缺陷被玻璃相B₂O₃、HPO₃和微晶Al(PO₃)₃所组成的涂层所覆盖, 材料的抗氧化性能明显提高; 抗氧化性能在120～200℃范围内随着水热改性温度的升高而提高; 在200℃水热改性后的炭/炭复合材料在700℃的空气中氧化10h后的质量损失仅为2.31%.     

不同基体炭结构的炭/炭复合材料在制动过程中的温度场研究

利用有限元热分析软件仿真了三种不同基体炭结构的炭/炭复合材料在制动过程中瞬态温度场,并通过模拟制动试验进行了验证,对比仿真计算结果与实验测试结果表明:三种样品的温度场仿真结果与实验结果基本吻合,在轴向方向存在明显的温度梯度,具有树脂炭基体的样品的温度场变化与具有粗糙层热解炭基体的样品类似,但树脂炭基体的样品的最高温度及温度梯度大于粗糙层热解炭基体的样品,而光滑层热解炭基体的样品在刹车过程中的最高温度均低于粗糙层热解炭和树脂炭基体的样品,达到最高温度的速度远远落后于前两种样品,且其温度梯度最小.炭/炭复合材料在制动过程中的瞬态温度场分布与材料的摩擦磨损性能及热传导性能密切相关,制动功率大会导致材料的摩擦表面温升高,达到最高温度的时间缩短;材料的导热性能好会导致热量的传递速度加快,使温度梯度减小.     

炭布/树脂复合摩擦材料的湿式摩擦学性能

基于炭布优异的摩擦磨损性能、自润滑性能以及低密度等特点,将其应用于湿式摩擦材料中,以适应高转速、大压力或润滑不充分等极端工况.分别以1K、3K和6K碳布为增强体,制备出三种炭布/树脂复合摩擦材料,研究了其湿式摩擦学性能.结果表明:随着纤维束内单丝数量的增加,摩擦材料的瞬时制动稳定性降低,动摩擦系数减小,但是耐磨性能提高.所有摩擦材料的磨损率小于1.10×10-5 mm3/J,表现出较好的耐磨性能,并且对偶材料的磨损率很小,仅为0.40×10-5 mm3/J.磨损主要表现为纤维断裂、拔出及树脂脱粘等形式,但是在磨损表面没有形成大尺寸磨屑和明显的“第三体”磨粒,导致摩擦材料和对偶材料的磨损率较小.     

致密工艺对炭布增强2D-C/C复合材料力学性能的影响

研究了液相浸渍及化学气相法致密工艺对二维炭/炭(2D-C/ C)复合材料力学性能的影响,尤其是对层间剪切强度(ILSS)的影响.结果表明液相浸渍法增密周期短且致密效果好,但材料强度不高;而化学气相沉积(CVD)致密周期长,但材料层剪强度高;采用两种工艺联合致密,材料界面结合强度适中,且层剪强度高.     

等离子喷涂炭/炭复合材料Cr-Al-Si涂层显微结构及高温抗氧化性能

采用等离子喷涂法在涂覆SiC内涂层的炭/炭复合材料表面制备了Cr-Al-Si外涂层。采用XRD和SEM分析了涂层的物相组成及微观结构, 并测试了复合涂层炭/炭复合材料试样在1500℃静态空气中的抗氧化性能。结果表明: 合金外涂层主要由Al_3.21Si_0.47、 Cr₃Si及Al₂O₃组成, 厚度约为120μm, 无穿透性裂纹; 多孔结构单一β-SiC内涂层的防氧化能力较差, 氧化10h后涂层试样的氧化失重就接近10%, 外加Cr-Al-Si涂层后, 涂层试样的氧化性能显著提高, 氧化61 h后试样的失重仅为5.3%。