C/C复合材料的疲劳性能及损伤研究现状

碳/碳复合材料作为理想的高温结构材料,在服役过程中不可避免地涉及疲劳加载的情况,其疲劳行为的研究具有十分重要的意义.通过对近年来C/C复合材料疲劳行为的研究情况进行的综述,总结出了疲劳特点以及疲劳过程中材料微观结构的变化特点.并在此基础上,对今后的研究工作发表了一些看法.     

C/C复合材料孔隙分形表征与弯曲强度计算

采用热梯度化学气相渗透工艺(TCVI)制备了11组不同表观密度的热解碳基C/C复合材料,从每组C/C复合材料上分别截取4个试样进行弯曲强度实验。采用偏光显微镜(PLM)分析了材料的孔隙结构,并利用计盒法求出了图像中孔隙的分形维数。在此基础上利用分形理论表征C/C复合材料的孔隙结构,建立了相同增强预制体及致密化方法制备的C/C复合材料的弯曲强度分形计算模型。计算结果与实验值吻合较好,表明本研究提出的模型具有可行性。     

循环加载周期对二维C/C复合材料弯曲疲劳强度的影响

采用频率为10 Hz、 应力比为0.1的正弦波研究了室温下循环次数对二维炭毡C/C复合材料(2D炭毡C/C复合材料)的弯曲疲劳强度的影响, 并利用偏光显微镜和扫描电子显微镜对该材料的热解碳组织形貌以及疲劳前后的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明, 2D炭毡C/C复合材料的热解碳结构由光滑层和各向同性层组成, 其疲劳极限为76.5 MPa, 是静态弯曲强度的90%。在不同循环周次的疲劳载荷作用后, 材料的剩余弯曲强度和韧性都得到了提高。在疲劳加载过程中, 纤维/基体的界面结合强度发生弱化, 纤维的协同承载能力得到提高, 使C/C复合材料出现了疲劳强化现象。      

碳/碳复合材料密封性能分析

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,本文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作航天动密封材料.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以及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会产生很大的影响.     

C/C复合材料的无损检测研究

C/C复合材料综合了碳材料优良的高温性能和复合材料优异的力学性能,它既可以作为功能材料,又可以作为高温结构材料使用,是目前唯一可用于2800℃高温的复合材料.无损检测是材料质量与安全保证的可靠手段,作为新型的结构材料,C/C复合材料的无损检测研究具有十分重要的意义.介绍了近年来有关C/C复合材料的无损检测研究的进展情况,并评价了可供C/C复合材料使用的无损检测技术.     

国内外C/C复合材料疲劳性能的研究进展

主要介绍了近年来国内外C/C复合材料疲劳性能的研究进展,并根据疲劳载荷类型系统地总结了C/C复合材料疲劳性能的主要研究方法,归纳出C/C复合材料疲劳损伤的主要特点,即多种损伤形式、高的疲劳极限、剩余强度增加以及实验测试数据分散性大。在此基础上,提出了进一步研究C/C复合材料的疲劳性能值得关注的课题。     

密度梯度变化预制体对C/C复合材料结构和力学性能的影响

针对常用恒密度预制体在C/C复合材料制备过程中容易表面孔隙堵塞现象,沿着厚度方向将预制体设计成密度梯度变化,并通过化学气相渗透法制备C/C复合材料。研究了密度梯度变化的预制体结构对C/C复合材料的结构和弯曲力学性能的影响。结果表明:变密度预制体改变了碳纤维在预制体内的分布,导致C/C复合材料内部孔隙结构的变化,形成了细小的闭孔,从而提高了C/C复合材料的力学性能。     

三向正交预制体织造参数对C/C复合材料性能的影响

以Z向间距不同的三向正交结构预制体为研究对象,采用化学气相渗透和浸渍树脂相结合的工艺制备碳/碳(C/C)复合材料,研究织造参数对C/C复合材料微观结构和弯曲性能的影响。以三向正交预制体最小的重复结构为单元建立计算模型,获得三向正交预制体纤维含量与织造参数的关系式并进行验证,结果表明：Z向纤维间距及X,Y向纤维层间距越小,预制体纤维含量越高;Z向纤维间距越大,纤维交织处扭曲变形大,预制体孔隙结构发生变化;相同致密化工艺下,孔隙结构的变化影响C/C复合材料中基体碳的组成和分布,对基体碳形貌无影响;X,Y向纤维含量越高,Z向纤维间距越小,致密后的C/C复合材料弯曲强度越高。     

增强毡C/C复合材料的结构和性能

设计了两种不同结构的预制体,即碳布 碳毡(1#预制体)、无纬布 碳毡(2#预制体),经化学气相沉积(CVD)与浸渍树脂相结合的致密化工艺制备出了高密度的增强毡C/C复合材料.结果表明:1#、2#预制体制备的C/C材料表现出了良好的力学性能,其拉伸强度分别达61.25MPa和53.12MPa,其中2#材料的拉伸破坏表现出了假塑性.结合材料的微观形貌研究了预制体结构、界面对C/C复合材料拉伸性能的影响.     

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.     

混合前驱体制备高织构三维C/C复合材料的微观结构及疲劳行为

以乙醇和甲烷为前驱体,采用化学气相渗透工艺制备了三维五向编织C/C复合材料。利用偏光显微技术分析了复合材料的微观结构,考察了复合材料的静态弯曲性能和疲劳行为,研究了不同循环加载周期对复合材料弯曲强度和力学行为的影响。结果表明:采用混合前驱体可成功制备高织构3DC/C复合材料,材料的平均弯曲强度为379.2 MPa,其疲劳极限为静态弯曲载荷的80.3%。加载循环应力后, C/C复合材料的弯曲强度在不同周次均有所提升,循环105周后弯曲强度的增幅达16.8%。材料弯曲承载时的"屈服区"随着循环次数的增加出现先增大后减小的变化趋势,这与材料疲劳过程中纤维与基体、基体与基体的结合状态有关。     

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究; 对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型, 建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示: 单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右, 在70.0%应力水平的疲劳载荷下, 面内剪切刚度退化最大可达30%左右; 三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高; 随着疲劳循环加载数的增加, 三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。      

短纤维增强C/C-SiC复合材料的微观结构与力学性能EI北大核心CSCD

综合原料的热物理性能分析和配比设计,实现了C/C复合材料载体孔隙体积的精细控制,采用热压-熔渗两步法在低温条件下制备了具有高致密、低残余Si含量特征的短碳纤维增强C/C-SiC复合材料。系统解析了C/C-SiC复合材料成型过程中的结构演变行为,研究了短纤维增强C/C-SiC复合材料的力学性能和失效机制。结果表明:多孔C/C复合材料载体孔隙的孔径呈双极分布特征,添加芳纶纤维可提高网络孔隙结构的连通性,具有显著的孔隙结构调控作用。SiC基体以网络骨架形态分布于C/C-SiC复合材料内部,与纤维束形成了强界面结合钉扎结构,高含量纤维协同作用下使C/C-SiC复合材料具有优异的综合力学性能,添加芳纶纤维可明显增加复合材料内部裂纹扩展路径,提高C/C-SiC复合材料的断裂韧性。碳纤维的面内各向同性分布及陶瓷相层间均匀分布对C/C-SiC复合材料承载、摩擦稳定性提升均具有积极作用。     

热处理对含CSiCTaCC界面C/C复合材料力学性能的影响

以准三维针刺炭纤维毡为预制体, 采用化学气相渗透工艺在预制体中炭纤维/基体炭之间制备C-SiC-TaC-C复合界面, 利用树脂浸渍-炭化工艺对材料进一步增密, 获得含C-SiC-TaC-C界面的C/C复合材料。研究了1400～2500℃不同温度热处理前后复合材料的微观结构和力学性能。结果表明: 热处理前, SiC-TaC界面为管状结构, 复合材料的抗弯强度为241.6 MPa, 以脆性断裂为主; 经1400～1800℃热处理后, TaC界面破坏呈颗粒状, 复合材料的平均抗弯强度下降到238.9～226.1 MPa, 其断裂方式不变, 但断裂位移由0.7 mm增至1.0 mm; 经2000～2500℃热处理后, SiC、 TaC界面均受到破坏, 复合材料平均抗弯强度急剧下降至158.7～131.8 MPa, 断裂方式由脆性断裂转变为假塑性断裂。      

熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的研究进展

综述了熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的国内外研究和应用现状,重点分析了碳纤维预制体和C/C多孔体的制备,以及熔融渗硅过程对C/C-SiC复合材料性能和结构的影响,介绍了C/C-SiC复合材料作为热结构和摩擦材料在航空航天和先进摩擦制动系统中的应用,提出了C/C-SiC复合材料制备过程中存在的问题和今后研究的重点.     

C/C复合材料表面生物活性涂层的研究进展

C/C复合材料继承了碳材料固有的生物相容性,具有优异的力学性能,尤其是其弹性模量与人骨相当,且该材料的三维多孔结构有利于细胞的进入、生长和发育,因此在骨修复和骨替代方面有较好的应用前景。但C/C复合材料亲水性能较差,且为生物惰性材料,因此改性C/C复合材料表面生物活性被广泛研究。本文综述了近年来在C/C复合材料表面制备不同生物活性涂层的研究进展,并提出存在的问题和未来展望。     

压-压疲劳加载对2D-C/C复合材料导热性能的影响

对二维编织炭/炭复合材料(2D-C/C复合材料)进行压-压疲劳试验,疲劳加载条件分别为应力水平1000 N、2000 N和3000 N,循环周次为10~4、1×10~5、3×10~5次时,并测试其疲劳加载前后试样的导热性能,研究了压-压疲劳加载对其导热性能的影响.结果表明,压-压疲劳加载没有改变2D-C/C复合材料试样的热扩散系数随温度升高而减小以及比热容随温度升高而增大的基本规律,但是压-压疲劳加载使其热导率、热扩散系数随着应力水平和循环周次的增大而降低,而其比热容的变化较小.在压-压疲劳加载过程中,2D-C/C复合材料疲劳损伤的产生和积累导致其导热性能降低.     

加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料疲劳剩余强度的影响

为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。      

C/C复合材料压缩破坏的应变率效应研究

研究了碳布叠层/碳复合材料在四种不同应变率下的压缩性能, 对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步的探讨. 研究结果表明: C/C复合材料的压缩破坏强度具有较强的应变率效应, 与准静态(10^-4/s)相比, 复合材料的动态(1.5×10²/s)压缩强度可提高70%左右; 复合材料在准静态、动态载荷下力学性能的差异可归结为纤维与基体界面特性的应变率效应以及不同应变率下破坏模式的不同.