航空刹车用C／C复合材料断口分析

利用SEM断口形貌分析了现役航空刹车用C／C复合材料的结构和界面结合状况，探讨了其断裂机理，分析了化学气相沉积炭的沉积机理。结果表明：C／C复合材料的断裂以“弱界面断裂”为主，裂纹优先在基体炭、炭布层间或长纤维束和短纤维间的弱界面等薄弱环节处产生。当裂纹尖端扩展到基体炭中的微裂纹处时，裂纹扩展转向；当裂纹扩展到纤维时，取道纤维与基体炭间弱界面层向前扩展，纤维经历与基体炭脱粘、弯曲、拔出、断裂等过程，导致整个材料断裂。航空刹车用C／C复合材料中的CVD炭以粗糙层状结构为主，CVD过程包括碳氢气体热解、成核、炭化、沉积生长等过程，其中，成核以物理成核为主。图2，表1，参16。     

微正压ICVI制备C／C复合材料的工艺探索

研究了反应气体浓度对微正压等温化学气相沉积制备的C／C复合材料密度和显微结构的影响，结果表明：在微正压和900℃的沉积条件下，用丙烯作为碳源、针刺毡作为预制体，氮气与丙烯的气体流量比为25：1，经过105h沉积后，C／C复合材料的密度达到1．52g／cm^3；通过偏光显微镜观察分析发现试样外部除了围绕在炭纤维周围的光滑层外，还沉积了大量的再生结构热解炭，试样内部主要以光滑层结构为主．图7，参12．     

基体炭结构对炭 炭复合材料的界面结合强度的影响

借助金相、透射电镜技术比较了4种典型的炭/炭复合材料的微观结构, 采用单纤维顶出法测定了炭/炭复合材料中的炭纤维/基体炭界面强度, 研究了基体炭结构对界面强度的影响。结果表明:基体炭的结构和类型影响炭纤维/基体炭间的界面强度, 粗糙层热解炭与炭纤维间的界面强度比光滑层热解炭的高, 而树脂炭和沥青炭由于与炭纤维间存在化学键合, 因而界面强度较高。     

高温热处理和不同基体炭对C/C多孔体熔融渗硅行为的影响

以针刺整体毡为坯体，采用化学气相沉积(CVD)和树脂浸渍／炭化方法(IC)制成C/C多孔体，然后熔融渗硅(MSI)制备了C/C-SiC复合材料，研究了高温热处理(HTP)和不同基体炭对多孔体熔融渗硅行为的影响，并探讨了高温热处理树脂炭对SiC生成量的影响。研究表明：利用CVD→IC混合工艺制备的C/C多孔体，渗硅前高温热处理较炭化的更有利于液硅的渗入；高温热处理使得树脂炭的孔比表面积增加，从而反应生成SiC也多；与热解炭或最后热解炭增密的C／C多孔体相比，树脂炭或最后树脂炭增密的更有利于液硅的渗入。     

CVD炭/炭刹车材料制备工艺和微观结构研究

用炭毡作为纤维增强体 ,设计特殊的导电发热层 ,采用多元耦合物理场CVD工艺 ,在自行设计的CVD炉中增密用于刹车材料的C/C复合材料 ,并就CVD沉积条件和石墨化热处理温度对C/C复合材料微观结构的影响进行了研究。对沉积炭的组织结构进行了观察和分析 ;对C/C刹车材料的石墨化度 g和石墨微晶尺寸Lc进行了量化分析。研究表明 :较高的沉积温度和较低的压力 ,有利于材料的组织结构由光滑层 (SL)向粗糙层 (RL)结构转变 ,材料的可石墨化能力和微晶尺寸呈升高趋势 ;随石墨化热处理温度的升高 ,材料的石墨化度和微晶尺寸呈升高趋势 ,但粗糙层组织结构升高的幅度远大于光滑层。     

化学气相渗透法制备炭/炭复合材料的显微结构 和力学性能研究

以天然气为碳源, 氢气为载气, 采用等温化学气相渗透工艺对预制体初始密度为0.5 g/cm³ (纤维体积分数为28%)的针刺整体毡进行致密化, 在70 h内制备出表观密度为1.76 g/cm³的炭/炭复合材料。采用压汞法对复合材料的开孔孔径分布进行了分析, 用偏光显微镜和扫描电镜观察了基体的微观组织, 分析了三点抗弯试样的断口形貌。结果表明, 复合材料中的开孔以小于40 μm的微孔为主, 基体热解炭几乎全部由粗糙层热解炭组成, 仅在化学气相渗透的初始阶段在炭纤维的表面形成了很薄的一层各向同性热解炭, 复合材料的抗弯强度达到210 MPa。     

P_yC/SiC/TaC界面对三维细编C_f/C复合材料力学性能的影响

采用等温气相沉积方法制备了一种含PyC/SiC/TaC界面的炭/炭复合材料,采用偏光显微镜、X射线衍射和扫描电镜分析了材料的结构和断裂特点,采用单轴拉伸和三点弯曲方法研究了PyC/SiC/TaC界面对炭/炭复合材料力学性能的影响。金相和XRD表明热解炭界面是各向同性炭,TaC界面是NaCl型立方结构,SiC的结构以立方β-SiC为主,有少量的10H-SiC结构。TaC/SiC纤维界面能显著提高复合材料的拉伸、弯曲性能以及Z向压缩性能。整体密度为1.89 g/cm3时,含界面炭/炭材料的抗弯强度达375 MPa,约为无界面材料的4倍,同时材料整体密度的增加也能显著改善其力学性能。分析表明材料总体呈非线性脆断,有一定的假塑性行为。压缩载荷作用下Z向和XY向都为与受力方向成45°的剪切型破坏。     

石墨化度对炭/炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损性能的影响

将炭布叠层的炭纤维预制件通过化学气相沉积增密后分别在2 000、2 150、2 300 ℃进行高温热处理得到3 种不同石墨化度的炭/炭复合材料, 采用MM-1000 摩擦试验机对这3 种炭/炭复合材料进行不同速度下的摩擦磨损性能试验, 并对磨损表面及磨屑进行SEM 观察, 结果表明:低速时材料的摩擦系数均很小;刹车速度为10 m/s 时, 石墨化度对材料的摩擦系数影响显著, 石墨化度越高, 材料的摩擦系数越大, 石墨化度低的样件A 摩擦表面形成薄且光滑的磨屑层, 而石墨化度高的样件C 摩擦表面形成厚的、粗糙的磨屑层;刹车速度大于20 m/s 时, 石墨化度对材料摩擦系数的影响变小, 3 种材料摩擦表面均形成较为平滑的磨屑层。石墨化度的高低显著影响材料高速时的磨损, 石墨化度升高到一定值时能显著降低材料高速时的磨损, 继续升高石墨化度, 磨损变化不大,高速时石墨化度低的样件A 氧化严重。综合考虑摩擦磨损性能, 该粗糙层结构的炭/炭复合材料石墨化度控制在45 %为宜。     

炭纤维针刺整体毡/热解炭复合材料导热系数与石墨化度之间的关系

采用脉冲激光闪光法测量热扩散率，XRD测量石墨化度。研究了PAN基炭纤维针刺整体毡增强光滑层结构热解炭复合材料的导热系数与石墨化度之间的关系，建立了二者之间的定量数学模型。运用声子导热机制对导热变化机理进行了分析。随着石墨化度的升高，石墨微晶尺寸增大、结构渐趋完整，复合材料在平行于层面方向的室温导热系数逐渐升高，导热系数λ与石墨化度g之间关系符合公式：λ=0.64 4.93exp(g/21.94)。     

工艺条件对C/C复合材料可石墨化性的影响

用炭毡作为纤维增强体，采用多元耦合物理场CVI工艺，在自行设计的CVI炉中增密C／C复合材料，对CVI沉积条件(温度、压力、气体流速、毡体密度、碳源)和石墨化热处理温度对C／C复合材料XRD结构参数(石墨化度g和石墨微晶尺寸Lc)的影响进行了研究。结果表明，采用本工艺制备C／C复合材料，经过工艺优化，材料经过2300℃、2h的石墨化处理，其石墨化度可达到77％以上；并且发现，较高的沉积温度、较低的压力、较大的气流速度、较大密度的毡体有利于C／C复合材料晶体有序度的提高；其次，采用石油液化气(LPG)作碳源时样品的晶体有序度比丙稀(GH6)作碳源时稍高；石墨化热处理可进一步提高材料的石墨化度，升高的幅度和组织结构密切相关，提高材料石墨化度的关键环节是CVI工艺条件。     

炭／炭复合材料可石墨化性能的研究

采用XRD法测量和表征石墨化度，以数种结构组成各异的二维或准二维现役航空刹车用炭／炭复合材料为对象，研究了石墨化度随石墨化处理温度的变化规律，推算出了材料的最终石墨化处理温度，并从材料的结构组成方面对其可石墨化性能特征进行了分析、比较。结果表明：在石墨化度－石墨化处理温度关系曲线上，按温度划分，存在着两个明显不同的区段；近似于直线的快速升高段（AB段）和高温时近似于水平线的缓慢升高段（CD段）。当基体中含有沥青或树脂浸渍炭时，材料的最终石墨化处理温度大多处于AB段，温度为2000－2200℃之间；当基本全部为CVD炭时，材料的最终石墨化处理温度大多处于CD段，温度可能超过2800℃。本所研究的复合材料中的CVD炭的结构皆为RL结构。     

航空刹车用C/C 复合材料坯体结构的研究

为了探索降低航空刹车用C/C 复合材料成本、提高性能的有效方法, 对现役国外航空刹车用C/ C 复合材料的部分力学性能和热导率进行测试, 并利用金相显微镜对其坯体结构进行观察分析, 在此基础上, 自制了一种针刺整体毡, 进行CVD 增密, 并与炭布叠层坯体的结果对比。结果表明:国外航空刹车用C/C 材料的层间剪切强度和垂直方向热导率比较高, 坯体趋向于使用针刺毡;针刺整体毡由无纬布和网胎交替叠层, 经针刺而成, 这种结构具有孔隙分布均匀、气体扩散通道多、Z 向纤维含量高的特点, 为CVD增密创造了良好条件;自制针刺整体毡坯体经700 h CVD 增密, 小样密度可达1.81 g/cm³, 大样密度达1.75 g/ cm³, 且能继续增密, 与炭布叠层坯体相比, 采用针刺整体毡可显著缩短CVD 周期。     

碳纤维增强铜基自润滑复合材料的摩擦磨损性能研究

采用无压熔渗工艺制备了碳纤维增强铜基自润滑复合材料。采用偏光显微镜和扫描电镜观察了材料的组织形貌,研究了热解碳含量对材料物理性能的影响,并探讨了往复运动模式下材料的摩擦磨损性能及磨损机制。研究结果表明:含钛锡青铜熔融合金液体可充分渗入碳纤维多孔预制体中,复合材料成分均匀;随热解碳体积含量增加,复合材料密度、硬度及摩擦系数减小,磨损率升高;材料表面摩擦膜的形成和脱落是造成复合材料磨损加剧的原因;碳纤维增强铜基自润滑复合材料在往复运动模式下的摩擦磨损机制主要为磨粒磨损并伴随氧化磨损。     

胶基电敏传感元件大变形拉伸试验研究

对自行研制的掺入短切碳纤维导电填料的胶基电敏传感元件进行拉伸试验,分析了传感材料的应力-应变关系、电阻-应变关系、敏感性及传感导电机理。在此基础上,采用碳纤维胶基电敏传感元件进行了土工加筋带大变形测试试验。研究结果表明：采用碳纤维胶基电敏复合材料制作的传感元件具有测试土工筋带等结构和材料大变形的可行性。     

综放工作面沿空巷道围岩破断机理及支护技术研究

针对综放工作面沿空巷道超前段变形严重、支护困难的问题，理论分析了综放沿空巷道上覆岩层断裂结构模式，结合段王煤矿090510工作面的地质条件，确定了沿空轨道巷合理的掘巷位置|采用数值模拟对090510轨道巷在采动作用下的塑性区分布以及应力分布情况进行了分析，得到了轨道巷在回采过程中超前段的主要破坏特征，并探讨了巷道围岩变形机理|提出利用补强机理，采用补打锚索结合超前液压支架对超前段加强巷内支护的方案。现场实践表明：超前段围岩变形较小，有利于实现高产高效且保障了工作面安全生产，为综放工作面超前支护技术提供了示范和参考。     

深部顶板夹煤层巷道围岩变形破坏机制及控制

深部矿山顶板夹煤层巷道顶板围岩变形破坏严重,控制难度大。现场探测发现此类巷道围岩具有独特的二分区破裂模式,存在相对独立的巷道周圈松动破裂区和夹煤层界面离层破裂区。建立计算模型,研究了夹煤层厚度、位置和分岔巷道岩柱宽度3个因素对巷道关键点位移、塑性区、非对称变形的影响规律,分析了围岩变形破坏机制：夹煤层界面离层破裂区的发展,造成围岩自承结构的失效和自承能力的丧失,破裂区超过支护体系控制范围,最终导致围岩破坏失稳。提出了“内修+外控”的以注为主的非对称联合控制对策,现场试验显示取得了较好效果。