密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70 g/cm3、1.82 g/cm3、1.89 g/cm3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能.结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低.当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高.材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势.材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数.材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大.热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82 g/cm3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力.在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计.     

致密化工艺对厚壁针刺C/C复合材料性能的影响

采用化学气相渗透(CVI)+树脂浸渍碳化法(PIC)、CVI+沥青高压浸渍碳化法(HPIC)及HPIC工艺分别制备了IR-C/C、IP-C/C以及P-C/C三种厚壁针刺C/C复合材料,研究了三种材料的热力学性能及材料内部密度均匀性。结果表明,IP-C/C材料轴向拉伸强度为24.7 MPa,IR-C/C材料轴向压缩强度达到200 MPa,而P-C/C材料轴向拉伸强度仅为7.4 MPa,相比IR-C/C材料降低了53%,相比IP-C/C材料降低了70%。复合致密化工艺制备的材料具有较低的热膨胀系数,而P-C/C材料1000℃热膨胀系数达到了3.566×10-6℃-1,是IPC/C材料的2.5倍。IP-C/C材料和P-C/C材料采用高压碳化工艺增密,材料的致密度高,密度分布均匀,导热系数高。IR-C/C材料内部密度降为14.5%,密度分布为外高内低。以CVI+HPIC复合制备的材料综合性能优异,且内部密度分布均匀,适合于制备厚壁材料。     

高温处理温度对中密度C/C复合材料性能的影响

研究了中密度(1.45～1.55g/cm3)针刺C/C复合材料分别经过1800℃、2000℃、2200℃高温处理后的热学和力学性能变化.随着处理温度的升高,材料的径向压缩强度逐渐降低,1800℃处理后材料的轴向压缩强度高于未处理试样.室温拉伸强度随处理温度的升高而增大,高温拉伸强度则随处理温度的升高而降低,未处理试样高温拉伸强度达到94.7MPa,2200℃处理后只有65.6MPa,但仍高于室温拉伸强度(50MPa左右).不同温度处理后材料的高温轴向弯曲最大载荷应变和模量趋于一致,而室温测试结果随着处理温度的升高而降低.轴向拉伸模量和延伸率随温度变化的规律性则不强.材料的轴向热膨胀系数随处理温度的升高而降低,但变化幅度不大,室温至1000℃线胀系数为(1.5～2.0)×10-6/℃.未处理试样和1800℃处理试样的径向导热系数相当,1000℃时约为11W/(m·K),2000℃和2200℃处理试样的导热系数相当,1000℃时约为15W/(m·K).与1800℃处理后薄壁构件的变形性相比,2200℃处理构件变形大,出现不等量变形现象.     

高温处理对轴棒法编织碳/碳复合材料热性能的影响

采用沥青液相浸渍-碳化法制备了轴棒法编织碳/碳(C/C)复合材料,并选择900℃、1500℃、2500℃三种温度对轴棒法编织C/C复合材料进行了高温处理,研究了高温处理对材料热膨胀系数及导热系数的影响。结果表明:随着高温处理温度的升高,轴棒法编织C/C复合材料的开孔率增大,内部裂纹增多并扩展,导致材料的热膨胀系数总体上呈现降低的趋势;另外,随高温处理温度的升高,材料晶体有序程度增加,从而使声子的平均自由程增加,导致材料的导热系数增大。     

最终热处理温度对针刺无纬布C/C复合材料性能的影响

以针刺无纬布预制体为增强体,采用化学气相渗透与沥青浸渍/高压炭化工艺制备高密度(≥1.90g/cm~3)的C/C复合材料,对完成致密的材料分别进行了900℃及1500℃的最终热处理,研究了最终热处理温度对C/C复合材料力学性能、热膨胀系数的影响。结果表明,与未处理的试样相比,经过最终热处理的试样孔隙率明显增大,热处理温度越高孔隙率越高,经过1500℃热处理的试样孔隙率达到9.05%,高出58.2%;经过最终热处理的试样力学性能及轴向热膨胀系数均下降,并且随着热处理温度的升高,轴向热膨胀系数降低越明显,经过1500℃处理的试样1000℃下轴向热膨胀系数由处理前的2.120×10-6/℃降至1.002×10-6/℃,降低幅度达53%,而力学性能总体降低幅度不是很大。     

径棒法编织C/C复合材料高温拉伸性能研究

采用化学气相沉积、沥青浸渍-高压碳化混合致密工艺向径棒法编织的预制体内引入基体碳,实现高密度(≥1.94g/cm3)炭/炭复合材料制备。利用快速通电加热测试技术,模拟C/C复合材料的高温工作环境,研究不同温度下材料的环向拉伸性能。结果表明:在2 300℃时,材料拉伸强度最大(80.3 MPa),断裂应变随着温度的升高而增加。采用扫描电镜对试样及断口形貌进行观察,发现测试温度、机加损伤及试样过渡区应力集中影响材料断裂特征。温度为1 800℃、2 300℃时材料在过渡区断裂;温度为2 800℃时,材料在标距区发生破坏,纤维与基体界面结合强度低,纤维拔出多,表现出假塑性断裂特征。     

沥青基C/C复合材料的致密效率研究

以高温煤沥青为浸渍剂,国产PAN基炭纤维编织的轴棒法预制体为增强材料,采用浸渍炭化致密工艺制备了沥青基炭/炭(C/C)复合材料,考察不同制备步骤下预制体致密效率的变化情况,并用扫描电子显微镜观察了C/C复合材料及基体炭的微观形貌。研究表明,随循环次数的增多,材料密度逐渐增大,密度增量逐渐减小;中间石墨化处理略微降低材料的密度,但材料的最终密度可大于1.90g/cm3。通过显微镜发现沥青基C/C复合材料内部在微观上仍存在少量裂纹和孔隙,基体炭的形态主要有区域型、流线型和镶嵌型。     

由炭布制备C／C复合材料工艺及性能的研究

为通过快速增密和低设备成本降低C／C复合材料的成本,采用中压浸渍、炭化多次循环的工艺制备了快速增密的C／C复合材料。该工艺以Z向增强的层叠炭布为增强体,不同软化点的中间相沥青和改性沥青为浸渍剂。考察了浸渍工艺,并研究了所得C／C复合材料的力学性能和断裂形貌。结果表明,中间相沥青及改性沥青等高残炭收率沥青是C／C复合材料极佳的浸渍剂,有利于快速增密。8次循环后（约2周时间）,复合材料的密度从0.84g/cm^3增至1.76g/cm^3。炭布层叠Z向增强的C／C复合材料有良好的力学性能,而且其性能随着密度的增加而提高。所得复合材料的密度达到1.76g/cm^3时,拉伸强度为87.03MPa,弯强为113.56MPa,压缩强度为199.49MPa。     

热处理温度对高导热3D C/C复合材料性能的影响

通过化学气相渗透和前驱体浸渍裂解复合工艺对三向碳纤维织物进行致密化,获得密度为1.95 g/cm3的高导热3D C/C复合材料.利用SEM,XRD,导热系数测试,线膨胀系数测试和三点弯曲实验,研究2350,2550,2850℃不同热处理温度对3D C/C复合材料微观形貌、结构、导热系数、线膨胀系数和弯曲性能的影响.结果表明:随着热处理温度的升高,中间相沥青基碳纤维石墨片层结构更加明显,均匀包裹在碳纤维周围的热解碳片层排列的有序度提高,且片层之间排列更加致密;3D C/C复合材料的石墨化度和导热系数提高;在测试温度250～1400℃区间,线膨胀系数随着测试温度的升高略微增大,不同热处理温度后的3D C/C复合材料线膨胀系数均在-1×10-6～2×10-6℃-1,表现出良好的"零膨胀性".此外,当热处理温度升高,3D C/C复合材料的碳纤维与基体的结合减弱,导致材料的弯曲强度和弯曲模量降低,2850℃高温热处理后的材料弯曲断裂面出现大量长纤维拔出,总体来说,3种不同热处理温度后的断裂均表现出"假塑性"断裂特征.     

树脂炭含量对C／C复合材料性能的影响

研究了密度为0.86g/cm^3的整体毡C/C坯体（CVD致密后）随着浸渍致密次数的增加,C/C复合材料的密度、开孔率、压缩强度和弯曲强度的变化规律,研究结果表明：针刺整体毡C/C复合材料随树脂8浸渍炭化致密次数的增加,密度增加值越来越小,开孔率随浸渍炭化次数增加的降低趋于缓和。随着浸渍致密C/C复合材料的密度增加,压缩强度相应增加,弯曲强度从第二次浸渍炭化后趋于稳定,同时对C/C复合材料的微观结构进行了分析。     

Preparation for 2D–C/C composites with pure RL textures and its characteristic

在沉积温度为1080--1200℃、沉积总压力为10 kPa和气体滞留时间为0.01 s的条件下, 以天然气为碳源, 以氮气为载气, 使用新型ICVI工艺对预制体初始密度为0.43 g/cm$^{3}$(纤维体积分数25%)的2D针刺整体炭毡进行致密化,
在150 h内制备出表观密度为1.75 g/cm³的C/C复合材料. 用偏光显微镜和高分辨扫描电镜观察了热解碳基体的微观组织结构, 分析了三点弯曲试样的断口形貌. 结果表明: 制备的C/C复合材料具有粗糙层(RL)组织结构, 试样的弯曲强度为164.77 MPa、模量为21.34 GPa, 表现为阶梯式失效, 断裂行为呈现出明显的假塑性.     

Mechanical properties of 3D fiber reinforced C/SiC composites

High toughness and reliable three dimensional textile carbon fiber reinforced silicon carbide composites were fabricated by chemical vapor infiltration. Mechanical properties of the composite materials were investigated under bending, shear, and impact loading. The density of the composites was 2.0–2.1 g cm⁻³ after the three dimensional carbon preform was infiltrated for 30 h. The values of flexural strength were 441 MPa at room temperature, 450 MPa at 1300°C, and 447 MPa at 1600°C. At elevated temperatures (1300 and 1600°C), the failure behavior of the composites became some brittle because of the strong interfacial bonding caused by the mis-match of thermal expansion coefficients between fiber and matrix. The shear strength was 30.5 MPa. The fracture toughness and work of fracture were as high as 20.3 MPa m^1/2 and 12.0 kJ·m⁻², respectively. The composites exhibited excellent uniformity of strength and the Weibull modulus, m, was 23.3. The value of dynamic fracture toughness was 62 kJ·m⁻² measured by Charpy impact tests.     

玻璃纤维含量对竹粉/高密度聚乙烯复合材料性能的影响

为利用玻璃纤维提高木塑复合材料的综合性能,探讨玻璃纤维含量对竹粉/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料性能的影响规律,首先,采用A-171硅烷偶联剂对竹粉表面进行了改性,并加入了一定量的玻璃纤维;然后,采用热压成型工艺制备了玻璃纤维-竹粉/HDPE复合材料;最后,考察了玻璃纤维含量对复合材料力学性能、热学性能及摩擦学性能的影响,并利用SEM观察材料的断面和磨损表面形貌。结果表明:当玻璃纤维含量为3wt%时,能显著提高竹粉/HDPE复合材料的拉伸强度和弯曲强度,与未添加玻璃纤维的复合材料相比,添加玻璃纤维后复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别提高了19.41%和23.54%;在30~60℃温度范围内,复合材料长度-宽度方向上的线膨胀系数随着玻璃纤维含量的增加而明显减小,而同一复合材料的线膨胀系数随温度的升高而逐步增大;在氮气气氛下,随玻璃纤维含量的增加,竹粉/HDPE复合材料的摩擦系数先逐渐增大,而后基本保持不变,磨损率逐渐减小。所得结论显示玻璃纤维含量为3wt%~7wt%的木塑产品适用于建筑横梁(如凉亭或桥梁等),而玻璃纤维含量为7wt%~10wt%的木塑产品适用于高人流量场所(如公园或休闲绿道等)的地面铺装。      

碳纤维/铝/环氧复合板的初步研究

本文揭示了碳纤维/铝/环氧复合板的显微结构,比重、热胀性能与碳纤维含量的关系,探讨了增强组份的表面处理、碳纤维/铝的叠层结构设计、碳纤维含量、纤维混杂对复合板力学性能的影响。试验表明:碳纤维/铝/环氧复合板具有轻质、低热胀、高强度等特点,当碳纤维增强环氧的含量为55vol%时,它的拉伸,弯曲与剪切强度达到或超过芳纶纤维或玻璃纤维/铝/环氧复合板的相应值。     

Effect of C/C preform density on microstructure and mechanical properties of C/C–SiC composites prepared by alloyed reactive melt infiltration

Abstract

Low cost C/C–SiC composites were prepared by alloyed reactive melt infiltration. Effects of the density of C/C preforms on mechanical properties and microstructure of the C/C–SiC composites are reviewed. The results show that with increasing the density of C/C preforms, the flexural strength of the resulting composites increases, while the density of the composites decreases. The flexural strength can reach 341 MPa for the composite produced from the C/C preform of 1·3 g cm^?3. The phases in the composites produced from low density C/C preforms are Si, SiC, ZrSi₂ and carbon, while no Si phase is found in the composites with high density C/C preforms. Furthermore, the mechanism of the microstructure evolution of the C/C–SiC composites is proposed.     

聚酰亚胺改性C/C复合材料的制备及性能

采用针刺成型、化学气相渗透（CVI）、真空浸渍及固化成型工艺制备了C/C-聚酰亚胺（C/C-PI）复合材料,研究了这种新型防热结构材料的弯曲性能、导热性能及热膨胀性能。结果表明:C/C-PI复合材料XY向和Z向弯曲强度分别为120.75 MPa和40.33 MPa,较C/C复合材料分别提高了17.92%和20.57%,表现出更优异的弯曲性能;C/C-PI复合材料热导率随温度变化不显著,XY向和Z向热导率均在150℃达到最大值,分别为29.88 W（m·℃）-1和9.93 W（m·℃）-1,较C/C复合材料分别降低了47.02%和56.12%;随温度升高,C/C-PI复合材料的线膨胀系数呈线性缓慢增长,数值保持低于4×10-6 K-1,尤其XY向较Z向具有更低的线膨胀系数,可满足热结构件尺寸稳定性的使用需求。      

碳纤维含量对短碳纤维-铜复合材料性能的影响

用粉末冶金法制造了碳纤维分布均匀的碳纤维一铜复合材料,测定了复合材料的力学性能和物理性能,表明在碳纤维与铜基体之间存在界面结合,碳纤维含量对复合材料性能影响极大。     

粘结MoS2基钼固体润滑膜的抗承载能力和耐速度性能研究EI

为了探讨粘结MoS2基固体润滑膜在干摩擦条件下的抗承载能力和耐速度性能,使用国产的环一块摩擦磨损试验机在干摩擦下对粘结MoS2基固体润滑膜在不同载荷和不同速度试验条件下的摩擦磨损性能进行了研究.试验结果表明:粘结MoS2基固体润滑膜的承载能力有高达2100N,在0.512～3.84m/s的滑动速度范围内具有良好的抗磨减摩性能.对转移膜的研究结果表明高载高速试验条件有利于促进对偶表面生成高质量的转移膜.粘结MoS2基固体润滑膜具有良好的抗承载能力和耐速度性能的机理应归结于在摩擦过程中对偶表面高质量转移膜的生成.