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.     

动态载荷下C/C复合材料的压缩破坏行为

利用电子万能试验机以及Split Hopkinson Compressive Bar(SHPB)测试了2DC/C复合材料在准静态、动态载荷下的压缩性能,结合光学显微镜分析了其在不同应变率下的破坏形貌、讨论了应变率对压缩破坏形貌的影响。结果表明:与准静态(10-4/s)相比,动态载荷下(5×102/s)复合材料的压缩强度提高了55%,压缩刚度提高了66%,具有较强的应变率效应;在准静态载荷下,C/C复合材料沿40°角剪切破坏,断口上炭纤维破坏具有溃散及剪切破坏特征,而在动态载荷下,C/C复合材料破坏成大小不一的碎片,其炭纤维破坏具有劈裂特征。C/C复合材料破坏模式的不同可归结为基体及界面强度的应变率效应。     

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

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。     

三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为研究

通过研究三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为,发现应力-应变行为包括起始段的非线性滞弹性、线弹性、非线性损伤及应力下降失效4个阶段,循环加载-卸载实验表明线弹性阶段应力-应变行为的重复性好,而非线性损伤阶段则与加载历程有关。面内压缩失效主要是端部分层脱粘和分层劈裂,受纤维/基体界面结合强度影响较大。     

C/C复合材料销钉准静态和动态剪切性能

根据复合材料销钉剪切试验的需要,设计剪切试验装置。利用电子万能试验机和落槌冲击试验系统完成C/C复合材料销钉在准静态和动态加载工况下的面内剪切力学性能试验,并通过SEM试验系统分析其剪切失效模式和失效机制。结果表明:C/C复合材料销钉抗剪切强度具有明显的应变率效应,随着加载速率的增加,其抗剪切强度显著提高;C/C复合材料在不同加载速率下失效模式不同,准静态加载工况下纤维与基体严重剥离,纤维束丧失整体承载能力,其破坏过程表现出“伪塑性”失效特征;动态加载工况下纤维与基体未发生明显剥离,纤维束整体承载,其破坏过程表现为“脆性”失效特征。C/C复合材料在不同加载速率下剪切失效模式的不同可归结为内部缺陷扩展的应变率效应。      

细编穿刺C/C 复合材料不同层次界面特性研究

针对细编穿刺C/C 复合材料中单丝/碳基体和纤维束/碳基体不同层次界面结构特性, 分别设计、建立了表征这两个层次界面结合性能的原位顶出仪, 并将界面结合性能与C/C 复合材料层间剪切强度测试进行了比较。利用该原位技术, 研究了不同工艺参数条件下C/C 复合材料这两个层次界面结合性能的关系, 并讨论了它们对C/C 复合材料拉伸强度的影响。表明: 本文中所建立的单纤维和整束纤维顶出技术可用于定量表征C/C 复合材料的不同层次界面粘合性能。不同层次界面结合状态在一定程度上对材料宏观力学性能的影响是不同的。     

整体毡碳/碳复合材料的高温剪切性能研究

运用双槽口剪切试验方法测试了碳纤维增强碳基复合材料(C/C)在室温、700℃、1000℃、1400℃下的剪切强度,并用扫描电子显微镜(SEM)观察了材料的原始组织形貌和断口微观形貌。结果表明:材料的剪切强度在一定范围内随温度的升高而增加,材料Z向的剪切强度优于XY向。通过SEM观察分析可知,材料XY向和Z向纤维的含量明显不同;室温下,C/C复合材料的破坏形式有纤维拔出及断裂,而高温下,失效形式主要为纤维的拔出、纤维/基体界面脱粘等。     

三维正交机织复合材料厚向压缩性能试验研究

采用方柱形试样对UHMWPE/乙烯基酯三维正交机织复合材料进行了压缩试验。研究了该类材料的厚向压缩强度和压缩模量与z向增强纤维细度的关系,并讨论了材料的压缩破坏失效模式。结果表明:z向增强纤维细度的增加导致材料厚向压缩性能的下降。降低z向增强纤维束的细度,有利于提高材料厚向抗压性能。三维正交机织复合材料的压缩破坏具有塑性特征。三维正交机织复合材料主要的破坏模式是z向纤维在试样表面的应力集中、纤维束的剥离和剪切破坏。     

C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备及性能的影响

以准三维针刺碳纤维预制体,经化学气相渗透(CVI)法制备了4种密度的C/C多孔体,利用先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备和最终性能的影响。结果表明:C/C多孔体密度越低,最终得到的C/C-SiC复合材料开孔隙率及SiC含量较高。SiC的存在使C/C-SiC材料具有较高的弯曲强度,纤维和基体界面也是影响弯曲强度的关键因素,其中密度为1.35g/cm3的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料纤维和基体之间形成较好的结合界面,其弯曲强度最大。同时,SiC含量增加可显著提高C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。     

不同预制体结构炭/炭复合材料烧蚀性能

采用电弧驻点烧蚀实验方法, 测试了分别以细编穿刺毡和针刺无纬布整体毡为增强体的2种C/C复合材料的烧蚀率, 并用电子扫描显微镜观察了烧蚀表面形貌。结果表明: C/C复合材料的烧蚀由化学烧蚀和机械剥蚀共同控制, 以机械剥蚀为主; 细编穿刺毡结构C/C复合材料由于Z向纤维束的存在, 加速了材料烧蚀表面粗糙度的变化, 烧蚀率略高于针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料; 针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料中无纬布层与烧蚀气流垂直, 具有良好的烧蚀性能。      

一维高导热C/C复合材料的制备研究

以三种沥青作为基体前驱体, 实验室自制的AR中间相沥青基纤维为增强体, 通过500℃热压成型, 随后经炭化和石墨化处理制备出一维炭/炭(C/C)复合材料。研究了前驱体沥青种类和热处理温度对复合材料导热性能的影响, 并采用扫描电子显微镜和偏光显微镜对其石墨化样品的形貌和微观结构进行表征。结果表明; C/C复合材料在沿纤维轴向的室温热扩散系数和导热率均随热处理温度的升高而逐渐增大; 由AR沥青作为基体前驱体所制备的C/C复合材料具有更加明显的沿纤维轴向取向的石墨层状结构以及最好的导热性能, 其3000℃石墨化样品沿纤维轴向的室温热扩散系数和导热率分别达到594.5 mm²/s和734.4 W/(m·K)。     

碳毡及编织结构碳/碳复合材料常温力学性能研究

为研究两种不同预制体增强的碳/碳(C/C)复合材料的损伤破坏机制差别,将为该材料应用于结构件提供依据,对碳毡及2.5D编织结构增强的C/C复合材料的常温弯曲、剪切、压缩性能进行了测试,并用扫描电镜观察其断面形貌,对C/C复合材料在静态载荷下的力学性能及损伤破坏行为进行研究,探讨有关因素对材料性能和损伤破坏的影响.研究结果表明:两种不同增强体的C/C复合材料的断裂机理存在很大差异,且密度对C/C复合材料的常温力学性能有较大的影响.     

微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜以及力学性能测试研究了微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响. 结果表明: 基体炭在偏光显微镜下呈现出光学各向异性, 在SEM和TEM下呈片层条带状结构. 基体炭与纤维之间的界面不连续, 为“裂纹型”界面. 材料受载破坏时裂纹通过改变扩展路径而延缓其扩展速度, 在纤维-基体界面处以及基体炭层片之间引起滑移, 在断口形貌上体现出断裂台阶适中且与纤维拔出交替进行, 表现出韧性破坏的断裂特征. 材料具有较高的力学性能, 抗弯强度达到257MPa, 断裂韧性达到11.4MPa·m ^1/2.     

真空吸浆法制备C/SiC复合材料及力学性能研究

以碳毡为预制体,将SiC粉末、酚醛树脂等搅拌成混合浆液,采用真空吸浆法制备C/SiC复合材料,测定其密度、孔隙率和力学强度,利用扫描电镜(SEM)研究其断裂面的微观结构并分析失效机制。结果表明:真空吸浆两次后C/SiC复合材料的致密性、力学强度随着浆料中SiC含量的增加均呈先增加后减小的变化趋势,其裂纹扩展过程包括纤维/基体脱粘、纤维桥连、纤维摩阻、裂纹偏转、纤维拔出等几种增韧增强机制。综合比较,当浆料中SiC含量为25%(质量分数)时,其致密性和力学性能最好,密度为1.31g/cm3,孔隙率为15.10%,抗弯强度和抗压强度分别达84.04MPa和74.22MPa,材料具有较好的韧性。     

Tensile Properties and Failure Mechanism of a New 3D Nonorthogonal Woven Composite Material

Tensile properties and failure mechanism of a newly developed three-dimensional (3D) woven composite material named 3D nonorthogonal woven composite are investigated in this paper. The microstructure of the composite is studied and the tensile properties are obtained by quasi-static tensile tests. The failure mechanism of specimen is discussed based on observation of the fracture surfaces via electron microscope. It is found that the specimens always split along the oblique yarns and produce typical v-shaped fracture surfaces. The representative volume cell (RVC) is established based on the microstructure. A finite element analysis is conducted with periodical boundary conditions. The finite element simulation results agree well with the experimental data. By analyzing deformation and stress distribution under different loading conditions, it is demonstrated that finite element model based on RVC is valid in predicting tensile properties of 3D nonorthogonal woven composites. Stress distribution shows that the oblique yarns and warp yarns oriented along the x direction carry primary load under x tension and that warp yarns bear primary load under y tension.     

多向细编碳/碳复合材料界面力学性能测试与表征

本文用自制装置研究了多向细编C/C复合材料纤维束性能,分析了工艺过程的影响。同时用界面微脱粘实验技术研究了C/C复合材料界面性能,给出了相应的理论模型和界面应力分布,提出了由界面脱粘力,纤维、基体和复合材料性能表征界面剪切强度的方法,为C/C复合材料优化设计提供了定量参数。结果表明:织物结构、织物编织工艺以及织物/基体复合对纤维的强度影响很大,降为原始纤维的20%左右,对模量影响小。不同界面层次,纤维/基体的界面结合情况和界面剪切强度不同,Z向纤维束中纤维/基体结合好,具有最高的结合强度,SEM观察证实有大量基体碳在纤维上枝联。     

三维机织碳/碳复合材料双轴压缩载荷下的力学行为

基于三维机织碳/碳复合材料的细观结构特征, 设计平板十字形试样, 在材料双轴力学性能试验机上开展了复合材料单轴、 双轴加载压缩试验, 对比分析了三维机织碳/碳复合材料在双轴压缩载荷下的力学行为。研究表明: 三维机织碳/碳复合材料的压缩行为表现为非线性、 脆性断裂; 双轴载荷作用下非线性特征更为显著, 压缩模量随应力的增加而增大, 强度与模量相较于单轴有较大幅度增加, 双轴压缩载荷作用下材料的强化效应显著; 试样破坏位置并未出现在试样中心区, 而是发生在试样的加载端部或十字形试样的加载分枝根部, 主要表现为基体开裂、 纤维断裂和层间脱粘, 碳布及其层间界面剪切强度的强弱直接影响材料的压缩强度。     

FLiNaK熔盐浸渗对2D C/C复合材料力学性能的影响

在650℃不同压力下将熔融的LiF-NaF-KF盐(46.5%-11.5%-42.0%，摩尔分数，FLiNaK)浸渗入2D C/C复合材料中，测试2D C/C复合材料的增重率、密度和力学性能的变化并用X射线断层扫描(X-ray CT)和扫描电子显微镜(SEM)观察FLiNaK熔盐的分布，研究了FLiNaK熔盐浸渗对2D C/C复合材料力学性能的影响。结果表明，FLiNaK熔盐分布在2D C/C复合材料开放的孔隙中、纤维束中和相邻层的裂缝中；随着浸渗压力的提高2D C/C复合材料的增重率增大、压缩强度和弯曲强度提高。FLiNaK熔盐浸渗产生的“二次增密”作用和2D C/C复合材料中残余应力的耦合效应，使其力学性能提高。     

三维编织碳复合材料的制备及其力学性能研究

采用真空辅助RTM工艺制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C3D/EP)复合材料,通过对树脂的粘度特性和固化特性的分析,确定了最佳的工艺参数.金相显微镜对复合材料微观结构的观察表明树脂对纤维的浸润良好.同时,还研究了该工艺制备的C3D/EP复合材料的力学性能,结果表明随着纤维体积比的增加,复合材料的硬度、弯曲强度和冲击强度均提高,断口的扫描电镜观察表明复合材料的破坏方式是以脆性断裂为主.