碳／碳复合材料

一、前言碳纤维增强碳基体的复合材料,在工业上通常称做碳/碳复合材料(也用符号C/C表示),人们为了提高碳和石墨的强度,以便能够利用这些材料的优良耐高温性能,即在2500℃高温下的热稳定性、抗热震性以及利用这些材料做成的高性能工程零部件而不断地研究开发C/C复合材料的。     

碳／碳复合材料的性能,制法和应用进展

碳/碳复合材料是以碳为基体的碳纤维增强材料。它是六十年代发展起来的、当今最理想的耐高温材料。这类复合材料兼备有碳的惰性和碳纤维的高强度,在高达3000℃的条件下,其他材料早已被融掉,而 C/C 复合材料依然能保持自己的强度。C/C 复合材     

抗氧化碳-碳复合材料涂层的界面研究

本文研究了碳-碳(C/C)复合材料的碳化硅抗氧化涂层系统的组成和成型工艺,给出了抗氧化性能试验和动态环境试验结果.经微观结构分析,认为在C/C基材表面反应生成的碳化硅涂层是化学转化涂层,与C/C基材是有机结合,并且具有成分连续变化的过渡界面,构成了一种功能梯度倾斜材料,使固渗碳化硅具有优异的性能.     

纤维取向对碳/碳复合材料摩擦磨损性能影响

本文研究了碳纤维取向对碳/碳(C/C)复合材料摩擦磨损性能的影响,通过对二向、三向C/C复合材料结构分析和摩擦试验表明:二向C/C复合材料中的碳纤维有时单根、有时呈现一小束被沉积碳包围,材料的刹车初始力矩峰值较低,摩擦系数小,但磨损率大;三向C/C复合材料中每根碳纤维被沉积碳包围,材料的刹车力矩曲线平稳,摩擦系数稍大,磨损率小.     

碳/碳复合飞机刹车材料低能摩擦性能研究

研究了碳/碳(简称C/C)复合飞机刹车材料在低能载条件下的摩擦磨损性能,分析了刹车力矩与刹车速度之间关系曲线,探讨了C/C复合材料因能载变化出现摩擦系数最大值的根本原因.结果表明:随着刹车比压增加,摩擦系数最大值下降;低能条件下C/C复合材料摩擦面较粗糙,磨损率约为正常能载下的两倍.     

三维针刺碳毡增强碳/氮化硼复合材料的力学和介电性能

三维针刺碳毡中碳纤维的排布方式有利于电磁波的吸收。采用碳基体和氮化硼(BN)基体与三维针刺碳毡复合,可望获得耐高温吸波复合材料。本文中采用先驱体浸渗裂解法(PIP)制备多孔三维针刺碳/碳(C/C)复合材料,再利用化学气相渗透法(CVI)将BN引入C/C复合材料中,最终获得了C/C-BN复合材料。研究了CVI时间对三维针刺C/C-BN复合材料微结构、力学性能及介电性能的影响规律。随着CVI时间的增加,C/C-BN的密度增加,孔隙率降低,抗弯强度提高,介电常数增加,介电损耗降低。在CVI时间达160 h后,C/C-BN密度为1.43 g/cm~3,总气孔率为25%,抗弯强度达到82 MPa。     

化学气相渗透法制备碳/碳复合材料的研究进展

化学气相渗透(CVI)是在多孔预制体内部进行的化学气相沉积(CVD),是制备碳/碳(C/C)复合材料最重要的方法之一.介绍了CVI制备C/C复合材料的原理和近年来研究取得的进展,分析和讨论了各种CVI新工艺的特点,最后展望了CVI新工艺的研究方向.     

碳—碳复合材料中基体碳的性能

引言要想了解碳-碳(C/C)复合材料的性能和加工特点,就必须从全部宏观、次宏观、微观、亚微观力学的各个层次详细地了解复合材料中各组分间的相互作用。本文所述的作为全计划的部分内容有助于更好地了     

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.     

微结构对碳/碳复合材料界面性能的影响

通过理论模型和界面顶出实验分析了微观结构对碳/碳复合材料界面性能的影响机制。使用高分辨Micro-CT系统获得C/C复合材料界面的微观结构特征,并对界面的微观结构特征进行统计分析,得到界面微观结构尺度分布的概率密度函数。对C/C复合材料的界面层建立力学分析模型,计算获得C/C复合材料界面力学性能,在计算过程中引入界面微观结构的随机性统计分布,获得C/C复合材料界面力学性能的分布规律。设计纤维束顶出实验,测试分析C/C复合材料的界面力学性能。将力学分析模型的计算结果与界面顶出实验获得的实验结果进行对比分析,表明通过模型计算获得的界面性能的均值和离散度与实验获得的结果具有较好的一致性。     

Failure behavior investigation of a unidirectional carbon–carbon composite

The failure behavior and morphology of a carbon–carbon composite (C–C composite) manufactured by isothermal chemical vapor infiltration was studied by three-point bending tests, polarized light microscope and scanning electron microscope, respectively. The C–C composite was reinforced by PAN-based carbon fiber aligned in only one direction. Flexural strength and modulus of the composite were 200.9 MPa and 50.5 GPa, respectively. Failure behavior of the unidirectional C–C composite can be described as three stages including brittle fracture behavior at beginning, quasi-ductile behavior finally, and fluctuation behavior between them. Two main kinds of cracks, namely cracks parallel and perpendicular to loading direction alternately resulted in deformation evolution of the composite. The strength of interfacial bonding and cracks orientation played key roles to failure behavior of C–C composite.     

沥青过渡层对C/C复合材料力学性能的影响

在2D碳／碳（C／C）复合材料的碳纤维与基体热解碳间引入中间相沥青做过渡层，研究了中间相沥青的引入对C／C复合材料力学性能的影响．结果表明，与没有过渡层，普通沥青做过渡层、中间相沥青做过渡层的三类C／C复合材料比较．采用沥青做过渡层可以提高复合材料的力学性能，采用中间相沥青做过渡层制备的C／C复合材料的弯曲强度比采用普通沥青做过渡层提高44％，剪切强度提高15％．中间相沥青的引入可以使碳纤维束间和束内的结合强度不同，从而使基体断裂产生的裂纹扩散时发生偏转，复合材料的强度和韧性同时得到提高．     

炭/炭复合材料用SiC-Glass涂层的高温氧化机理

采用包埋法和预涂-烧结法相结合的组合工艺在炭/炭(C/C)复合材料表面制得SiC-Glass复合涂层, 并借助X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对该复合涂层进行了表征, 研究了涂层C/C试样在不同温度下的氧化动力学规律。结果表明: 复合涂层具有双层结构, 包埋SiC内层由β-SiC相和少量游离硅相组成, 外层由MoSi₂颗粒掺杂的硼硅酸盐玻璃构成; 内外层之间结合紧密; 在1300~1600℃的空气气氛中, SiC-Glass涂层表现出良好的抗氧化性能, 其氧化激活能为118.1kJ/mol, 氧化主要受控于氧在Glass层中的体扩散速率; 在1600℃空气气氛中氧化65h后, SiC-Glass涂层C/C试样的氧化失重率仅为1.02%。     

喷涂功率对碳/碳复合材料表面羟基磷灰石涂层的影响

采用等离子喷涂技术在碳/碳复合材料表面制备了羟基磷灰石(HA)涂层,采用电子拉伸机和自制装置测定了不同喷涂功率下涂层与基体的抗剪强度,采用扫描电镜观察了涂层表面、剪切断裂表面的形貌,采用电子探针分析了试样截面的形貌和成分线分布.结果表明:随着喷涂功率的增加,涂层中HA颗粒的熔化程度和涂层与基体的抗剪强度均增加,涂层与基体的界面属于机械结合,其剪切断裂的形式主要有界面失效和涂层内部失效两种.     

碳纤维上原位生长碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响

以碳毡为基底原位生长了碳纳米管（CNTs）,借助化学气相渗透制备了CNTs-C/C复合材料。研究了催化剂含量对碳纳米管生长的影响以及不同含量碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响。结果表明：催化剂对CNTs产量影响较大,且含量越多,生成的CNTs量越大;原位生长CNTs引入的催化剂会导致CNTs-C/C复合材料弯曲性能变差;CNTs的加入改变了热解碳的沉积行为,诱导了球状和锥状小尺寸热解碳的形成,减少了微裂纹的出现。适量CNTs能提高C/C复合材料的弯曲强度和模量,并改善材料的断裂行为。     

溶剂热浸渍时间对C/C复合材料抗氧化性能的影响

采用溶胶-凝胶结合溶剂热浸渍法,利用硼溶胶和B2O3微粉对炭/炭(C/C)复合材料进行基体和表面改性。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等测试手段对改性后C/C复合材料的物相组成和显微结构进行表征。重点研究了溶剂热处理时间对改性后C/C复合材料的物相组成、显微结构及抗氧化性能的影响。结果表明经过溶剂热改性处理后,C/C复合材料的表面缺陷被B2O3保护层所覆盖,同时基体内部缺陷也被B2O3所填充。延长溶剂热改性时间,B2O3覆盖层的平滑度和致密度不断上升,C/C复合材料的抗氧化性能不断提高。经48h溶剂热改性后的C/C复合材料在静态空气中600℃恒温氧化17h后的质量损失仅为2.13%。     

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。     

定向碳纳米管/炭纳米复合材料形貌和显微结构

以CVD法定向碳纳米管(ACNTs)阵列为骨架,利用化学气相渗透(CVI)工艺制备了新型定向碳纳米管/炭(ACNT/C)纳米复合材料。通过偏光金相显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)和Raman光谱等分析方法对其显微结构和热解炭沉积机理进行了研究。结果表明:所制ACNT/C纳米复合材料的热解炭结构主要为类粗糙层结构,围绕碳纳米管生长的热解炭石墨层片结构清晰,并且碳纳米管和热解炭之间具有良好的界面结合;而在相同工艺条件下围绕炭纤维生长的热解炭为典型的光滑层结构。这可能是由于在热解炭沉积过程中存在碳纳米管"诱导"沉积过程,即沿着碳纳米管径向的离域化共轭π键和具有类似结构的芳香族大分子通过π-π非共价键作用相结合,并在CNTs纳米尺寸的影响下,芳香族大分子按照"软取向"(Softepitaxy)围绕碳纳米管生成环形层片状类石墨结构的热解炭。该研究结果有望为热解炭的可控沉积起到一定的借鉴作用。     

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%。