掺杂难熔金属碳化物对炭/炭复合材料烧蚀微观结构的影响

详细分析和比较了3D炭／炭复合材料及其添加难熔金属碳化物的试样在三种烧蚀条件下的烧蚀结果、微观结构及形貌。SEM观察结果显示，纤维与基体间的界面优先烧蚀现象对纯炭／炭试样是普遍存在的，相反，对难熔金属碳化物掺杂的炭／炭试样而言，纤维却总是优先被烧蚀；纤维单丝相对基体优先烧蚀越明显，材料宏观烧蚀率越大。对纯炭／炭试样烧蚀表层区的TEM观察结果表明，在烧蚀过程中炭纤维和基体炭均发生明显的微观结构变化，具体表现为炭纤维的微晶尺寸显著长大，而基体炭原有层片区则出现柱状炭。烧蚀测试条件对材料宏观和微观形貌及烧蚀机理都有影响：     

碳源对CVI炭/炭复合材料致密和结构的影响

采用自行设计的化学气相渗(CVI)炉以炭毡作为纤维增强体,在坯体内部设计特殊的导电发热层,使坯体内部的温度场、气体反应的中间产物浓度场、电磁场等多元物理场实现耦合,进而达到坯体的快速增密。研究了沉积温度为800℃～1000℃,系统压力0.1kPa～15.0kPa条件下,分别使用石油液化气和丙烯作碳源时对增密速度和沉积热解炭结构的影响;借助偏光显微镜考察了沉积炭的组织结构;用X射线衍射表征了C/C复合材料的石墨化度和微晶尺寸。研究表明:初始密度为0.2g/cm3,尺寸为260mm×60mm×20mm的炭毡坯体沉积20h,经过工艺优化,石油液化气可使坯体增密到1.7g/cm3以上,丙烯可使坯体增密到1.6g/cm3以上;两种碳源沉积所获材料的晶体有序度均随沉积温度的升高和系统压力的降低而升高,其中石油液化气在较高温度(990℃)、较低压力(0.1kPa)下能沉积出织构更高的结构一致的粗糙层结构热解炭;说明不同活化能的复合碳源气体可以发挥与其他物理场梯度的协同耦合作用,有利于提高沉积速度和热解炭的织构。     

双基体炭/炭复合材料的微观结构与力学性能

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双基体炭/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光学各向异性,材料内部形成多层次的界面结构,热解炭呈现"皱褶状"片层结构,中间相沥青炭呈现片层条带状结构,基体炭片层的走向基本上平行于纤维轴向.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片层之间引起滑移,在断口形貌上体现出锯齿状的断裂形式,材料具有韧性断裂的特征,抗弯强度最高可达223MPa.     

CLVD法制备炭毡/炭复合材料

用化学液气相沉积(CLVD)法制务炭毡／炭复合材料，用电镜扫描（SEM）观察了材料的微观结构，并分析了预制件内部温度梯度的建立过程，结果表明：该法制备的炭毡／炭复合材料致密均匀、结构理想，其预制体内部温度梯度的大小与前驱体的沸点有关。     

微氧化对二维炭/炭复合材料组织结构及试样宏观尺度的影响

对二维炭/炭（2D C/C）复合材料在700 ℃～1 300 ℃温度范围内的微氧化（氧化失重率小于6 %）行为进行了研究,并采用SEM和千分尺等仪器考察了氧化前后C/C复合材料的组织结构和宏观尺度的变化,分析了微氧化对材料组织结构及试样宏观尺度（即试样的体积）的影响规律.结果表明：在700 ℃～1300 ℃温度范围内,2D C/C复合材料的微氧化行为服从线性规律,且氧化速率随温度的升高而增大.同时,随温度的升高,微氧化区域由材料的表面层区和近表面层区向材料的外表面和表面层区集中,微氧化程度加剧,而微氧化深度减小;宏观表现为试样表面处的纤维/基体界面分离明显化和纤维端头的锐化,以及C/C复合材料的体积下降.     

炭/炭复合材料用基体前驱体煤沥青的研究动态

综述了近年来炭／炭复合材料用基体前驱体煤沥青的研究动态，重点阐述了不同改性方法对煤沥青的残炭率及高温流变性能的影响，指出了开发综合性能优良的改性煤沥青是制备低成本高性能炭／炭复合材料的关键。     

采用Z-Pin增强体的3D炭/炭复合材料层间断裂行为

采用炭纤维平纹织物和精细Z-pin制备了新型3D炭纤维预制件。炭基体采用等温化学气相沉积和高温煤沥青高压浸渍炭化制备。短梁剪切试验和开口拉剪试验用来表征Z-pin增强体对剪切破坏模式的影响。短梁剪切失效模式为似塑性，而拉剪失效模式为非似塑性破坏。分析了产生此现象的机制，短梁剪切假塑性失效由炭／炭复合材料叠层中纤维束内、纤维束间和叠层间微裂纹扩展形成，而产生拉剪失效的单一层间裂纹扩展不引起宏观假塑性现象。采用Z-pin作为提高层间剪切强度的增强体间隔1．5mm比间隔2，5mm可提高剪切强度40％～50％，陔技术将成为3D炭／炭复合材料预制体制备更为先进的技术．     

脉冲FCVI制备炭/炭复合材料的微观结构及力学性能

采用脉冲强制流动热梯度化学气相渗透（IFCVI）法制备了毡基炭／炭复合材料。借助偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了基体热解炭的微观组织结构及断口形貌特征；用弯曲实验测定了材料的力学性能。结果表明：采用脉冲FCVI，经1000℃～1250℃，100h致密化，2300℃热处理后，炭／炭复合材料的密度可达1．7g／cm^3，弯曲强度为125．4MPa，挠度为0．61mm。该工艺致密化速率快，所制备材料的密度分布均匀、力学性能好。研究表明，温度是影响材料组织结构的主要因素，高温条件下有利于粗糙层热解炭组织的生成，而低温有利于光滑层热解炭组织的生成，一般因沉积环境复杂多变，常得到混合型组织。     

掺杂难熔金属碳化物对炭/炭复合材料烧蚀机理的影响

通过对炭／炭复合材料（C／C）和添加难熔金属碳化物炭／炭复合材料（C／C＋MC）的微观结构对比分析，研究了二者在电弧加热器上的烧蚀机理。结果表明，难熔金属化合物（MC）在烧蚀过程中进入到距表层几个微米之内的纤维和基体炭微晶内，明显影响了相邻微晶的形貌。MC的存在，一方面，加大了机械剥蚀等力学因素引起的质量损失，增大了试样表面粗糙度，从而进一步加重了烧蚀；另一方面，MC具有降低碳的升华总量的效应。从综合效应来看，C／C＋MC复合材料的烧蚀速率比C／C复合材料高。     

短切纤维炭/炭复合材料磁电阻特性研究

研究了经不同温度下热处理后短切纤维模压预制体炭／炭复合材料样品的磁电阻特性。研究结果表明C／C复合材料的磁电阻一位向关系曲线的形状与C／C预制体结构有关，不同预制体结构的材料，磁电阻一位向关系曲线形状不同。C／C复合材料出现磁电阻恒为0的起始温度与材料的石墨化特性有很大关系。石墨化程度越高，材料的磁电阻越大，磁电阻达到0时的测量温度越高。研究发现，磁电阻一测量温度曲线回归方程的斜率随热处理温度的增加而降低，且斜率-热处理温度的变化曲线与材料d002随热处理温度的变化曲线形状类似。     

素坯密度对气相渗硅制备C/C-SiC复合材料结构与性能的影响

三维针刺碳毡经化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)增密制备C/C素坯,通过气相渗硅(Gaseous Silicon Infiltration,GSI)制备C/C-SiC复合材料。研究素坯密度与CVI C层厚度及素坯孔隙率的变化规律,并分析素坯密度对C/C-SiC复合材料力学性能、热学性能的影响。结果表明:随着素坯密度增大,CVI C层变厚,孔隙率减小;C/C-SiC复合材料中残C量随之增大,残余Si量随之减小,SiC先保持较高含量(体积分数约40%),随后迅速降低,C/C-SiC复合材料密度逐渐减小,力学性能先增大后减小,而热导率及热膨胀系数降低至平稳。当素坯密度为1.085g/cm3时,复合材料力学性能最好,弯曲强度可达308.31MPa,断裂韧度为11.36MPa·m1/2。研究发现:素坯孔隙率较大时,渗硅通道足够,残余硅多,且CVI C层较薄,纤维硅蚀严重,C/C-SiC复合材料力学性能低;素坯孔隙率较小时,渗硅通道很快阻塞,Si和SiC含量少,而闭孔大且多,C/C-SiC复合材料力学性能也不高。     

碳纤维预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响

以2D碳纤维预制体为增强体, 采用电耦合和等温化学气相渗联合工艺制备C/C复合材料, 研究不同预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响。结果表明, 不同预制体结构增强的C/C复合材料表现出不同的力学行为。对于针刺结构, 随着针刺密度由35 pin/cm ²降至25 pin/cm ², C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由60.1、119.9 MPa增大至69.5、176.8 MPa; 随着碳纱丝束由12 K变为3 K, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由69.5、176.8 MPa增大至105.5、184.4 MPa。对于12 K双向缝合结构, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别为68.1、123.7 MPa。不同碳纤维预制体结构增强的C/C复合材料力学性能的差异主要取决于长纤维的完整性、大孔的分布和数量等因素。C/C复合材料的螺栓性能由于体材料性能和加工过程中缺陷的影响, 其拉伸强度略低于其体材料, 并表现出更为明显的脆性断裂模式。     

C/C刹车盘的结构及断口分析

用腐蚀方法解剖了几种C／C复合材料刹车盘,分析了它们预成型体的结构,用扫描电子显微镜观察了C／C复合材料的刹车盘的平行盘面及垂直盘面的断口,分析了炭纤维与基体之间的界面特征。     

炭纤维针刺预制体增强C/SiC复合材料的制备与性能研究

以炭纤维复合网胎针刺织物为预制体, 采用“化学气相渗透法+先驱体浸渍裂解法”(CVI+PIP)混合工艺, 制备了C/SiC陶瓷复合材料; 研究了针刺预制体的致密化效率以及复合材料的微观结构和力学性能, 并与目前常用的三维编织C/SiC复合材料和预氧丝针刺织物增强C/SiC复合材料进行了对比. 结果表明, 针刺预制体的致密化效率明显高于三维编织预制体, 在相同致密工艺条件下, 炭纤维针刺织物增强复合材料和预氧丝针刺织物增强复合材料的密度分 别达到2.08和2.02g/cm³, 而三维编织预制体增强复合材料的密度仅为1.81g/cm³. 炭纤维针刺复合材料的力学性能高于预氧丝针刺复合材料, 弯曲强度和剪切强度分别达到237和26MPa.     

用热梯度式CVD增密技术制造C/C复合刹车盘

利用自行研制的热梯度式炉系统探索了利用差温式ＣＶＤ增密技术制备高性能Ｃ／Ｃ复合杀车盘的可行性,研究了温度、气氛压力、气流量等对ＣＶＤ增密过程的影响及增密过程动力学特性,实验了在较短周期制取高密度Ｃ／Ｃ复合盘件,显示了该项技术工业应用的良好前景。     

C/C刹车盘用短纤维预制体组成及工艺研究

通过对短纤维预浸料模压工艺过程中的加压温度及压制压力工艺参数研究,探讨短纤维预制体的制造工艺.结果表明:在加压温度为130℃及10MPa的压制压力下,制备的MD-90飞机刹车盘用预制体为最佳.采用正压CVD工艺将不同组成的预制体,增密至1.65g/cm3进行力学性能测试,结果表明:组成为无捻T700-12K炭纤维、酚醛树脂含量为35%(质量分数)、长度为40mm的预制体,力学性能最佳.     

医用炭/炭复合材料表面梯度CVD热解炭涂层的摩擦性能研究

采用医用炭/炭复合材料并通过梯度化学气相沉积法(CVD)在其表面制备热解炭涂层, 研究分析了涂层的显微结构、摩擦系数、磨损情况. 结果发现, 该热解炭涂层表面被直径约20 μm热解炭球致密覆盖, 在断口处呈现紧密、多层的热解炭. 与用沥青浸渍/炭化法制备的炭/炭复合材料相比, 在干摩擦时, 热解炭涂层样品的摩擦系数更大; 在模拟人体关节的湿摩擦时, 它的摩擦系数低; 在干摩擦和湿摩擦的情况下, 它的磨损要小很多. 这些结果表明利用梯度的化学气相沉积法(CVD)制备医用炭/炭复合材料的涂层可以提高其表面的耐磨性.     

C布预制体C/C复合材料磁电阻特性研究

C布预制体C/C复合材料试样经不同温度石墨化处理后,通过X射线衍射法标定其石墨化度,研究其磁电阻特性。结果表明:随着石墨化度的提高,C/C复合材料的磁电阻增大;石墨化度对C/C复合材料磁电阻-位向关系无影响,磁电阻-位向关系是材料本身的特性,不随石墨化度、磁场强度、测量温度等因素的变化而变化,实验用材料最大磁电阻出现在90°位向处;固定磁场强度,不同石墨化度试样的最大磁电阻随测量温度(5～300K)的增加线性降低;测量温度高于5K,外加磁场小于1.2T时,磁电阻随磁场强度的增大线性增大,场强高于1.2T后,磁电阻不再随磁场强度的增加而变化;测量温度在4.2K时,磁电阻随外加磁场的变化会出现量子化平台。     

C/C刹车材料CVD制备工艺研究

炭纤维预形体的的增密工艺可分为ＣＶＩ阶段和ＳＣＶＤ阶段。炭纤维坯体经过这两个阶段的碳原子沉积,得到的炭材料防氧化性能和防潮湿性能比传统ＣＶＤ增密炭材料有显著提高。     

Oxidation Protective Multilayer CVD SiC Coatings Modified by a Graphitic B-C Interlayer for 3D C/SiC Composite

A layered graphitic CVD B-C coating was introduced between two CVD SiC coating layers. Microstructure and chemical characterization of the CVD B-C and the hybrid SiC/B-C/SiC multilayer coating was performed using SEM, EDS, XPS and XRD. Oxidation protection ability of the coating for the C/SiC composite was studied using a thermogravimetric analyzer (TGA) in the isothermal mode and by measuring residual flexural strength. The layered graphitic CVD B-C coating middle layer reduced the maximum crack width in the CVD SiC coating. The hybrid SiC/B-C/SiC multilayer coating provided a better oxidation protection for C/SiC composite than a three layer CVD SiC coating due to coating crack control and sealing effects at temperatures up to 1,300°C for 900 min.