C/C多孔体对C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能的影响

以4种纤维含量相同(32%,体积分数,下同),用化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)法制备了4种密度的碳纤维增强碳(carbon fiber reinforced carbon,C/C)多孔体,基体炭含量约20%～50%.利用液相渗硅法(liquid silicon infiltration,LSI)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对所制备的C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能的影响.结果表明:不同密度的C/C多孔体反应渗硅后,复合材料的物相组成均为SiC,C及单质Si;随着C/C多孔体中基体炭含量的增加,C/C-SiC复合材料中SiC含量逐渐减少而热解炭含量逐渐增加.C/C-SiC复合材料弯曲强度随着材料中残留热解炭含量增加而逐渐增加,热解炭含量为约42%的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料的弯曲强度最大,达到320 MPa.     

SiC含量对C/C-SiC复合材料弯曲强度及抗氧化性能的影响

选用聚碳硅烷（PCS）为前驱体，对密度分别为1．34g／cm^3，1．52g／cm^3和1．62g／cm^3的针刺炭布C／C材料进行液相致密化处理，制得密度达1．75g／cm^3的C／C-SiC复合材料，并与密度为1．85g／cm^3的同结构高密度C／C材料的弯曲强度和抗氧化性能进行了对比分析。结果表明：密度为1．34g／cm^3的C／C材料经过PCS致密化处理，在保持高密度C／C材料的弯曲强度同时，显著提高了材料的抗氧化性能。     

变密度预制体C/C复合材料压缩性能的研究

采用平均密度不同的预制体制备变密度预制体C/C复合材料,并对应制备了常用的恒密度预制体C/C复合材料.研究了不同结构和不同平均密度的预制体对C/C复合材料压缩性能的影响.实验结果表明,变密度预制体C/C复合材料的压缩强度远远大于相同平均预制体密度的恒密度预制体C/C复合材料,并且随预制体平均密度的增大呈先增大后下降的趋势.由于预制体内部纤维含量的不同分布状态,变密度预制体C/C复合材料的压缩破坏同时呈现出压溃和剪切破坏模式.     

C/C预制体密度和反应温度对RMI法制备C/C-SiC复合材料力学性能和微观结构的影响

研究C/C预制体密度和反应温度对RMI法制备C/C-SiC复合材料密度、弯曲强度和微观结构的影响。实验通过化学气相渗透法(CVI)制备密度分别为1.2g/cm~3、1.4g/cm~3和1.6g/cm~3的低密度C/C多孔预制体,采用反应熔渗法(RMI)制备密度分别为2.21g/cm~3、2.18g/cm~3和1.82g/cm~3的C/C-SiC复合材料;将CVI制备的低密度C/C多孔预制体,采用RMI法在1500℃、1650℃和1800℃的反应温度下制备密度分别为1.79g/cm~3、2.18g/cm~3和2.41g/cm~3的C/C-SiC复合材料。结果表明:随着C/C预制体密度增加,C/C-SiC复合材料密度不断降低,弯曲强度呈先上升后下降的趋势,在C/C预制体密度为1.4g/cm~3时,材料的性能达到最优状态,材料的密度为2.18g/cm~3,弯曲强度为196.7MPa;随着RMI反应温度增加,C/C-SiC复合材料密度不断升高,材料弯曲强度呈先上升后下降的趋势,在反应温度为1650℃时,材料性能达到最优状态,材料密度为2.18g/cm~3,弯曲强度为196.7MPa。     

C/C复合材料预制体结构对摩擦性能的影响

采用整体毡预制体、针刺网胎/无纬布叠层预制体和穿刺预制体,通过化学气相沉积法(CVD)结合液相浸渍法(PIP)制备了C/C复合材料,利用MM1000-Ⅱ型摩擦磨损实验机测试了三种不同预制体C/C复合材料的摩擦性能,采用扫描电子显微镜分别观察了三种C/C复合材料的表面形貌,研究发现预制体结构中纤维排布方式及含量影响C/C复合材料的摩擦系数。相同转速下C/C复合材料的摩擦系数随压力的升高而增大;压力相同的条件下C/C复合材料的摩擦系数随着转速提高而增大;高压高转速下针刺网胎/无纬布制备的C/C复合材料摩擦系数较稳定,整体毡制备的摩擦系数虽小但随转速变化波动较大,穿刺预制体制备的摩擦系数大且波动大,说明穿刺这种增强单元相对较粗大的预制体不适合制备摩擦密封领域的精细结构复合材料。     

针刺炭纤维预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响

采用6K炭纤维无纬布/网胎交替叠层及12K炭纤维无纬布/网胎交替叠层,在针刺工艺,致密化、热处理工艺完全相同的情况下,制备了密度为1.8g/cm3的热解炭/树脂炭双元基体的两种C/C复合材料产品,考察了针刺预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响.结果表明,两种C/C复合材料的热学（垂直方向导热系数）、电学性能及石墨化度基本相当;而针刺6K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料的拉伸、弯曲、压缩、层间剪切强度分别为127MPa,189MPa,263MPa,24.6MPa;其平行方向导热系数为54.6W/m＆#183;K,比常规针刺12K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料相应提高了38％,32.2％,32.8％,38.9％,21％,彰显了细化针刺预制体结构单元对C/C复合材料力学性能的显著影响.     

炭纤维编织方式对C/C-SiC复合材料弯曲强度和抗氧化性能的影响

选用聚碳硅烷(PCS)为前驱体,分别将3D编织和2.5D编织的C/C复合材料,由初始密度1.32 g/cm3制备成密度为1.70g/cm3的C/C-SiC复合材料,测试了它们的弯曲强度和抗氧化性能,并分析了微观结构。实验表明:3D编织的C/C-SiC复合材料具有更高的平均弯曲强度,达到226.1 MPa;两种C/C-SiC复合材料均具有相当优异的抗氧化性,1 000℃下,2 h最大氧化失重率不到5%,但2.5D编织的C/C-SiC复合材料抗氧化性能更优异。     

CVD-SiC涂层对C/C-SiC抗氧化性能及弯曲强度的影响

以针刺预制体为胚体制备C/C-SiC复合材料,在材料表面制备CVD-SiC涂层,研究涂层及未涂层试样的抗氧化性能及弯曲性能。结果表明:在1 500℃恒温氧化0.5 h和1 h后,C/C-SiC复合材料的氧化失重分别为20.64%和43.85%,弯曲强度分别为91.9 MPa和63.1 MPa;而CVD-SiC涂层C/C-SiC复合材料失重率分别为5.83%和6.43%,弯曲强度分别高达150 MPa和129 MPa。SiC涂层有助于在材料表层氧化形成大量SiO_2保护膜,阻止了材料内部的进一步氧化,从而提高了复合材料的抗氧化性能和力学性能。     

不同预制体结构C/C复合材料的CVI致密化行为

采用化学气相渗透(CVI)工艺分别对整体毡和针刺毡厚壁预制体进行了500 h的致密化,研究了2种预制体的致密化效率、微观结构及密度分布情况。结果表明:预制体结构对C/C复合材料的致密化行为影响较大。致密化前期,整体毡预制体表现出较高的致密化效率,后期效率下降较快,热解炭包裹在纤维之间,材料内部密度分布不均,呈现两边高中间低的现象。针刺预制体在CVI前期致密化效率较低,热解炭主要包裹在纤维束外,致密化后期致密化效率下降较慢,致密后材料内部密度分布均匀。与整体毡预制体相比,针刺预制体的孔隙平直,分布均匀,更有利于碳源气体的深入渗透以获得均匀的密度分布。     

致密工艺对C/C复合材料摩擦性能的影响

采用针刺全炭纤维网胎无纬布整体结构预制体为骨架，经化学气相沉积（CVD）、树脂浸溃（RD固化致密及炭化、石墨化制得C／C复合材料。研究了粗糙层（RL）和树脂炭（RC）对摩擦性能的影响。结果表明，RL结构的C／C复合材料的摩擦性能较好，稳定性较高，是用作飞机刹车材料的前提；采用CVD＋RI制备且石墨化后的C／C复合材料具有优良的摩擦磨损特性；CVD试样的密度较低时，摩擦系数较高，但磨损较大，较难形成完整的摩擦膜。     

致密化工艺对C/C复合材料性能的影响

以三种致密化工艺对2D炭布针刺预制体进行致密，得到三组C／C复合材料，对其进行力学、热学性能检测及微观结构分析，并用C／C复合材料抗热震指标对三种致密化工艺所制备试样的性能进行综合评价，考察并比较了不同致密化工艺对C／C复合材料性能的影响。结果表明，采用化学气相沉积、沥青高压浸渍炭化及树脂常压炭化工艺所制备的RLS试样具有较好的综合性能。     

惰性填料SiC对C/C-SiC复合材料制备及烧蚀性能影响研究

以纳米SiC粉为惰性填料,采用先驱体浸渍裂解法制备C/C-SiC复合材料,研究了不同纳米SiC含量浆料对复合材料致密过程及烧蚀性能的影响。结果表明,不同纳米SiC含量浆料对制得的复合材料性能有很大的影响,添加纳米SiC粉质量分数为16.67%时制得的复合材料性能最优,其最终密度为1.86 g/cm~3,开孔率为6.93%,线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0041mm/s和0.0013g/s。     

基体热解炭含量对C/C-SiC复合材料弯曲强度和抗氧化性能的影响

采用化学气相渗积工艺制备出密度分别为0.81,1.10,1.26,1.52 g/cm3的C/C复合材料坯体,再以聚碳硅烷(PCS)为先驱体,通过先驱体转化法制备出密度相近的C/C-SiC复合材料,并对它们的弯曲强度和抗氧化性能作了对比分析。结果表明:由密度为0.81 g/cm3的C/C复合材料坯体制得的C/C-SiC复合材料具有最高的弯曲强度,达265 MPa,具有最好的抗氧化性能,在1 000℃氧化2 h后失重率为2.61%。     

预制体结构对三维编织C/C复合材料本征性能影响研究

分别对三维四向与三维五向编织C/C复合材料进行了弯曲和压缩试验,观测了两种材料在x向、y向与z向下的位移-载荷曲线,获得了弯曲和压缩的强度和模量数据。结果表明,三维五向C/C复合材料相比于三维四向C/C复合材料,因其本征结构的x向纤维分数增加和z向纤维分数减少使得x方向的弯曲和压缩的强度增加而z方向降低,两种结构的C/C复合材料均表现一种假塑性断裂行为。相比于预制体结构对压缩性能的影响,其对弯曲力学性能的影响更为明显。     

针刺+缝合预制体C/C复合材料的制备及性能研究

以无纬布/碳纤维网胎为原料,采用针刺+接力缝合的工艺流程制备预制增强体,并经化学气相渗透(CVI)联合沥青浸渍/高压碳化(HPIC)方法得到新型厚壁C/C复合材料。对该材料进行了力学和热物理性能测试,并观测其微观断口形貌。结果表明:此预制体制备方法能够突破传统缝合材料在厚度方向上的尺寸限制,工艺过程简便,不易变形且利于致密。所得C/C材料厚度方向的纤维密度较高,具有优异的机械和良好的热物理性能,能够满足固体火箭发动机等极端环境下的应用需求。     

纤维种类对C/C-SiC复合材料力学性能的影响

分别以PAN基预氧丝和炭纤维为原材料,采用准三维针刺工艺制备2种纤维预制体,然后采用化学气相渗积(CVI)工艺制备出密度相近的C/C复合材料坯体,最后对坯体进行熔融渗硅处理得到C/C-SiC复合材料,研究了纤维种类对C/C-SiC复合材料力学性能和断裂机理的影响。结果表明:纤维种类对C/C-SiC复合材料的力学性能和断裂机理有显著影响,炭纤维增强C/C-SiC复合材料的弯曲强度较高,达到140.3 MPa,断裂失效模式为"假塑性"断裂;预氧丝C/C-SiC复合材料的弯曲强度较低,为112.6 MPa,呈脆性断裂。产生以上结果的主要原因是增强纤维的力学性能不同,纤维表面形貌不同,进而导致所制备的C/C-SiC复合材料增强纤维与基体的结合强度不同。     

针刺预制体分层对C/C-SiC防护框整体抗压性能的影响

采用碳纤维复合网胎针刺预制体,制备了液体冲压发动机进气口防护框用复合材料,研究了预制体分层对复合材料构件整体压缩性能的影响。研究结果表明:预制体拐角处制作过程容易起皱及纤维缠绕张力控制不均是导致预制体分层的首要因素。分层的试验件存在局部层间结合力弱以及局部区域存在基体聚集,致使分层处出现裂纹、局部出现破坏,导致整个进气口防护框剩余强度不足而被破坏,试验件的整体抗压强度和轴向位移量均有所降低。为了避免出现针刺预制体分层,提出了在预制体制作过程中控制环向纤维缠绕张力的大小和均匀性,环向铺层针刺时需边压边针刺,并在其完成初步致密化后进行CT检测等改进措施。     

先驱体转化法制备C/C-SiC复合材料研究

以多孔C/C复合材料为预制型,聚碳硅烷(PCS)为先驱体,制备了C/C-SiC复合材料。研究了浸渍液浓度和不同C/C复合材料预制体密度等级对C/C-SiC复合材料的密度和力学性能的影响。结果表明:当浸渍液浓度为50%时,复合材料的密度均达到最佳值;不同的预制体密度对制得的复合材料性能有很大的影响,其中初始密度为1.2g/cm3试样制得的复合材料性能达到最优,其密度达到1.786g/cm3,弯曲强度达204.1MPa,剪切强度为16.1MPa,断裂韧性为6.83MPa·m1/2。     

涂层工艺对C/C复合材料结构和弯曲性能的影响

采用热处理和包埋工艺制备了Ｃ／Ｃ复合材料的ＭｏＳｉ２／ＳｉＣ抗氧化涂层,对组织结构、界面、弯曲断口进行了显微观察,分析了氧化保护涂层及其工艺对其机械性能的影响,结果表明,该工艺在Ｃ／Ｃ复合材料表面生成涂层的同时,使基材内部的界面也被硅化;并且发现,热解炭基体比炭纤维更易与Ｓｉ反应生成ＳｉＣ。Ｃ／Ｃ复合材料经涂层工艺处理后,弯曲强度降低;热处理过程中发生的材料氧化是弯曲强度下降的主要原因     

C/C多孔体热处理温度对C/C-SiC复合材料微观结构和热学性能的影响

以针刺网胎无纬布为预制体,采用化学气相渗透(CVI)、压力浸渍树脂/炭化(PIC)及反应熔体浸渗法(RMI)等组合工艺快速制备C/C-SiC复合材料。研究了C/C多孔体的高温热处理温度对C/C-SiC复合材料微观结构和热学性能的影响,结果表明:多孔体经高温热处理后密度有所减小而孔隙率增大;相较于1800℃热处理,多孔体经2200℃热处理后制备的C/C-SiC复合材料密度更大(ρ=2.12g/cm3),孔隙率更低(η=2.7%),SiC基体含量更高(ω=41.11%);C/C-SiC复合材料的比热容和平均热膨胀系数随着温度的升高而增大,而热扩散系数和导热系数随着温度的升高不断减小;多孔体经2200℃热处理后制备的C/C-SiC复合材料X-Y向具有更大的导热系数和更小的热膨胀系数,其室温下的导热系数为83.120W/(m·K),室温~1000℃的平均热膨胀系数为1.608×10-6/℃。