超短气体滞留时间制备C/C复合材料及其组织研究

以2D针刺炭毡为预制体,天然气为炭源前驱体,无稀释气体,绝对压力为10kPa,沉积温度为1100℃的工艺条件下,通过新型等温化学气相沉积工艺(ICVI),控制气体滞留时间分别为0.01, 0.02, 0.03s.研究在此超短气体滞留时间下C/C复合材料的致密化过程及密度分布,并采用偏光显微镜(PLM),扫描电子显微镜(SEM)观察其微观组织结构形貌.结果表明:在0.01s的气体滞留时间下,150h的渗透时间内可以制备出表观密度达到1.75g/cm3以上,密度呈现内高外低特点的C/C复合材料,其组织结构为中织构(MT)和高织构(HT)的双层织构,MT只在纤维表面存在且厚度小于2μm,其他均为HT组织.     

基于SQL Server的C/C复合材料实验数据库系统平台的设计开发

为了解决C/C复合材料CVI(Chemical Vapor Infiltration,CVI)制备工艺中大量实验数据的有效存储及合理利用问题,设计开发了C/C复合材料实验数据库系统平台,利用SQL Server作后台数据仓库,VC 作平台系统开发,以ADO对象作数据库连接技术,从工艺方法、性能分析、组织结构等方面对实验数据整理分类,并利用Matlab引擎技术整合CVI工艺优化仿真程序,对材料制备工艺进行模拟和优化,该系统平台有助于缩短C/C复合材料制备周期,提高生产效率,降低生产成本。     

基于遗传算法和神经网络的C/C复合材料等温CVI工艺参数优化模型

建立了基于遗传算法和误差反传（GA-BP）神经网络的化学气相渗透（CVI）工艺参数优化模型。以新型等温CVI工艺制备C/C复合材料时采集的实验数据作为模型评价样本,分析了主要可控影响因素（沉积温度、前驱气体分压与滞留时间等）对C/C复合材料制件密度及其密度均匀性的作用规律。在该模型指导下,样本的期望密度和实测密度最大误差不超过6.2%,密度差最大误差不超过8.2%。实验结果也证明了该模型具有较高的精度和良好的泛化能力,可以用于CVI工艺参数的优化。      

气体滞留时间对微波热解CVI工艺制备C/C复合材料性能的影响

以炭毡为预制体, N₂为稀释气体, 甲烷为炭源前驱体, 其分压为10kPa, 沉积温度为1100℃的工艺条件下,研究了不同的气体滞留时间(0.05、0.1、0.15、0.2s)对微波热解CVI工艺制备炭/炭复合材料的致密化速率、样品的体积密度及其密度均匀性的影响, 并对其组织结构进行了观察. 分析了气体的滞留时间对微波热解CVI工艺制备炭/炭复合材料的影响规律及组织结构的变化. 结果表明: 采用微波热解CVI工艺在1100℃90h内制备出体积密度为1.70g·cm^-3的炭/炭复合材料, 在滞留时间为0.15s时预制体呈现从内到外逐步致密的规律. 同时, 随着滞留时间的延长, 热解炭的组织结构从低织构到中等织构变化.     

丙烯CVI致密C/C复合材料的模拟研究

通过模拟法对丙烯化学气相渗透(cvI)制备炭/炭复合材料(C/c)的工艺过程进行研究.基于16种反应物,建立了由34个基元反应组成的均相反应模型.引用双孔隙演化模型、非均相反应模型,对整个丙烯CVI模型进行耦合模拟.模拟结果表明,CVI法C/C复合材料的密度均匀性受沉积气体滞留时间、致密温度和致密时间等因素影响;致密化过程可分为微孔隙快速致密和大孔隙致密两个阶段,丙烯初级热解产物的浓度分布与这两个阶段关系密切;其中大分子气体苯的浓度分布对CVI沉积速度和C/C复合材料密度均匀性的影响明显,当苯浓度分布最高区严重变窄时,表明致密化过程结束,致密表面将出现结壳现象.验证实验与模拟数据吻合较好.     

C/SiC-SiB4复合材料的制备及氧化行为

在多孔C/SiC中渗入SiB4微粉后,采用先驱体浸渍裂解(PIP)结合化学气相渗透(CVI)法进行致密化制备C/SiC-SiB4复合材料.利用XRD、EDS、SEM分析了材料的组分及微结构.研究了材料在500～1000℃静态空气的氧化行为,并与致密C/SiC复合材料的氧化行为进行了比较.结果表明,SiB4主要渗入到纤维束间,它与随后PIP及CVI法引入的SiC较好地结合在一起.在氧化过程中,SiB4起自愈合作用,它能减缓碳纤维和界面的氧化.在600～900℃氧化10h后,C/SiC-SiB4的失重率均比致密C/SiC小,抗弯强度没有明显降低,且均比致密C/SiC高.     

飞机刹车用长寿命高摩擦特性炭/炭复合材料制备技术(英文)

以针刺炭纤维准三向结构整体毡为预制体,经丙烯气体狭缝定向流的"外热内冷"、"内热外冷"径向热梯度CVI工艺致密技术,优化组合的热解炭/树脂炭双元炭基体技术,通过调控高温处理技术等三大关键技术制备了A320系列飞机炭刹车盘材料。与现用的A320系列飞机进口炭刹车盘进行了地面台架对比试验和装机应用。结果表明:自主开发的炭刹车盘其设计着陆能量和超载着陆能量的摩擦特性与国外相当,但在高能载(RTO)刹车时,其摩擦系数提高了21%～48%,静摩擦系数提高了28%;装机应用寿命平均达到2700次以上,比国外产品寿命提高了23%,凸现出长使用寿命和高摩擦特性的特色。     

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。     

CVI-PIP工艺制备C/SiC复合材料及其显微结构研究

采用化学气相渗透(CVI)与先驱体浸渍裂解(PIP)两种工艺方法联用制备C/SiC陶瓷基复合材料,通过与单纯PIP工艺的致密化效率比较,复合材料的扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析,结果表明:采用CVI-PIP联用的方法制备C/SiC复合材料,致密化程度有明显的提高.CVI沉积SiC基体结晶性较好,为典型的β-SiC晶体结构;而PIP先驱体聚碳硅烷裂解基体为无定型结构,基体结构差异是决定材料结构与性能的关键因素.     

“CVI+压力PIP”混合工艺制备低成本 C/SiC复合材料

以低成本填料改性有机硅浸渍剂作为先驱体,采用"化学气相渗透法+压力先驱体浸渍裂解法"(CVI+P-PIP)混合工艺制备了低成本C/SiC陶瓷复合材料.研究了浸渍剂裂解机理,探讨了界面涂层对复合材料性能的影响.结果表明,填料改性有机硅浸渍剂裂解产物结构致密、陶瓷产率高;压力可提高填料改性有机硅浸渍剂的致密效率.混合工艺充分利用沉积SiC基体和裂解SiC基体的致密化特点,有效缩短了制备周期.C/SiC/C三层界面不仅可降低纤维/基体之间结合强度界面,提高了复合材料韧性;而且减缓了氧化性气体扩散到碳纤维表面的速度,改善了复合材料的抗氧化性能.复合材料的抗弯强度达到455MPa,断裂韧性达到15.7MPa·m-1/2.在1300℃空气中氧化3h,复合材料失重仅8.5%.     

碳／碳复合材料飞机刹车盘的研制

探索了碳／碳复合飞机刹车材料的制备技术。文中对总体方案进行了细致的分析，确定了稳定可靠的工艺参数，用快速定向扩散新技术通过化学气相沉积法研制了碳／碳复合材料飞机刹车盘。试验表明该复合材料刹车盘只有良好的耐磨损性能。     

电耦合CVI制备穿刺C/C喉衬材料的微结构及性能

采用电耦合化学气相渗透（CVI）联合树脂浸渍碳化工艺制备了穿刺碳纤维预制体增强C/C喉衬材料,利用μ-CT表征了穿刺C/C材料增密不同阶段孔隙尺寸,研究了该材料2 800℃拉伸性能和缩比固体发动机烧蚀性能。结果表明,电耦合CVI增密后穿刺C/C喉衬材料孔隙主要存在于纤维束间,呈现空间联通的网状结构,树脂碳循环致密后材料内部仍残存少量体积0~0.08 mm³的微小孔隙,孔隙呈现孤立的点分布状态。穿刺C/C材料2 800℃拉伸强度略高于室温,断裂应变比室温提高118%,表现出优异的非线性断裂行为。穿刺C/C喉衬缩比固体发动机点火试验后线烧蚀率0.077 mm/s,喉衬不同区域的烧蚀机制有一定差异,喉衬收敛段穿刺纤维束承受驻点烧蚀,产生蜂窝状烧蚀凹坑,烧蚀较严重,喉部和扩散段烧蚀较为平滑。     

Development and Characterization of C/C-SiC Brake Disc

A new process was developed to produce full-size carbon/carbon-SiC brake discs consisting of two friction layers and a structural layer. Different lengths of chopped carbon fibers were used for the friction layers and structural layer. A preform of each layer was produced by hot-pressing a mixture of resin and carbon fibers. After pyrolyzing the preforms, the layers were joined by hot-pressing. Finally, liquid Si infiltration was performed to obtain a C/C-SiC brake disc. The tensile strength, compressive strength, and bending strength were 40, 46, and 61 MPa, respectively. The density of the disc was 2.1 g/Cm³. The heat transfer coefficient in the vertical direction was 16.5 W/m-°C, and it was 45.9 in the horizontal direction. The friction coefficients obtained under various braking conditions showed stable and suitable values, 0.2–0.6.     

CVI-GSI工艺制备C/C-SiC复合材料的组成结构与力学性能

采用密度为1.0g/cm~3的C/C素坯,联合化学气相渗透(CVI)和气相渗硅(GSI)2种工艺制备C/C-SiC复合材料,研究CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度对CVI-GSI C/C-SiC复合材料物相组成、微观结构及力学性能的影响。结果表明:随着CVI C/C-SiC复合材料中间体密度的增大,CVI-GSI C/C-SiC复合材料C含量增多,残余Si含量减少,SiC含量先增多后减少,CVI-GSI C/C-SiC复合材料的密度先增大后减小;随着CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度由1.27g/cm~3增加到1.63g/cm~3时,得到的CVI-GSI C/C-SiC复合材料的力学性能先升高后降低。当CVI C/C-SiC复合材料密度为1.42g/cm~3时,制得的CVI-GSI C/C-SiC复合材料力学性能最好,其弯曲强度为247.50MPa,弯曲模量为25.63GPa,断裂韧度为10.08MPa·m~(1/2)。     

化学气相沉积碳／碳复合材料性能研究

分析了化学气相沉积碳／碳（Ｃ／Ｃ）复合材料的刹车力矩和刹车速度的关系曲线及影响因素，结果表明，刹车力矩一刹车速度曲线上的初始力矩峰值随着摩擦界面温度的升高而增大，提高材料的石墨化度、改变刹车盘的结构、降低刹车比压的施加速度都可以降低初始力矩峰值，改善Ｃ／Ｃ材料的摩擦性能．Ｃ／Ｃ复合材料具有良好的自润滑性能，其磨损率仅为１．２×１０－３ｍｍ／次．它们具有较高的机械性能和热物理性能，完全可以满足飞机刹车的要求．     

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。     

C/C复合材料再生利用新技术研究

确定了一种碳／碳（简称C／C）复合材料飞机刹车盘再生利用新技术,通过对再生后样品力学性能测试和SEM分析表明其层间剪切强度比未再生前高,层间破坏未发生在粘接面上。研制出了与再生炭盘相匹配的防氧化涂层,实验表明这种涂层具有良好的氧化防护性能。地面动力模拟试验证明这种技术安全可靠,用其再生的炭盘满足飞机使用要求。     

PIP结合CVI制备氧化铝-莫来石陶瓷基复合材料

通过PIP结合CVI法制备了C纤维增初三维氧化铝-莫来石陶瓷基复合材料,采用CVD法制备了防氧化涂层,研究了复合材料致密化过程、复合材料的物相、微观结构、力学性能和抗氧化性能。结果表明,CVI能够将氧化硅引入到多孔氧化铝基体内部,1400℃处理后氧化硅与氧化铝完全反应生成莫来石,显著提高了仅以PIP法制备的多孔氧化铝基复合材料的力学性能,CVD制备的氧化硅涂层有效阻止了氧气的侵入,复合材料在1200℃大气环境下保温50h后,试样三点弯曲强度保持率为70％。     

C/C 复合材料热梯度CVI 工艺的数值模拟研究

TCV I(热梯度CV I) 工艺是一种很有潜力的C/C 复合材料制备工艺, 它可以在较短的时间内制备出密度均匀性较高的C/C 复合材料制件。本文根据传热、传质理论及C/C 复合材料预制体的结构特点建立了TCV I 过程的动力学模型和几何模型, 在该模型的基础上利用数值模拟技术对该工艺进行了模拟和分析。模拟结果为TCV I工艺的开发和应用提供了理论依据。     

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。