2D-C/C复合材料结构与性能的研究进展

2D-C/C复合材料是以二维碳纤维为增强体,以化学气相渗透的热解碳或液相浸渍炭化的树脂碳、沥青碳为基体组成的一种纯碳多相二维结构材料,是一种新型高性能结构功能复合材料,大量运用在航空航天等高新技术领域.目前研究集中于其宏观性能方面,难点在于其组织结构和性能的可控性、可调性.主要介绍了二维碳纤维预制体和针刺碳纤维,基体碳的微观结构和添加剂,纤维/基体界面和界面修饰,以及制备工艺对2D-C/C复合材料性能的影响.结合2D-C/C复合材料的结构特点,概述了2D-C/C复合材料热物理性能、力学性能及氧化烧蚀等行为的各向异性.此外,还展望了其研究发展方向.     

2D-C/SiC复合材料的氧化损伤及刚度模型

采用不同界面强度的2种2D-C/SiC试件,在空气环境中进行700℃无应力氧化试验。通过扫描电镜(SEM)分析发现：材料表面的氧化机制为反应控制,纤维均匀变细;内部的氧化机制为扩散控制,被氧化的纤维产生了缺口或者局部缩颈现象。纤维氧化使有效承载面积减小,导致材料的模量和强度下降。强界面材料模量高而强度低,断口整齐;弱界面材料模量低而强度高,纤维拔出较长。基于以上 SEM分析结果,建立了细观力学模型,对起始模量进行模拟计算,获得了与试验值比较吻合的结果。     

压-压疲劳加载对2D-C/C复合材料导热性能的影响

对二维编织炭/炭复合材料(2D-C/C复合材料)进行压-压疲劳试验,疲劳加载条件分别为应力水平1000 N、2000 N和3000 N,循环周次为10~4、1×10~5、3×10~5次时,并测试其疲劳加载前后试样的导热性能,研究了压-压疲劳加载对其导热性能的影响.结果表明,压-压疲劳加载没有改变2D-C/C复合材料试样的热扩散系数随温度升高而减小以及比热容随温度升高而增大的基本规律,但是压-压疲劳加载使其热导率、热扩散系数随着应力水平和循环周次的增大而降低,而其比热容的变化较小.在压-压疲劳加载过程中,2D-C/C复合材料疲劳损伤的产生和积累导致其导热性能降低.     

MSI工艺制备C/SiC复合材料的氧化动力学和机理

以针刺整体炭毡为预制体, 采用CVD+MSI工艺制备了C/SiC复合材料, 借助XRD和SEM研究材料的微观组织, 通过等温氧化失重和非等温热重分析研究材料的氧化反应动力学和反应机理. 结果表明: MSI工艺所制备的C/SiC材料致密度高, 物相组成为类石墨结构的C、反应生成的SiC和残留Si. 其等温氧化反应机理: 第Ⅰ阶段为反应控制, 第Ⅱ和Ⅲ阶段为扩散和反应共同控制; 材料的非等温氧化过程呈现自催化特征, 氧化机理为随机成核, 氧化动力学参数为: lgA=8.752min^-1, E_a=169.167kJ·mol^-1. 与C/C材料相比, C/SiC材料有较差的低温氧化性能和稳定的高温氧化性能, 这与MSI的工艺特征密切相关.     

2D-C/C复合材料及其石墨化制品烧蚀特性分析

以液化石油气为碳源,2D炭纤维织物为基体,通过1000℃~1100℃沉积热解炭,制备了沉积态2D-C/C复合材料。通过对沉积态2D-C/C复合材料在2800℃热处理10h制备了石墨态2D-C/C复合材料。采用小型发动机烧蚀实验对两种复合材料的烧蚀性能进行了测试和评价;通过比较两种复合材料的孔隙分布、基体和纤维的结合强度以及热导率,解释了它们不同的烧蚀特性和烧蚀机理。结果表明:沉积态2D-C/C复合材料由于孔隙分布少、基体和纤维结合强度大、面间热导小,烧蚀主要由热化学反应(氧化)控制,烧蚀表面平整,烧蚀率为0.033mm/s。石墨态2D-C/C复合材料由于孔隙分布多、基体和纤维结合强度小,烧蚀主要由氧化和机械剥蚀控制,烧蚀表面出现烧蚀坑,烧蚀率为0.046mm/s。     

C/SiC复合材料应力氧化失效机理

研究了干氧和湿氧两种气氛、疲劳和蠕变两种应力下C/SiC复合材料在1300℃的应力氧化行为. 试验结果和断口形貌SEM分析表明: C/SiC复合材料在疲劳应力下比在蠕变应力下具有更强的抗氧化能力和更长的持续时间; 干氧环境中的蠕变试样以C纤维氧化失效为主; 水蒸气的存在加剧了SiC基体的氧化, 并且使受蠕变应力的C/SiC复合材料以SiC基体氧化失效为主.     

2D-C/SiC复合材料轴向加载泊松效应

基于单调和循环加卸载实验,测试获得了不同加载过程中2 D-C/SiC复合材料在纤维束轴向方向上的泊松曲线,并对比分析了轴向损伤演化进程对材料泊松效应的影响.结果表明,在拉伸损伤加剧过程中,材料表现出显著的负泊松比行为;在加载损伤停滞状态下,材料则表现为近似线性正泊松比行为.加载过程中材料的泊松效应随着损伤程度的增加而不断减弱.结合扫描电镜断口结果分析可知,拉伸损伤加剧过程中材料内部沿加载方向上不断产生的基体开裂和界面脱粘损伤引起的材料沿垂直加载方向上的伸长变形,大于并掩盖了拉伸载荷在垂直加载方向上引起的弹性收缩变形,是导致2 D-C/SiC复合材料表现出显著负泊松比行为的主要原因;加载损伤加剧过程中产生的大量开裂损伤导致的材料整体连续性的降低是导致其泊松效应不断减弱的主要影响机制.     

ZrO2-C-ZrB2复合材料的氧化动力学

通过差热-热重分析研究了ZrB₂含量为10 %的ZrO₂-C-ZrB₂复合材料在800～1100℃下空气中的氧化动力学,根据气固相反应原理建立氧化动力学模型,计算反应表观活化能,并得到氧化速率与温度的经验关系式。结果表明,试样在 800℃时的氧化过程仅有化学反应控速阶段与化学反应和气体扩散共同作用的混合控速阶段。900～1100℃的氧化过程为前期是化学反应控速阶段,中期为混合控速阶段,后期为扩散控速阶段。三个阶段的表观活化能分别为111.7、71.5和166.0kJ·mol-1 。材料等温氧化的质量变化规律表明在900℃～1100℃内的氧化属于保护型氧化。     

2D-C/SiC复合材料开孔件拉伸强度有限元计算

对2D-C/SiC复合材料开孔试件最小净截面图像进行观测,获得试件材料内部宏观孔洞的分布形态及密度分布梯度。通过对2D-C/SiC复合材料拉伸应力-应变行为进行非线性拟合,并利用理论模型计算与实验验证相结合的方法得到了材料密度与其拉伸模量和强度的关系,描述了不同密度2D-C/SiC复合材料的拉伸应力-应变行为。在此基础上,将制备工艺造成的试件材料密度分布的非均匀性和材料拉伸应力-应变行为的非线性引入到有限元模型中,进行开孔试件拉伸剩余强度模拟计算,预测结果与实验结果吻合较好。     

中间相沥青族组成制备C/C复合材料及性能研究

用甲苯和喹啉试剂对中间相沥青进行分割提取,分割成甲苯不溶物(TI)、喹啉可溶物(QS)及甲苯不溶喹啉可溶物(TI-QS)等部分。以中间相沥青(MP)及不同族组成为基体前驱体,T800碳布为增强体,通过热模压成型,经过炭化、石墨化制备出二维碳/碳(C/C)复合材料。用偏光显微镜和扫描电镜对样品的形貌和微观结构进行了表征,测试了样品的电阻率和抗弯强度。结果表明:以TI-QS为基体制备的C/C复合材料性能最佳,密度达到1.42g·cm-3,抗弯强度为99.09MPa,电阻率为1.01×10-5Ω·m。     

2D-C/SiC缺口试样的拉-拉疲劳损伤

研究了二维正交编织C/SiC双边对称圆弧缺口试样室温和高温真空的拉拉疲劳行为,正弦波疲劳应力比R=0.1,频率60Hz,循环基数106次.循环到规定周次停机,测量试样的共振频率、电阻,并进行SEM观察.结果表明,2D-C/SiC复合材料缺口试样拉-拉疲劳的S-N曲线非常平坦,其疲劳极限是同温度下缺口试样拉伸强度的80%～90%,光滑试样和缺口试样的疲劳极限比值与理论应力集中系数基本相同.缺口试样在疲劳过程中,电阻表征损伤与模量表征损伤的规律基本一致.在疲劳试验初期阶段,缺口附近损伤发展很快,主要表现为产生大量与加载方向垂直的裂纹,随着疲劳次数的增加,损伤发展减缓,但损伤形式逐渐增多,缺口附近与加载方向垂直的裂纹数量明显多于平行加载方向的裂纹数.讨论了电阻表征损伤和模量表征损伤之间的关系.     

1D—C／C拉伸断裂的SEM动态原位观察

采用动态ＳＥＭ原位技术对一种单向炭／炭复合材料（１Ｄ－Ｃ／Ｃ）的拉伸断裂过程进行了跟踪观察。结果表明，该材料为表面多处随机起裂，主裂纹择优扩展，表面裂纹扩展时裂纹尖端的表层热解炭基体发生塑性变形，塑变区形状与由Ｍｉｓｓｅｓ屈服准则所预测的塑性区尺寸符合得很好。     

分形维数和弹性模量衰减表征2D-C/SiC的拉伸蠕变损伤

真空条件对2D—C／SiC复合材料在1300℃和1500℃进行了高温拉伸蠕变试验，蠕变进行到0、0．5h、2h、10h、25h、50h中断试验，用SEM观察表面形貌，用盒维数法计算试样表面裂纹的分形维数；同时测量试样的弹性模量。结果表明，由于2D—C／SiC特有的蠕变损伤形式，所形成的损伤尺度都较短，其分形维数介于0～1之间。用分形维数和弹性模量衰减都可表征2D—C／SiC的蠕变损伤，两种损伤参量所描述的蠕变损伤总的发展趋势基本一致，即蠕变开始阶段损伤发展较快，随后进入缓慢发展的第二阶段。在第二阶段中，分形维数表征的损伤持续单调增加；而用弹性模量衰减表征的损伤在该阶段出现先下降随后升高的现象。以基体裂纹为主要损伤形式的条件下。分形维数主要反映蠕变试样局部的损伤，而弹性模量衰减反映的是蠕变试样整体的损伤。     

ZrB2-SiC/(C/C)复合涂层材料微观结构与静态氧化特性

采用涂刷法在C/C复合材料表面制备了ZrB₂-SiC复合涂层,采用XRD和SEM分析了涂层的相组成和微观结构,并研究了ZrB₂-SiC/（C/C）复合涂层材料在1 200℃和1 500℃的静态氧化性能。结果表明:ZrB₂-SiC涂层结构致密,无明显的孔洞和裂纹;涂层有效改善了材料的抗氧化性能,经1 200℃静态氧化60 min后,ZrB₂-SiC/（C/C）复合涂层材料失重率仅为2.4%,1 500℃时失重率增大至15%,小于无涂层保护的C/C复合材料（~35%）。ZrB₂-SiC/（C/C）复合涂层材料氧化后,形成了含有ZrO₂等高熔点颗粒的玻璃态SiO₂氧化膜,能够有效抑制氧的扩散,从而提高了C/C复合材料抗氧化性能。      

2D-C/SiC复合材料面内剪切性能统计及强度B基准值

针对2D-C/SiC复合材料进行大子样面内剪切实验,研究材料面内剪切模量和强度的分布规律及强度B基准值。运用线性回归结合假设检验的方法,确定2D-C/SiC复合材料面内剪切力学性能的分布规律及参数,对比两种不同经验失效概率得到统计结果;通过观察试样最窄净截面微CT照片及断口电镜扫描照片,解释材料面内剪切强度分散性微观机制,基于分布规律,最终计算得到2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值。结果表明:强度和模量均同时服从威布尔、正态和对数正态分布,且理论模型与实验结果吻合良好,两种经验失效概率不影响力学性能分布规律;面内剪切强度分散性与最窄净截面致密度和界面脱粘长度有关;2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值为80.41MPa。     

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

二维编织C/SiC复合材料非线性损伤本构模型与应用

基于二维编织C/SiC复合材料的基本力学性能试验, 建立了该材料的宏观正交各向异性非线性损伤本构模型。模型中以可检测的应变作为变量, 采用形式简单的函数分别描述了单轴拉伸和剪切加载下的材料损伤演变下的应力-应变关系, 以及卸载状态的刚度变化规律。同时, 考虑了材料的单边效应以及拉压应力状态转换时的损伤钝化行为。将此本构模型编写成UMAT子程序并引入ABAQUS有限元软件, 可以完整描述该材料的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征, 及其加卸载历史。通过对带孔板的拉伸模拟, 孔边应变分布与试验结果吻合较好, 验证了本构模型的有效性。