热处理温度对热解炭及炭/炭复合材料力学性能的影响

以丙烷为气源,采用等温等压化学气相渗透技术制备了炭/炭复合材料,利用X射线衍射、偏光显微镜、扫描电镜、纳米压痕仪、三点弯曲法研究了热处理温度对热解炭以及炭/炭复合材料微观结构和力学性能的影响.微观结构观察显示随着热处理温度的升高,热解炭层间距减小,同时石墨化度提高;由于发生了局部应力石墨化,热解炭出现同心微裂纹,并且随热处理温度的升高裂纹的数量和宽度增加.纳米压痕测试表明,热解炭的纳米压痕行为是完全的弹性形变,完全卸载后热解炭表面没有残余压痕,但加载和卸载曲线没有重合而是存在一定的能量耗散,随着热处理温度的升高,热解炭的弹性模量增大.热处理后纤维强度降低,并且纤维与基体炭界面脱离,导致炭/炭复合材料的弯曲强度和模量下降.     

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。     

密度和纤维取向对炭/炭复合材料烧蚀性能的影响(英文)

采用不同的预制体和致密化方法制备了密度不同的5种炭/炭复合材料(密度范围1.77g/cm3～1.85g/cm3)。用氧-乙炔焰对试样进行了烧蚀试验,并用SEM表征了烧蚀后材料的形貌。结果表明:烧蚀后,与乙炔焰成30o角的纤维变成楔形,而与火焰平行的纤维变成直径为3.5μm～4.5μm的针状,针状纤维更易被火焰烧蚀而钝化。部分宏观孔(直径为1.0mm～1.26mm)、针状微孔及界面裂纹等缺陷处更易被烧蚀而变成烧蚀坑。包裹纤维的沥青炭层由于热解炭基体的不连续而出现了严重的剥蚀。高密度材料(1.85g/cm3)具有良好的抗烧蚀性能。     

纤维种类对炭/炭复合材料微观结构和力学性能的影响(英文)

采用6 K的预氧丝和炭纤维制备预制体,通过化学气相渗积制备炭/炭复合材料。通过偏光显微镜、拉曼光谱、纳米硬度和三点弯曲等手段研究其微观结构和力学性能。结果表明,预氧丝复合材料的基体为暗层和粗糙层炭,厚度分别为1.4-2.6μm和10.2-11.6μm;而炭纤维复合材料的基体为光滑层和粗糙层炭,厚度分别为8μm和4.4μm;预氧丝纤维的模量和硬度明显小于炭纤维,同时基体的模量和硬度随消光角的增加而降低;低模量的基体和纤维导致预氧丝复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和模量分别降低了14.5%-24.2%、9.7%-19.8%、7.3%-15.4%和15.1%-18.6%;但其韧性指数却提高了224%-235%,这是高含量的粗糙层炭和纤维的石墨化收缩所致;同时提出了一个三单元复合模型用来模拟复合材料的拉伸模量,模拟误差小于9.9%。     

CLVI技术制备炭/炭复合材料

利用化学液气相沉积工艺以煤油为前驱体,采用密度为0.4g/cm3的针刺炭纤维毡为预制体,10h内制备了壁厚为40mm,密度沿径向均匀分布,密度达1.70g/cm3的炭/炭复合材料盘形件.同时还阐明了用于制备炭/炭复合材料的化学液气相沉积工艺原理及工艺过程,利用偏光显微镜观察所得材料的微观组织结构属光滑层结构的热解炭.     

4D炭/炭复合材料试样尺寸对剪切性能的影响

以4D炭/炭复合材料为研究对象,对不同尺寸规格冲剪试样和三点短梁压剪试样进行了剪切性能测试,分析了试样尺寸对剪切性能的影响。研究表明,试样的尺寸规格对其剪切性能有着显著影响。对于冲剪试样,Φ50mm×4mm试样剪切强度测试值高于Φ50mm×6mm试样,Φ50mm×4mm试样呈韧性断裂特征;Φ50mm×6mm试样呈脆性断裂特征。对于三点短梁压剪试验,在所用的各尺寸规格试样中,40mm×6mm×6mm试样采用26mm跨距时,测试数据的离散性最小。     

4D炭/炭复合材料试样尺寸对剪切性能的影响

以4D炭/炭复合材料为研究对象,对不同尺寸规格冲剪试样和三点短梁压剪试样进行了剪切性能测试,分析了试样尺寸对剪切性能的影响。研究表明,试样的尺寸规格对其剪切性能有着显著影响。对于冲剪试样,Φ50mm×4mm试样剪切强度测试值高于Φ50mm×6mm试样,Φ50mm×4mm试样呈韧性断裂特征;Φ50mm×6mm试样呈脆性断裂特征。对于三点短梁压剪试验,在所用的各尺寸规格试样中,40mm×6mm×6mm试样采用26mm跨距时,测试数据的离散性最小。     

反应温度对水热改性炭/炭复合材料抗氧化性能的影响

以磷酸、B₄C、SiC和Al₂O₃粉料为原料, 采用一种新颖的水热法对炭/炭(C/C)复合材料基体进行了抗氧化改性. 重点研究了水热反应温度对改性试样的物相组成、微观结构及抗氧化性能的影响. 采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)及X射线光电子能谱(XPS)对改性后试样进行了表征. 结果表明：经过水热改性处理, 炭/炭复合材料表面缺陷被玻璃相B₂O₃、HPO₃和微晶Al(PO₃)₃所组成的涂层所覆盖, 材料的抗氧化性能明显提高; 抗氧化性能在120～200℃范围内随着水热改性温度的升高而提高; 在200℃水热改性后的炭/炭复合材料在700℃的空气中氧化10h后的质量损失仅为2.31%.     

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。     

硼和碳化硼对炭/炭复合材料抗氧化涂层性能的影响

炭/炭(C/C)复合材料抗氧化温度低,不适合用于飞机刹车盘。将5%,10%,15%,20%硼(B)或碳化硼(B4C)粉末掺入由45%Na2B4O7.10H2O,20%SiC,15%CaSO4.2H2O,10%SiO2,10%Al2O3和水组成的抗氧化剂中,制成抗氧化涂料,并将其涂覆在C/C复合材料表面,经800℃热处理,形成抗氧化涂层。采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层氧化前后的组成、形貌进行检测,研究了700℃氧化15h和900℃氧化2h后涂层的抗氧化性能。结果表明:B和B4C的含量对涂层的抗氧化性有一定的影响,当B4C含量为20%时,涂层的抗氧化效果最佳,氧化失重率低,分别为0.73%(700℃,15h)和0.64%(900℃,2h)。用B4C取代B粉制备抗氧化涂层,既可以满足飞机刹车盘抗高温氧化的要求,又能节约生产成本。     

纤维表面处理对C/C复合材料组织与性能的影响

采用CVI涂层和400℃空气氧化技术对炭纤维进行表面处理,借助偏光显微镜(PLM)、扫描电镜(SEM)和弯曲性能测试研究了炭纤维表面处理对2D中间相沥青基炭/炭复合材料的组织结构与弯曲性能的影响.结果表明:两种表面处理的材料均具有韧性断裂特征,CVI涂层表面处理后材料的"假塑性效应"更为显著,但是其抗弯强度较低,基体炭的组织结构为具有光学活性的热解炭和中间相沥青炭的流线型、广域流线型组织,材料内部形成多层次的界面结构,在断裂破坏过程中,主要发生基体内聚破坏;400℃空气氧化表面处理的材料的基体炭的组织结构为中间相沥青炭的小域、广域流线型组织,材料在断裂破坏过程中,表现为混合破坏,即基体内聚破坏和界面粘结破坏同时发生.     

纤维体积分数对W纤维/Zr基非晶合金复合材料压缩性能的影响

采用渗流铸造法制备了含不同体积分数W纤维的W_f/Zr基非晶合金复合材料,其中W_f体积分数分别为47%、66%、77%和86%。研究了W_f体积分数对Zr基非晶复合材料室温准静态压缩力学性能以及变形行为的影响。结果表明:随W_f体积分数的增加,W_f/Zr基非晶复合材料的屈服强度单调增大,塑性应变先增大后减小,W_f体积分数为66%时塑性应变最大,W_f/Zr基非晶复合材料塑性应变的变化主要取决于非晶基体和W_f相互作用的程度。随着应变量的增大,基体中剪切带的数量和密度也随之增大,主剪切带向大于45°方向偏转。由于压头的影响,W_f/Zr基非晶复合材料压缩过程中样品端部和中部的受力状态不同,导致两部分的剪切带方向也明显不同。随W_f体积分数的增大,W_f/Zr基非晶复合材料的断裂方式由剪切断裂向纵向劈裂转变,断裂行为符合摩尔库伦准则。     

纤维束分布对复合材料有效性能的影响

针对纤维束增强相在基体材料中的分布方式不同,建立了由固体基体和纤维束增强相两相介质组成的复合材料细观力学模型。假设该模型的细观结构呈周期性均匀分布,纤维束内的纤维接触是光滑的。采用二尺度展开法计算了复合材料的有效性能,得出了不同微结构分布的复合材料的刚度系数、横向弹性模量、泊松比和剪切模量随纤维束体分比的变化曲线,并将数值结果与实验数据进行了比较。研究表明,数值结果与实验数据有较好的吻合,增强相的分布直接影响到复合材料的力学性能。     

石墨化度及纤维含量对C/C复合材料性能的影响

以短切高模炭纤维为增强体.制备C/C复合材料,并采用XRD、SEM等方法研究了纤维体积含量和石墨化度对复合材料性能的影响.结果表明:当短切高模炭纤维体积含量小于7%时,随着炭纤维体积含量增加,C/C复合材料的力学性能逐渐升高,高于7%时力学性能降低;随着石墨化度提高,C/C复合材料的力学性能显著降低,短切高模炭纤维增强作用下降;C/C复合材料的石墨化度对电阻率影响大,纤维体积含量对电阻率几乎没有影响;C/C复合材料的石墨化度对材料的抗氧化性影响显著.     

WC体积分数对WC_p/Fe复合材料组织及压缩性能的影响

为研究WC体积分数对WC_p/Fe复合材料组织、界面及压缩性能的影响,采用粉末烧结法制备了不同WC体积分数的WC_p/Fe复合材料。结果表明:在不同WC体积分数的WC_p/Fe复合材料中,WC颗粒发生了不同程度的溶解,其与基体间均呈冶金结合。随着WC体积分数的增加,WC_p/Fe复合材料的界面等效宽度呈现递减趋势,当WC体积分数为50%时,界面等效宽度最小,为39.8μm;复合材料的压缩强度呈先增大后减小趋势,当WC体积分数达到45%时,压缩强度达到最大值;复合材料的断裂方式由准解理断裂逐渐转向纯解理断裂,当WC体积分数达到50%时,WC_p/Fe复合材料的断裂方式为纯解理断裂。     

热梯度CVI技术制备炭/炭复合材料

为了阐明用于制备炭/炭复合材料的热梯度化学气相沉积工艺原理,分析了沉积过程中随着热解沉积区域的移动,发热体的电阻值以及加在发热体两端功率的变化规律,并利用偏光显微镜观察了材料的粗糙层、光滑层热解炭微观组织结构.结果表明:随着沉积过程的进行,TCVI中加在电极两端的功率呈非线性升高,而电阻值呈非线性降低;利用TCVI工艺在320 h内制备了φ240 mm×φ80 mm×33 mm的盘形件,且炭/炭复合材料的密度均匀性好,密度均大于1.70g/cm3.     

湿热老化对玻璃纤维/环氧树脂复合材料性能的影响

为研究玻璃纤维(GF)/环氧树脂复合材料湿热老化机制, 首先, 利用称重法、动态热机械分析仪(DMA)、SEM和矢量网络介电分析仪研究了湿热老化对GF/环氧树脂608(EP608)复合材料性能的影响;然后, 分析了复合材料的吸湿率、力学性能、介电性能与老化时间的关系, 并对其老化机制进行了探讨。结果表明:随老化时间延长, GF/EP608复合材料的力学性能和介电性能均有不同程度的下降;湿热老化对GF/EP608复合材料吸湿率的影响符合Fickian扩散定律;树脂基体的塑化、水解和基体-纤维界面的破坏是造成GF/EP608复合材料力学性能和介电性能下降的主要因素。所得结论可为GF增强环氧树脂基复合材料的应用提供科学依据。      

三维C/C复合材料的压缩性能及破坏机制

采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜观察和力学性能测定的方法,研究了三维C/C复合材料微观结构形貌,以及材料x向、y向和z 向的压缩性能。结果表明,材料内部缺陷明显,纤维束/基体界面结合较弱,材料z向压缩强度和破坏应变均大于x向和y向,压缩应力-应变曲线开始阶段近似线性,随着载荷的增加,曲线表现出明显的非线性特征。从宏观上考察了材料的压缩破坏机制,材料x向、y向和z向破坏模式均为剪切型破坏,纤维/基体界面结合强度对破坏模式影响明显。     

溶胶配比对碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料力学性能的影响

以异丙醇(I)为溶剂、 六次甲基四胺(H)为催化剂, 配制间苯二酚(R)-糠醛(F)的醇溶胶, 经浸渍纤维预制件、凝胶老化、超临界干燥和炭化制得碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料。研究了溶胶配比对碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料密度、微观结构和力学性能的影响规律。结果表明:随着异丙醇与间苯二酚物质的量之比增大, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度逐渐降低, 基体炭气凝胶内及与碳纤维形成的界面内孔径增大, 大孔数量增多, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的强度降低。当异丙醇与间苯二酚物质的量之比由18增加到28时, 压缩强度由2.498 MPa(应变10%)降至0.716 MPa(应变10%), 拉伸强度由2.019 MPa降至1.001 MPa, 弯曲强度由3.984 MPa降至1.818 MPa。随着六次甲基四胺与间苯二酚物质的量之比增大, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度先增大后减小, 基体炭气凝胶内及与碳纤维形成的界面内孔径先减小后增大, 大孔数量先减少后增加, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的强度先增大后减小。当六次甲基四胺与间苯二酚物质的量之比为0.008 5时, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度最大, 强度最大, 其压缩强度为1.066 MPa(应变10%), 拉伸强度为1.256 MPa, 弯曲强度为3.556 MPa。      

纳米碳管／聚酰亚胺复合材料制备与性能研究

利用纳米碳管的N甲基吡咯烷酮分散液，通过改变纳米碳管表面的性质和薄膜的制备条件，成功地制备了一系列均匀的纳米碳管，聚酰亚胺薄膜。研究结果表明，添加酰氯化后的纳米碳管到聚酰亚胺中可以改善聚酰亚胺的拉伸性能，而对聚酰亚胺的热稳定性和光学性质没有明显的影响。当添加1．0％的纳米碳管时，与纯PI相比复合材料的弹性模量增加了25．6％，拉伸强度增加了31．0％，断裂伸长率增加了7．6％。