整体毡碳/碳复合材料的高温剪切性能研究

运用双槽口剪切试验方法测试了碳纤维增强碳基复合材料(C/C)在室温、700℃、1000℃、1400℃下的剪切强度,并用扫描电子显微镜(SEM)观察了材料的原始组织形貌和断口微观形貌。结果表明:材料的剪切强度在一定范围内随温度的升高而增加,材料Z向的剪切强度优于XY向。通过SEM观察分析可知,材料XY向和Z向纤维的含量明显不同;室温下,C/C复合材料的破坏形式有纤维拔出及断裂,而高温下,失效形式主要为纤维的拔出、纤维/基体界面脱粘等。     

径棒法编织C/C复合材料高温拉伸性能研究

采用化学气相沉积、沥青浸渍-高压碳化混合致密工艺向径棒法编织的预制体内引入基体碳,实现高密度(≥1.94g/cm3)炭/炭复合材料制备。利用快速通电加热测试技术,模拟C/C复合材料的高温工作环境,研究不同温度下材料的环向拉伸性能。结果表明:在2 300℃时,材料拉伸强度最大(80.3 MPa),断裂应变随着温度的升高而增加。采用扫描电镜对试样及断口形貌进行观察,发现测试温度、机加损伤及试样过渡区应力集中影响材料断裂特征。温度为1 800℃、2 300℃时材料在过渡区断裂;温度为2 800℃时,材料在标距区发生破坏,纤维与基体界面结合强度低,纤维拔出多,表现出假塑性断裂特征。     

Z向增强平纹编织C/SiC复合材料层间剪切强度(英文)

碳纤维平纹编织物和穿透厚度的碳纤维Z-pins制作的预成型体,通过化学气相渗透工艺制备了Z-pins增强平纹编织C/SiC复合材料。采用双缺口剪切压缩试验测定了Z-pins增强平纹编织C/SiC复合材料的层间剪切强度,通过断口的电镜照片分析了层间剪切的破坏机理。研究了Z-pins个数对层间剪切强度的影响。结果表明:与未增强陶瓷基复合材料相比较,当Z-pins个数达到一定数量时,Z-pins插入能够提高层间剪切强度,层间剪切强度随Z-pins个数的增多而增加。Z-pins插入改变了陶瓷基复合材料的层间破坏机理,使层间织物与基体的脱离变为Z-pins的剪切破坏和层间织物与基体脱离的双重破坏机制。     

三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为研究

通过研究三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为,发现应力-应变行为包括起始段的非线性滞弹性、线弹性、非线性损伤及应力下降失效4个阶段,循环加载-卸载实验表明线弹性阶段应力-应变行为的重复性好,而非线性损伤阶段则与加载历程有关。面内压缩失效主要是端部分层脱粘和分层劈裂,受纤维/基体界面结合强度影响较大。     

基于Weibull模型的C/C复合材料销钉剪切强度分布及本构关系

针对C/C复合材料销钉力学性能各向异性的特点,开展基于Weibull分布模型的C/C销钉剪切强度分布及本构关系研究,探讨不同剪切方向对C/C销钉剪切强度和剪切本构的影响规律。基于两参数Weibull分布模型,采用最小二乘法获得不同剪切方向上剪切强度的分布规律;根据C/C复合材料损伤失效机制,采用基于Weibull分布的弹性损伤模型表征材料的剪切本构关系,并通过试验数据获取损伤模型中的参数。结果表明:通过Kolmogorov-Smirnov拟合优度检验,两参数Weibull分布模型能较好地表征C/C销钉剪切强度的分布规律;沿45°方向剪切的C/C销钉,其剪切强度最高;随着剪切角度的增大销钉剪切刚度逐渐降低,从0°方向上的19.46 kN/mm下降到90°方向上的12.70 kN/mm。      

热残余应力对C/SiC复合材料界面剪切强度影响的有限元分析

根据C/SiC复合材料的属性,建立单纤维顶出的二维轴对称模型,采用有限元法对C/SiC复合材料的界面剪切强度进行数值研究,分析中考虑材料制备过程中的残余应力对界面剪切强度的影响,在细观力学层面上系统分析纤维顶出过程的界面剪应力及其相关影响因素。分析得出,残余应力会对界面造成损伤,降低界面脱粘载荷。材料的界面承受能力与热膨胀系数呈正相关,与固化温度呈负相关。     

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

细编穿刺C/C复合材料不同层次界面剪切强度的测试分析

利用原位测试系统得到细编穿剌C/C复合材料纤维／基体及纤维束／基体两种不同层次界面的顶出实验数据,然后利用界面弹簧模型对纤维及纤维束的顶出实验过程进行有限元法计算机模拟,编制了分析程序,得到了不同层次界面的剪切强度值。     

针刺C/C-SiC复合材料剪切非线性本构关系

为研究针刺C/C-SiC复合材料的剪切损伤行为,首先,进行了面内剪切加卸载实验,并利用SEM对复合材料的剪切破坏形貌进行了观测;然后,建立了一种塑性与损伤相结合的非线性本构模型描述复合材料的非线性力学行为,以幂函数描述等效塑性应变与等效应力的关系;最后,基于剪切强度的Weibull分布规律提出了一种指数型损伤变量表征剪切刚度的退化,并通过实验数据拟合得到模型中的参数。结果表明:复合材料在卸载后存在明显的残余应变,卸载模量随载荷的增加不断降低,表现出明显的剪切非线性特征;大量无纬布纤维束和纤维单丝拔出,且易在针刺部位发生破坏;由于针刺部位等缺陷的不规律分布,剪切强度存在一定的分散性,符合指数型Weibull统计分布规律;复合材料的剪切非线性主要由基体开裂和纤维/基体界面脱粘等内部损伤引起,从宏观上可以解释为塑性变形和刚度性能折减。所得结论表明本构模型能够很好地表征C/C-SiC复合材料的面内剪切非线性行为。      

中间层厚度对LAS玻璃陶瓷与C/C复合材料连接强度的影响

采用不同厚度的MgO-Al2O3-SiO2(MAS)玻璃作为中间层,对表面改性炭/炭(C/C)复合材料与Li2CO3-Al2O3-SiO2(LAS)玻璃陶瓷进行热压连接,重点研究了中间层厚度对接头强度的影响,并利用扫描电子显微镜(SEM)对连接界面及剪切断口的微观组织和形貌进行了分析.结果表明:没有添加中间层时,接头强度仅为10MPa;采用MAS玻璃作为中间层时,接头室温剪切强度随着中间层厚度的增加先增大后减小,当中间层厚度为80μm时,获得的接头剪切强度最大,为26.61MPa.     

增强毡C/C复合材料的结构和性能

设计了两种不同结构的预制体,即碳布 碳毡(1#预制体)、无纬布 碳毡(2#预制体),经化学气相沉积(CVD)与浸渍树脂相结合的致密化工艺制备出了高密度的增强毡C/C复合材料.结果表明:1#、2#预制体制备的C/C材料表现出了良好的力学性能,其拉伸强度分别达61.25MPa和53.12MPa,其中2#材料的拉伸破坏表现出了假塑性.结合材料的微观形貌研究了预制体结构、界面对C/C复合材料拉伸性能的影响.     

最终热处理温度对针刺无纬布C/C复合材料性能的影响

以针刺无纬布预制体为增强体,采用化学气相渗透与沥青浸渍/高压炭化工艺制备高密度(≥1.90g/cm~3)的C/C复合材料,对完成致密的材料分别进行了900℃及1500℃的最终热处理,研究了最终热处理温度对C/C复合材料力学性能、热膨胀系数的影响。结果表明,与未处理的试样相比,经过最终热处理的试样孔隙率明显增大,热处理温度越高孔隙率越高,经过1500℃热处理的试样孔隙率达到9.05%,高出58.2%;经过最终热处理的试样力学性能及轴向热膨胀系数均下降,并且随着热处理温度的升高,轴向热膨胀系数降低越明显,经过1500℃处理的试样1000℃下轴向热膨胀系数由处理前的2.120×10-6/℃降至1.002×10-6/℃,降低幅度达53%,而力学性能总体降低幅度不是很大。     

高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能

为获得高性能针刺碳/碳复合材料,拓展其应用领域,通过优化针刺工艺参数,设计并研制了不同结构参数的针刺预制体。采用沥青高压致密化工艺将针刺预制体制备成一系列针刺碳/碳复合材料,研究了针刺碳/碳复合材料的微观结构、力学性能和热物理性能。结果表明,针刺预制体的针刺深度、针刺密度以及短/长纤维配比等对碳/碳复合材料的力学性能和热物理性能影响显著。当针刺深度为12mm、针刺密度为22针/cm2、短/长纤维比例为1.0:4.8时,针刺碳/碳复合材料表现出优良的综合性能,拉伸、压缩、弯曲、面内剪切和层间剪切强度分别达到207、228、285、54和28 MPa。     

顶出法对细编穿刺碳/碳复合材料界面强度的研究

研制了一套表征碳／碳（Ｃ／Ｃ） 复合材料界面力学性能的单丝顶出测试系统, 实现了对碳纤维的单丝顶出测试。利用该仪器测定了不同工艺条件下制备的几组Ｃ／Ｃ复合材料样品的界面粘接性能, 研究了界面剪切强度和复合材料拉伸强度之间的关系     

Interfacial Shear Strength Measurements of SiC Fiber-Reinforced Titanium Composites

A continuous loading push-out test technique was used to measure the interfacial shear strength of SiC fiber reinforced Ti matrix composites. The interracial shear strength of samples as-fabricated and after heat exposed at 700 and 800℃ for 50 h was successfully determined. It has been found that the interfacial shear strength of the specimen exposed at 700℃ was higher than that of as-prepared and exposed samples at 800℃. The shear strength of the as-prepared samples was about 112.45 MPa, and increased to about 153.77 MPa after heat-treating at 700℃ for 50 h, but decreased to 133.11 MPa after treating at 800℃ for 50 h. Scanning electron microscope (SEM) was used to investigate the interfacial morphology of the samples. The brittle phase was the main products of interface for samples exposed at 800℃, and the interface was easily peeled off.