不同热解碳界面层厚度C/ZrC-SiC复合材料烧蚀性能及其机理

通过控制沉积时间制备S5-C/ZrC-SiC、S15-C/ZrC-SiC、S30-C/ZrC-SiC和S50-C/ZrC-SiC等不同热解碳界面层厚度的复合材料,研究了不同热解碳界面层厚度C/ZrC-SiC复合材料的密度与微观组织、烧蚀性能的变化规律及其机理。结果表明：随着热解碳界面层厚度的增大,C/ZrC-SiC复合材料SiC基体含量、密度和气孔率不断降低,但是裂解ZrC基体的含量表现出先降低而后增大的变化规律。S30-C/ZrC-SiC复合材料20 s短时间氧乙炔烧蚀性能最优,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别-0.84 mg/s和3.00 μm/s;但是S15-C/ZrC-SiC复合材料长时间循环60 s烧蚀性能最优,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.22 mg/s和3.80 μm/s。其原因是,C/ZrC-SiC复合材料20 s氧乙炔烧蚀作用机理主要为机械冲刷,而C/ZrC-SiC复合材料的第二次60 s氧乙炔烧蚀发生了由机械冲刷向热物理和热化学烧蚀机理的转变。     

6421双马来酰亚胺树脂的反应流变性及树脂传递模塑成型工艺研究

对用于RTM工艺的6421双马来酰亚胺（BMI）树脂体系的反应流变特性进行了研究，并根据流变特性确定RTM工艺的两个主要参数：模具温度110－140摄氏度，注射压力小于0．5MPa，结果表明，按此工艺条件可顺利成型先进RTM复合材料，且复合材料的表面质量良好，孔隙率低，达到先进复合材料的性能要求，同时对RTM成型的编织复合材料的力学性能进行了初步的表征。     

超声处理对碳纤维/聚芳基乙炔复合材料力学性能与烧蚀性能的影响

通过将超声直接作用于聚芳基乙炔树脂(PAA)的方法,研究了超声处理对PAA树脂本体的影响,并把超声处理应用于RTM成型工艺中,研究了超声处理对平板CF/PAA复合材料力学性能与烧蚀性能的影响.结果表明:经过最佳处理时间60s左右的超声处理,碳纤维/聚芳基乙炔树脂复合材料的力学性能以及耐烧蚀性能均有所提高.复合材料综合性能的提高主要是由于超声处理后树脂与纤维之间的浸润性提高,纤维与树脂之间的界面粘结性能得到改善.     

ZrB2和POSS对碳布/酚醛复合材料烧蚀性能的影响

以ZrB2为改性剂,采用热压工艺制备了碳布/酚醛复合材料,通过氧/乙炔烧蚀实验对复合材料的烧蚀性能进行了研究,利用扫描电镜和能量色散谱仪对复合材料烧蚀形貌和成分进行了分析。结果表明:经氧/乙炔焰烧蚀后,在复合材料表面形成了一层陶瓷层,其质量烧蚀率为0.04585g/s,线烧蚀率为-0.013mm/s,经二次烧蚀后,复合材料的质量烧蚀率为0.0096g/s。当ZrB2和POSS配合使用改性碳布/酚醛复合材料时,碳布/酚醛复合材料的质量烧蚀率可达0.025g/s,二次质量烧蚀率可达0.0089g/s。     

碳纤维/有机硅改性环氧树脂复合材料性能研究

介绍了一种碳纤维/有机硅改性环氧树脂复合材料的性能研究情况.对该复合材料的力学性能、热常数和烧蚀性能进行了初步测试.结果表明,其拉伸强度达到558MPa,拉伸模量达到44.0GPa,层间剪切强度为16.6MPa,导热系数不超过0.3 W/(m*K),氧-乙炔烧蚀的线烧蚀率为0.049mm/s,质量烧蚀率为0.0595g/s.通过与常用的碳/酚醛材料比较,碳纤维/有机硅改性环氧树脂复合材料的性能较优.     

高残碳酚醛烧蚀材料的研究

对高残碳酚醛进行了表征,运用正交实验方法研究了CBFTC/HCYPR复合材料的层压成型工艺.结果表明:高残碳酚醛具有较高的残碳率、较窄的分子量分布,适合做烧蚀复合材料基体;当预固化温度为140℃、固化温度为175℃、固化压力为5MPa、固化时间为7min/mm时,CBFTC/HCYPR复合材料的弯曲性能和烧蚀性能最好.     

2.5D石英纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料的制备与烧蚀性能

通过预浸料模压工艺制备了2.5D石英纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料,采用TG测试、马弗炉静态烧蚀测试、力学测试、氧-乙炔试验、场发射扫描电镜等方法对2.5D纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料的热稳定性、力学性能、耐烧蚀性能进行分析测试,并与2D纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料进行对比。结果表明,陶瓷填料对复合材料的热性能有显著改善,失重第一阶段温度和残碳率明显增加;马弗炉热解后2D结构样品缺陷多,层间出现破坏,弯曲强度为14~20 MPa,2.5D结构样品热解后保持了良好的整体结构,弯曲强度为16~24 MPa;通过氧乙炔烧蚀试验,2.5D结构样品烧蚀30 s质量烧蚀率为0.0413 g/s,线烧蚀率为0.032 mm/s,烧蚀60 s质量烧蚀率为0.0218 g/s,线烧蚀率为0.023 mm/s,测试结果均优于与之对比的2D结构样品,通过SEM和EDS分析,2.5D结构样品优异的抗热应力分层性能和纤维表面结构对复相陶瓷的稳定性是其低烧蚀率的主要原因。      

耐350℃ RTM聚酰亚胺树脂及其复合材料性能

以苯乙炔苯酐（4-PEPA）为封端剂,异构联苯四甲酸二酐（α-BPDA）作为二酐单体,通过选择合适的二胺单体及优化配比,研制了耐温等级高于350℃,适用于RTM工艺的聚酰亚胺基体树脂HT-350RTM,选用U3160单向碳纤维织物作为增强体,采用RTM工艺制备了HT-350RTM树脂基复合材料层合板（U3160/HT-350RTM）。结果表明：HT-350RTM树脂最低黏度可达390 mPa·s,在280℃下保持黏度低于1 Pa·s的时间大于2 h,能够满足RTM工艺的要求。经过高温固化后,HT-350RTM树脂的玻璃化转变温度为392℃,热分解温度（分解5%）高达537℃。采用RTM工艺制备的U3160/HT-350RTM复合材料层合板孔隙率仅为0.34%,室温下具有良好的基本力学性能,315℃和350℃下的力学性能保持率均高于60%,能够满足350℃工况下的长期使用要求。     

碳化锆陶瓷复合材料的制备、显微组织与性能

碳化锆(ZrC)陶瓷复合材料具有熔点高、密度低、耐烧蚀的优点, 在超硬、航天防热、新能源等领域应用前景广阔。本文概述了ZrC金属陶瓷和复相陶瓷、纤维增强ZrC复合材料的制备方法。着重介绍了粉末烧结、先驱体转化、反应浸渗等工艺的应用, 并讨论了不同制备工艺下复合材料显微组织的特点。在总结两类材料力学性能和烧蚀性能的基础上, 分析了各自的影响因素, 并指出ZrC金属陶瓷和复相陶瓷韧性低, 纤维增强ZrC复合材料烧蚀层易剥落的问题。最后总结展望了ZrC陶瓷复合材料相关研究的发展趋势。     

运用神经网络设计RTM成型复合材料力学性能

提出了一种设计RTM成型碳纤维织物／环氧复合材料力学性能的新方法．利用BP神经网络,以RTM成型工艺中注模压力、温度和时间为输入量,以复合材料层间剪切强度和弯曲强度为输出量,建立了反应工艺参数与力学性能内在规律的数学模型．利用此模型研究了在注模温度、时间确定的条件下注模压力与复合材料层间剪切强度的关系,网络输出的注模压力对复合材料层间剪切强度的影响规律与实验规律非常接近,说明建立的工艺参数与复合材料力学性能的关系模型是可靠的,可以用此模型对复合材料的力学性能进行设计。     

Interlayer toughening of resin transfer molding composites

In previous research it was shown that through using preformed elastomer particle modified tackifier/binder, materials interlayered RTM composite structures could be manufactured. These interlayers resulted in excellent toughness improvements of traditionally brittle RTM materials. In this work, the effects of tackifier application and composition were investigated by modifying spray and powder epoxy tackifiers with polyamide 6 particles. The spray tackifier provided 30% improvements in Mode II interlaminar fracture toughness, and slight increases in the interlaminar shear strength without reducing the thermal properties. The powder tackifier showed a slightly lower performance increase due to a less homogeneous laminate structure.     

结构化增韧层增韧RTM复合材料性能

从复合材料离位增韧思想出发,选用具有高孔隙率的尼龙无纺布(PNF)作为结构化增韧层,采用RTM工艺制备了PNF层间增韧改性的U3160碳纤维增强环氧3266树脂基复合材料(U3160-PNF/3266),并研究了其韧性相关性能和增韧机制。结果表明:U3160-PNF/3266复合材料层间仍保持其原有的结构形式,同时与层间树脂相互贯穿形成了一种非反应诱导相分离的双连续结构,并且这种双连续结构表现出显著的增韧效果。U3160-PNF/3266复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性和Ⅱ型层间断裂韧性分别提高了1.1倍和1.4倍,冲击后压缩强度由212MPa提高到281MPa。     

ZrC改性C/C-SiC复合材料的力学和抗烧蚀性能

采用碳纤维针刺预制体, 用前驱体浸渍裂解(PIP)法分别制备了C/C-SiC和C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料, 并对材料的微观结构、力学和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:利用该方法可制备出陶瓷相填充充分且分布均匀的复合材料。C/C-SiC-ZrC的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度均低于对应的C/C-SiC的。2 200 ℃、600 s氧化烧蚀后, C/C-SiC-ZrC的抗烧蚀性能显著优于C/C-SiC, 其线烧蚀率下降43.8%, 质量烧蚀率下降25%。在超高温阶段, C/C-SiC-ZrC复合材料基体的ZrC氧化生成的ZrO₂溶于SiC氧化生成的SiO₂中, 形成黏稠的二元玻璃态混合物, 有效阻止了氧化性气氛进入基体内部。      

Novel phenolic impregnated 3-D Fine-woven pierced carbon fabric composites: Microstructure and ablation behavior

The processing, microstructure and ablative properties of novel phenolic impregnated 3-D Fine-woven pierced carbon fabric ablator (PICA) with different bulk density were investigated. The density of PICA material ranges from 0.352 to 0.701 g/cm³ that having uniform resin distribution within the fibrous substrate. An oxyacetylene torch was used to explore the ablative characteristics in terms of linear/mass ablation rate and microscopic pattern of ablation. Surface and in-depth temperatures during ablation were measured by using optical pyrometers and thermocouples. The experimental results showed that the linear ablation rate varied between 0.019 and 0.036 mm/s and the mass ablation rate increased from 0.045 to 0.061 g/s for the tested PICA composites. It suggests that the PICA composites with lower density may significantly contribute to improving the thermal insulation and ablative properties.     

原位在线监测多因素协同对玻璃纤维/环氧树脂复合材料热老化性能的影响

针对玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料作为火电烟囱内衬的服役老化问题,以玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料为研究对象,用正交试验法研究温度、偶联剂含量和热流老化时间等因素对GF/EP复合材料热损伤后的质量损失率、弯曲强度和剪切性能的影响。采用金相显微图像处理法测量计算GF/EP复合材料的孔隙率,使用自主设计并搭建的原位在线监测系统对GF/EP复合材料进行测试。结果表明,不同因素对GF/EP复合材料性能的影响程度不同。偶联剂含量的增加会有限改善GF/EP复合材料的质量损失率,而温度因素对复合材料弯曲强度的影响较大,复合材料本身存在的后固化行为会影响弯曲性能的变化趋势,随温度升高弯曲强度总体下降了11.8%。GF/EP复合材料的层间剪切强度与热老化时间密切相关,16 h相比8 h热流老化后的层间剪切强度均值提高了10.2%。      

碳纤维增强聚醚砜的工艺、性能和断裂形貌研究

本文介绍了连续碳纤维增强聚醚砜复合材料(CF/PES)的制造工艺与性能.阐述了一种改进的连续纤维增强热塑性复合材料预浸料的制造方法,给出了CF/PES复合材料的最佳模压成型工艺条件,制得了低孔隙率、高机械性能的复合材料.最后,分析了CF/PES的断裂模式和断口形貌.     

Microstructural interpretation of the ablative properties of phenolic–quartz hybrid fabric reinforced phenolic resin composites

The thermal decomposition behavior of phenolic fiber and phenolic resin (PR) matrix was investigated by using a thermo gravimetric analyzer in nitrogen. The ablative properties of the composite specimens were quantitatively evaluated by performing oxyacetylene flame test and exhaust plume ablative test with a small liquid motor. The ablative properties of phenolic–quartz hybrid fabric reinforced phenolic resin (P–Q/PR) composites were compared with those of phenolic fabric and quartz fabric reinforced (P/PR and Q/PR) composites. The patterns and microstructures of the ablated composite specimens were also studied, and the advantages of the hybrid reinforced composites under ablation conditions were interpreted. The phenolic fiber decomposed similarly to the manner in which the PR did. The mixture rule can be used to predict the mass loss rate of the P–Q/PR composites during the oxyacetylene flame test. After the oxyacetylene flame test, there was no crack or delamination can be observed in P–Q/PR composite specimens and the carbonaceous residue blocks which were produced by the phenolic fiber and the PR were attached well to the quartz fibers. The resistance to heat-flow erosion of the P–Q/PR composites had significantly improved and the mass loss of the P–Q/PR composites (24.6%) was much lower than those of the Q/PR composites (56.4%) and the P/PR composites (86.3%) in the exhaust plume ablative test with a small liquid motor. A vis-à-vis char layer of the P–Q/PR composites formed during this ablation.     

氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热性能及微观形貌

采用湿法预浸技术和模压工艺制备了氧化石墨烯(GO)改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,研究了 GO在室温干态及湿热处理后对CF/EP复合材料动态热力学性能和层间剪切性能的影响,并通过微观形貌分析了复合材料的改性机制.结果表明,当GO添加量分别为0.5％和0.8％时,GO-CF/EP复合材料的玻璃化转变温度(Tg...     

Thermal response of a 4D carbon/carbon composite with volume ablation: a numerical simulation study

As carbon/carbon composites usually work at high temperature environments, material ablation inevitably occurs, which further affects the system stability and safety. In this paper, the thermal response of a thermoprotective four-directional carbon/carbon (4D C/C) composite is studied herein using a numerical model focusing on volume ablation. The model is based on energy- and mass-conservation principles as well as on the thermal decomposition equation of solid materials. The thermophysical properties of the C/C composite during the ablation process are calculated, and the thermal response during ablation, including temperature distribution, density, decomposition rate, char layer thickness, and mass loss, are quantitatively predicted. The present numerical study provides a fundamental understanding of the ablative mechanisms of a 4D C/C composite, serving as a reference and basis for further designs and optimizations of thermoprotective materials.     

ZrB2-SiC复相陶瓷涂层制备及其保护C/C-SiC复合材料性能

为提高C/C-SiC复合材料的超高温抗烧蚀性能,通过浆料涂刷和高温烧结相结合的方法在C/C-SiC复合材料表面制备了ZrB₂-SiC复相陶瓷涂层,利用EDS、SEM对涂层的成分及微观形貌进行了分析。对涂层材料的力学性能和抗烧蚀性能进行了表征,结果表明：制备的ZrB₂-SiC复相陶瓷涂层保护C/C-SiC复合材料的拉伸强度、弯曲强度及剪切强度分别为147 MPa、355 MPa和21.9 MPa,与无涂层保护的针刺C/C-SiC复合材料的力学性能相比略有下降。涂层材料具有良好的抗氧化烧蚀性能,经过热流密度为3 200 kW/m²的氧乙炔火焰烧蚀600 s试验,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.001 mm/s和0.0006 g/s。