炭纤维热处理对C/C复合材料力学性能的影响

采用化学气相沉积工艺对未处理和2 500℃热处理的炭纤维预制体进行致密化,对致密化后的C/C复合材料进行弯曲力学性能测试,借助偏光显微镜和扫描电子显微镜观察热解炭的组织、纤维的表面和弯曲试样断口的形貌.结果显示:高温热处理后,纤维表面变的更加光滑,表面出现很多沿纤维轴向的沟槽;致密化后的两种C/C复合材料的基体消光角约为21°,均为高织构热解炭;与未处理纤维增强C/C复合材料相比,经高温热处理后纤维增强的C/C复合材料的弯曲强度和模量均大幅下降,断裂特征由脆性转变为典型的假塑性,断口处有大量纤维拔出,纤维表面未粘附热解炭,表明对纤维进行高温热处理显著降低了纤维和热解炭基体的界面结合强度,导致材料强度降低,断裂呈假塑性.     

原位生长的气相生长碳纤维增强C/C复合材料的制备及其弯曲性能

以丙烯为碳源, FeCl₃·6H₂O为催化剂, 采用化学气相沉积法(CVD)在碳毡和不同密度的C/C复合材料上原位气相生长碳纤维(VGCFs) , 并以含原位生长VGCFs的碳毡和不同密度的C/C复合材料为基体制备VGCFs-C/C复合材料。研究了反应压力、基体密度对VGCFs生长情况的影响, 借助扫描电镜(SEM)、光学显微镜观察原位生长VGCFs的形貌及基体原位生长VGCFs后热解炭形貌的变化, 并对比研究了C/C复合材料和VGCFs-C/C复合材料的弯曲性能。研究结果表明, 反应压力为3700 Pa, 基体密度低的情况更有利于VGCFs的生长; 原位生长的VGCFs改变了纤维表面热解炭的沉积形貌, 使得热解炭和碳纤维的结合面之间形成具有铆钉作用的球状结构, 增强了界面结合力, 从而提高了原位生长的高VGCFs含量样品的弯曲强度。     

粗糙层组织结构2D-C/C复合材料的制备及特性

在沉积温度为1080-1200℃、沉积总压力为10 kPa和气体滞留时间为0.01 s的条件下,以天然气为碳源,以氮气为载气,使用新型ICVI工艺对预制体初始密度为0.43 g/cm3(纤维体积分数25%)的2D针刺整体炭毡进行致密化,在150 h内制备出表观密度为1.75 g/cm3的C/C复合材料.用偏光显微镜和高分辨扫描电镜观察了热解碳基体的微观组织结构,分析了三点弯曲试样的断口形貌.结果表明:制备的C/C复合材料具有粗糙层(RL)组织结构,试样的弯曲强度为164.77 Mpa、模量为21.34 Gpa,表现为阶梯式失效,断裂行为呈现出明显的假塑性.     

混合前驱体制备高织构三维C/C复合材料的微观结构及疲劳行为

以乙醇和甲烷为前驱体,采用化学气相渗透工艺制备了三维五向编织C/C复合材料。利用偏光显微技术分析了复合材料的微观结构,考察了复合材料的静态弯曲性能和疲劳行为,研究了不同循环加载周期对复合材料弯曲强度和力学行为的影响。结果表明:采用混合前驱体可成功制备高织构3DC/C复合材料,材料的平均弯曲强度为379.2 MPa,其疲劳极限为静态弯曲载荷的80.3%。加载循环应力后, C/C复合材料的弯曲强度在不同周次均有所提升,循环105周后弯曲强度的增幅达16.8%。材料弯曲承载时的"屈服区"随着循环次数的增加出现先增大后减小的变化趋势,这与材料疲劳过程中纤维与基体、基体与基体的结合状态有关。     

电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能

采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs), 借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体, 制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明: EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征, 该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率, 诱导了高石墨微晶堆垛高度(L_c)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(L_a)热解炭的形成; EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量: 当CNTs含量为0.74wt%时, 复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa, 比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%; 继续提高CNTs含量, 复合材料弯曲强度降低, 这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关; 同时, EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂, 复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。     

2D C/C复合材料微观结构与力学性能的研究

采用等温化学气相渗透方法,通过调整沉积工艺,制备了具有不同微观组织结构的2D C/C复合材料.利用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)结合选区电子衍射(SAED),研究了热解炭基体微观组织结构,借助万能试验机测试了材料的三点弯曲性能.结果表明:层状高织构(HT)热解炭基体占优时C/C复合材料表现为假塑性断裂;扁平片状中织构(MT)热解炭与颗粒状各向同性层热解炭(ISO)有利于提高材料的弯曲强度;HT基体与炭纤维界面结合良好,界面处不存在非HT织构,但取向角(OA)略有增大.     

加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料疲劳剩余强度的影响

为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。      

弯曲疲劳后4D-C/C复合材料的抗弯强度及热膨胀性能(英文)

采用液相浸渍炭化技术,在压力为75MPa下制备出4D-C/C复合材料,并进行高温热处理。研究静态和动态加载条件下,材料沿厚度方向的弯曲性能及断裂行为。结果表明,循环次数达到10×105次、频率为10 Hz时,材料的临界弯曲疲劳极限是静态弯曲强度的80%。静态弯曲加载情况下,C/C复合材料失效机制取决于试样底层炭纤维的取向。循环疲劳载荷作用下,其失效机制包括基体开裂、纤维-基体界面弱化及纤维断裂。复合材料在循环加载过程中界面结合强度降低,并释放内应力,故增强了纤维拔出以及复合材料的假塑性,疲劳加载后其剩余弯曲强度增加10%左右,而模量降低。疲劳载荷引起材料基体缺陷和裂纹数量的增加及纤维断裂,削弱了长度方向上的热膨胀,使材料热膨胀系数降低。     

石墨化处理对不同高织构含量C/C复合材料微结构的影响

采用化学气相沉积工艺制备出炭毡增强炭/炭(C/C)复合材料和3K炭布叠层增强C/C复合材料,并对材料进行2500℃高温石墨化处理。利用X射线衍射仪;偏光显微镜及拉曼光谱仪对所制材料进行表征。结果表明,炭毡C/C复合材料基体是单一的高织构(HT)热解炭,3K炭布叠层C/C复合材料的基体是带状组织,从纤维表面向外依次为各向同性热解炭、HT和中织构(MT)热解炭,其中HT含量低于50%;沉积态和热处理后,两种C/C复合材料都具有相似的石墨化度,且热处理后的石墨化度超过80%,但Lc值差异明显,炭纤维、MT和HT热解炭的La值均升高,其中HT热解炭升幅明显大于炭纤维和MT热解炭。HT热解炭的含量是导致这两种C/C复合材料具有相似石墨化度而Lc值却显著差异的原因。     

热处理温度对高导热3D C/C复合材料性能的影响

通过化学气相渗透和前驱体浸渍裂解复合工艺对三向碳纤维织物进行致密化,获得密度为1.95 g/cm3的高导热3D C/C复合材料.利用SEM,XRD,导热系数测试,线膨胀系数测试和三点弯曲实验,研究2350,2550,2850℃不同热处理温度对3D C/C复合材料微观形貌、结构、导热系数、线膨胀系数和弯曲性能的影响.结果表明:随着热处理温度的升高,中间相沥青基碳纤维石墨片层结构更加明显,均匀包裹在碳纤维周围的热解碳片层排列的有序度提高,且片层之间排列更加致密;3D C/C复合材料的石墨化度和导热系数提高;在测试温度250～1400℃区间,线膨胀系数随着测试温度的升高略微增大,不同热处理温度后的3D C/C复合材料线膨胀系数均在-1×10-6～2×10-6℃-1,表现出良好的"零膨胀性".此外,当热处理温度升高,3D C/C复合材料的碳纤维与基体的结合减弱,导致材料的弯曲强度和弯曲模量降低,2850℃高温热处理后的材料弯曲断裂面出现大量长纤维拔出,总体来说,3种不同热处理温度后的断裂均表现出"假塑性"断裂特征.     

孔隙演化与C/C复合材料的疲劳行为

孔隙是C/C复合材料结构中重要的组成部分,它直接影响着材料的疲劳行为,因此,在研究C/C复合材料的疲劳行为时,考察基体以及界面中孔隙的变化具有重要的意义.综述了C/C复合材料原始孔隙结构的特点,分析了在疲劳加载过程中碳/碳复合材料孔隙结构的演化规律,强调了孔隙结构变化对碳/碳复合材料疲劳强化所作出的积极贡献,进而为其疲劳机理的研究提供依据.     

C/C复合材料结构显微激光喇曼光谱研究

采用显微激光喇曼光谱,以增强体为薄毡叠层、基体分别为粗糙层及光滑层结构热解炭的两种C/C复合材料为研究对象,分析、表征了两种材料炭结构的微观分布特征及其在石墨化过程中的变化状况。结果表明,不仅复合材料中不同组元,而且同一组元不同部位石墨微晶的完整度不同。在石墨化过程中,各自的石墨化进程及可石墨化能力存在差异:炭纤维体积含量较高的炭布层中的热解炭,与网胎层中的热解炭相比,石墨微晶的完整度较好,石墨化进程较快;在炭纤维体积含量较低的网胎层中,炭纤维及热解炭在其界面部位的石墨化进程较快;粗糙层结构热解炭比光滑层结构热解炭容易石墨化。借助激光喇曼光谱微区分析手段,有可能实现对复合材料中石墨化程度微观分布状态的调整和控制。     

C/C复合材料石墨化度的喇曼光谱表征

采用显微激光喇曼光谱及XRD测量、表征了C/C复合材料中炭纤维、沥青炭及CVD热解炭经不同温度石墨化处理后的结构参数.结果表明:在3种炭材料的喇曼图谱上都有2个散射强度峰-D峰和G峰,峰位分别位于喇曼位移约1333及1584cm^-1处,随石墨化处理温度改变,2峰峰位没有变化,但2峰相对强度却发生变化.将D峰相对于G峰的强度R的倒数R^-1与XRD法得到的石墨化度g比照,发现2者存在一一对应关系,符合公式:g=1-exp[-2.11(R^-1-0.34)].     

碳源组成对化学气相渗透C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响

为分析碳源在化学气相渗透过程中的沉积机制,以碳纤维针刺整体毡为预制体,添加丙烯（C₃H₆）的天然气混合气体为碳源,研究了碳源组成对C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响。结果表明:相比于以天然气为碳源,以添加了适当比例C₃H₆的天然气为碳源,可有效提高C/C复合材料的致密化速率及密度分布均匀性;同时,有利于生成高织构的热解炭。最优条件（9vol% C₃H₆）下沉积100 h后,C/C复合材料的密度和径向密度偏差分别为1.40 g/cm3和0.04 g/cm3,热解炭为均一的粗糙层结构,石墨化度高;而以天然气作碳源时,密度和径向密度偏差分别为1.17 g/cm3和0.07 g/cm3,热解炭为二元带状结构,石墨化度较低;当C₃H₆比例增加到17vol%时,其密度和径向密度偏差分别为1.28 g/cm3和0.10 g/cm3,密度及密度分布均匀性较最优条件下制备的复合材料明显降低。      

碳／碳复合材料的宽温域自愈合抗氧化

在前期碳材料自愈合抗氧化研究的基础上,提出了通过多元陶瓷基体改性赋予碳／碳复合材料在较宽温度范围内实现自愈合抗氧化的基本原理和技术方案,分析了B4C—SiC、ZrC—SiC和ZrB2-ZrC—SiC等多元陶瓷的抗氧化机理,并采用新近合成的ZrB2-ZrC—SiC三元复相陶瓷有机前驱体,通过PIP技术制备了一系列超高温复相陶瓷改性的碳／碳复合材料,研究了该类复合材料在2200℃以下高速气流冲蚀环境中的协同抗氧化和抗烧蚀性能,发现材料表面生成的复合氧化物层能够在一定条件下赋予复合材料自愈合抗氧化能力。     

快速致密C/C复合材料中的热解碳形貌与沉积机理

采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对煤油、汽油、柴油和环已烷四种液烃前驱体的热解碳分析表明：热解碳的石墨化能力依次为煤油＞柴油＞汽油＞环已烷热解碳。热解碳的沉积按“成核－增长”机理有序进行,碳纤维、碳黑粒子都是有效籽核而促成碳的沉积。     

气氛与应力对3D C/SiC复合材料热震行为的影响

为了确定薄界面 3D C/ SiC复合材料,即热解炭界面( PyC界面) 厚度低于标准厚度(200 nm) 的复合材料,在应力下和氧化性气氛中的抗热震性 , 利用感应加热环境箱在 700～1200℃氧化性气氛中进行了热震试验,基于试验后的强度保持率变化、拉伸应力2位移曲线变化、微结构变化和试验过程中的长度变化等研究了气氛和应力对其热震损伤行为的影响。研究发现,对于薄界面3D C/SiC复合材料,应力增加了裂纹开度,促进了C相的氧化,加快了热震损伤饱和速度,且蠕变应力对热震损伤的加速作用高于疲劳应力。氧化性气氛对界面的适度氧化和应力导致的界面脱粘能提高了薄界面3D C/SiC复合材料的强度保持率,说明其在应力条件下具有较好的抗氧化和抗热震性能。      

液相浸渍C/C复合材料反应生成TaC的形貌及其形成机制

采用Ta有机溶剂浸渍C/C复合材料,经固化、热处理制备C/C-TaC复合材料.研究发现:在2MPa浸渍压力下,Ta有机溶剂易于浸渍C/C复合材料和固化;1500℃热处理后,Ta有机溶剂全部转变为TaC,其尺寸细小,结晶度高,呈颗粒状或聚集成团簇均匀分布在热解炭层面上;1800和2000℃热处理后的TaC形貌与1500℃热处理后的相似,Tac颗粒无明显长大现象.Ta有机溶剂转化生成Tac的机理研究表明:热处理过程中,Ta有机溶剂先生成中间相的氧氟化钽,转变为Ta₂O₅后,再与C还原-化合生成TaC.     

基于电阻变化的3D C/SiC复合材料疲劳损伤演化

为了研究三维碳纤维编织体增强碳化硅陶瓷基复合材料(3D C/SiC)在疲劳过程中的损伤演化并建立其电阻变化率(ΔR/R₀)随疲劳周次变化的模型, 对其进行了应力比为0.1、 频率为20 Hz、 最大疲劳应力为250、 255、 260 MPa的拉-拉疲劳试验, 通过电阻增量仪器测量了连续3D C/SiC在疲劳中的电阻变化率。实验结果表明, ΔR/R₀除首次循环降低外, 随着疲劳周次的增加呈缓慢增加、 台阶式增加和急剧增加3个阶段。根据损伤力学理论, 以ΔR/R₀为损伤参量, 得到了ΔR/R₀随疲劳周次变化的模型, 该模型结果与实验结果吻合较好。