热膨胀性能对炭/炭复合材料在制动摩擦过程中热应力场的影响

测量以纯树脂炭、粗糙层热解炭和光滑层热解炭为基体的3种炭/炭复合材料的热膨胀系数,并采用有限元分析软件,模拟这3种炭,炭复合材料在飞机正常着陆能量条件下的热应力场,研究热膨胀系数对炭,炭复合材料热应力场及其摩擦性能的影响.结果表明:3种炭/炭复合材料在z方向上的热膨胀系数大于在X和y方向的,且热膨胀系数均随着温度的升高而逐渐增大,其中,基体为粗糙层热解炭的炭/炭复合材料的热膨胀系数最小,纯树脂炭试样的次之,光滑层热解炭试样的最大;在制动过程中,炭/炭复合材料摩擦表面产生的热应力与材料的热膨胀系数相关,材料的热膨胀系数越大,产生的热应力越大;过大的热应力使纯树脂炭试样具有相对稳定的摩擦曲线,在较大热应力的作用下,光滑层热解炭试样的摩擦曲线不稳定,影响其摩擦性能.     

不同制动速度下炭布叠层炭／炭复合材料的磨擦磨损行为及机理

用模拟刹车制动的方法探讨了一种炭纤维布叠层炭／炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损行为，并用扫描电子显微镜对摩擦表面进行了观察和分析。研究结果表明：在5m/s的制动速度下，该种材料表现出低的摩擦因数，但随制动速度升高至20m/s时，摩擦因数迅速升高至最大值0.40；当制动速度增大到28m/s或30m/s时，摩擦因数仅略降低至0.35，该材料表现出优良的高速高能摩擦性能。另一方面，制动速度升高至20m/s时，即摩擦因数最大时，磨损才变得明显，而且随制动速度的继续升高，磨损呈直线增大。表面显微组织观察表明，在较低制动速度下，在摩擦表面产生了薄膜，对应摩擦因数较低，磨损小；在20－25m/s制动速度下，摩擦表面形成较厚的表面膜层，对应摩擦因数高，磨损大；在28－30m/s制动速度下，剧烈的摩擦剪切和氧化作用使摩擦表面严重破坏，表面基质炭氧化严重，纤维则被拉断或拔出。     

不同制动速度下炭布叠层炭/炭复合材料的摩擦磨损行为及机理

用模拟刹车制动的方法探讨了一种炭纤维布叠层炭 /炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损行为 ,并用扫描电子显微镜对摩擦表面进行了观察和分析。研究结果表明 :在 5m/s的制动速度下 ,该种材料表现出低的摩擦因数 ,但随制动速度升高至 2 0m/s时 ,摩擦因数迅速升高至最大值 0 .4 0 ;当制动速度增大到 2 8m/s或 30m/s时 ,摩擦因数仅略降低至 0 .35 ,该材料表现出优良的高速高能摩擦性能。另一方面 ,制动速度升高至 2 0m/s时 ,即摩擦因数最大时 ,磨损才变得明显 ,而且随制动速度的继续升高 ,磨损呈直线增大。表面显微组织观察表明 ,在较低制动速度下 ,在摩擦表面产生了薄膜 ,对应摩擦因数较低 ,磨损小 ;在 2 0～ 2 5m/s制动速度下 ,摩擦表面形成较厚的表面膜层 ,对应摩擦因数高 ,磨损大 ;在 2 8～ 30m/s制动速度下 ,剧烈的摩擦剪切和氧化作用使摩擦表面严重破坏 ,表面基质炭氧化严重 ,纤维则被拉断或拔出     

热处理温度对炭/炭复合材料性能的影响

利用热梯度化学气相沉积工艺制备了炭／炭复合材料,研究了热处理温度对炭／炭复合材料石墨化度、硬度、抗弯强度和摩擦性能的影响。结果表明：石墨化度随着热处理温度的升高而增大,炭,炭复合材料石墨化的能垒在2200℃附近;炭／炭复合材料的抗弯强度随着热处理温度的升高,先升高后降低,当热处理温度是2000℃时,所得材料的抗弯强度最高;炭／炭复合材料的硬度和摩擦系数随着热处理温度的升高而降低。     

炭/炭复合材料热膨胀性能的研究

利用热膨胀仪测定了炭/炭复合材料从室温到1300℃的热膨胀系数,研究了热处理温度、炭纤维取向和环境温度对炭/炭复合材料热膨胀性能的影响。结果表明由于热解炭是以层状的方式围绕炭纤维生长,所以其热膨胀各向异性,垂直于纤维方向的热膨胀大于平行于纤维方向的热膨胀。随着热处理温度的升高,炭/炭复合材料中具有乱层石墨结构的晶体有序度增加,石墨化度增大,石墨片层间的范德华作用力增强,热膨胀系数减小。随着环境温度的升高热膨胀系数先增大后减小,在1200℃有最大值。     

炭／炭复合材料导热系数影响因素的研究

研究了影响炭／炭复合材料导热系数的主要因素：炭纤维取向，热处理温度和CVD热解炭的结构，结果表明，在炭／炭复合材料中，影响炭／炭复合材料导热系数的主要因素是CVD热解炭结构；以RL结构为主的CVD热解炭，导热系数高，热处理温度对材料导热系数的影响不及CVD热解炭的微观结构对其的影响。     

电场活化烧结MoSi2-SiC复合材料的温度场有限元模拟

在建立电场活化烧结(field activated sintering,FAS)过程模型基础上,对FAS工艺制备MoSi2-SiC复合材料的温度场进行了有限元模拟.结果表明,在FAS过程中,模具-试样系统中的温度场特性是电场Joule热、体系化学反应热与模具传热效应的综合结果.在烧结过程中,由于Joule热与化学热的叠加作用,试样中心温度最高,并沿径向与轴向形成温度梯度,从而在晶粒尺寸与致密化程度方面影响合成材料的组织均匀性.此模拟结果为温度梯度的合理控制提供了理论依据,有助于获得组织均匀、晶粒细小且致密性高的复合材料.     

钢管径向摩擦搭接焊加载力数值模拟

采用ABAQUS软件,以45钢为径向环,对钢管径向摩擦焊在假设变形速率前提下分析焊接界面温度场和径向环的加载力情况.计算采用了Johnson-cook幂硬化弹塑性模型,并考虑材料热物性与摩擦系数随温度变化.结果表明,在不考虑径向环与夹具之间传热的前提下,在焊接界面形成了以夹具体为中心的椭圆状温度梯度分布和以夹具体空隙为中心的条带状温度梯度分布,两处的最高温度达到1 260℃和1 050℃的前提下得到了加载力曲线.为了简化焊接工艺过程将加载力曲线人为拟合为定值三段加压过程,重新代入模型反复修正计算使界面温度场和径向环变形过程与焊接过程吻合良好.     

送粉式激光熔覆温度场有限元分析

采用有限元方法建立了送粉式激光熔覆过程温度场分析的数学模型，模拟了熔覆过程温度场的分布情况，模拟结果与试验结果基本吻合，表明可以采用此计算方法提供的初始温度值和非接触测量温度变化量来控制激光熔覆工艺参数。模拟结果发现，激光熔覆过程表现为急热急冷的特征；温度梯度较大，最大温度梯度出现在熔池附近和熔覆层与基体交界的边界处。     

HfC改性炭/炭复合材料的烧蚀性能

采用金属盐溶液浸渍-TCVI(Thermal Gradient Chemical Vapor Infiltration)法制备了HfC改性炭/炭复合材料.通过氧-乙炔烧蚀实验测试了不同含量HfC改性炭/炭复合材料的抗烧蚀性能;利用DSC-TG,SEM,XRD分析了HfC的形成过程、材料烧蚀前后的微观形貌及物相组成.结果表明HfC的加入降低了炭/炭复合材料的线烧蚀率,其中HfC含量为6.5%(质量分数,下同)的炭/炭复合材料的线烧蚀率最低.HfC具有抑制氧化及弥补缺陷的作用,从而降低了炭/炭复合材料的热化学烧蚀和机械剥蚀.     

不同基体炭C/C复合材料的摩擦磨损性能

以炭纤维针刺毡为预制体,采用化学气相沉积法(CVI)和结合液相浸渍树脂或沥青法制备了热解炭为粗糙层与光滑层结构的准三维C/C复合材料,并研究了这些材料在0.6 MPa的模拟刹车压力下的摩擦磨损性能与磨损机理.研究表明:基体炭为粗糙层热解炭与树脂炭的C/C复合材料摩擦表面能形成较厚且连续的自润滑摩擦膜,摩擦稳定性最好,摩擦因数适中,氧化磨损小,磨损机理主要为膜的部分脱落、氧化磨损与相对较小的磨粒磨损;基体炭为光滑层热解炭与树脂炭或沥青炭的C/C复合材料摩擦表面形成的摩擦膜较薄且不连续,摩擦稳定性差,摩擦磨损较大,磨损机制主要为膜的部分脱落、磨粒磨损与更严重的氧化磨损;随着密度的升高,C/C复合材料摩擦稳定性增加,摩擦因数增加,磨损降低;基体炭为单一沥青炭的C/C复合材料,由于没有热解炭对纤维的保护,纤维断裂多,线性磨损尤其大,磨损机理主要为大量的磨粒磨损与氧化磨损.     

Nano carbon containing low carbon magnesia carbon refractory: an overview

Steel manufacturing technology has changed drastically in last few decades to meet the demand of high purity and quality of steel from the steel users. The advancements in steel making process have also demanded high quality refractories to withstand severe operating conditions and to produce desired steel quality. Magnesia carbon refractories, being essential for making and processing of steel, have gone through many modifications since its inception and still are one of the major challenging areas for refractories development. Only a few years ago higher use of carbon was assumed to be beneficial for the refractories performances and life but the concept has been proven wrong and low carbon containing MgO-C refractories are becoming the point of attention. Reduction in carbon content in MgO-C refractories without much affecting their properties have been tried by many ways by many researchers, amongst them use of nano carbon is widely popular. This review discusses the prospects for using nano carbons in MgO-C refractory and various research works that are going on and also on the development of low carbon containing magnesia carbon refractories.     

碳纤维表面生长纳米碳管及其增强的炭/炭复合材料

采用化学气相沉积工艺在碳纤维表面生长了纳米碳管,将此种碳纤维作为增强材料,以中间相沥青为基体炭前驱体采用浸渍炭化工艺制备了炭/炭复合材料.观察了所得复合材料断口的微观形貌,测试了抗弯强度及热物理性能.结果表明,碳纤维表面的纳米碳管可以有效地提高纤维与基体的粘结力,复合材料的抗弯性能提高了50%,而对复合材料的导热性能影响较小.     

原位生长碳纳米管对炭/炭复合材料导热性能的影响

以炭纤维表面原位生长有碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)的针刺毡体作为前驱体制备出生长有CNTs的炭/炭复合材料,并与在同样工艺条件下通过致密化最终热处理得到的纯炭/炭复合材料进行对比.结果表明,在密度几乎相同的情况下,生长有CNTs的炭/炭复合材料的室温Z轴热导率约为11.10 W/(m·K),几乎为纯炭/炭复合材料的室温Z轴热导率(6.28 W/(m·K))的2倍,其原因可能在于CNTs可以有效改善炭纤维和热解炭之间的界面特性,明显减少炭/炭复合材料中纤维和热解炭界面处周裂纹的出现,还可以诱导热解炭形成一种拥有更高导热率更易石墨化的粗糙结构.     

核壳结构镍碳纳米胶囊和碳纤维的制备

以脱油沥青（Deoiled Asphalt）为碳源、二茂铁为催化剂,采用化学气相沉积法（CVD）制备碳纤维（CFs）,其裂解后的残渣经真空热处理制得含镍碳纳米胶囊（CNCs）。用场发射扫描电镜（FESEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线衍射仪（XRD）和拉曼光谱（Raman）对产物进行表征。结果表明：碳纤维纯度较高,属中空结构,直径主要分布在200～500 nm范围内;含镍碳纳米胶囊为准球形核壳结构,核为金属镍,壳为石墨化碳,大小在5～30 nm范围,晶化程度较高,结构较完善。     

Preparation and mechanical properties of carbon/carbon composites with high textured pyrolytic carbon matrix

Short carbon fiber felts with an initial porosity of 89.5% were deposited by isobaric, isothermal chemical vapor infiltration using natural gas as carbon source. The bulk density of the deposited carbon/carbon (C/C) composites was 1.89 g/cm³ after depositing for 150 h. The microstructure and mechanical properties of the C/C composites were studied by polarized light microscopy, X-ray diffraction, scanning electron microscopy and three-point bending test. The results reveal that high textured pyrolytic carbon is deposited as the matrix of the composites, whose crystalline thickness and graphitization degree highly increase after heat treatment. A distinct decrease of the flexural strength and modulus accompanied by the increase of the toughness of the C/C composites is found to be correlated with the structural changes in the composites during the heat treatment process.     

Study of fluorhydroxyapatite coatings on carbon/carbon composites

Fluorhydroxyapatite coatings were prepared on the surface of carbon/carbon composites using the combined action of ultrasonic-electrodeposition and ion exchange. The morphology, structure and composition of the prepared coatings after ion exchange were investigated by scanning electron microscopy, X-ray energy spectrum analysis, infrared spectroscopy and X-ray diffraction. Results show that the crystallinity of the coating as well as the intensity of the diffraction peaks (112) and (300) of hydroxyapatite increased, whereas the intensity of the diffraction peaks of tricalcium phosphate decreased. The small lamellar crystals were converted into large ones. The fluorine content in the coating was 4.59%. The bonding strength between the coating and the carbon/carbon matrix increased slightly after immersion, reaching 4.12 MPa. The mechanism of the ion exchange during which hydroxyapatite turned into fluorhydroxyapatite is discussed.     

The reinforcing mechanism of carbon fiber in composite adhesive for bonding carbon/carbon composites

A carbon fiber reinforced adhesive was developed for bonding carbon/carbon composites. The Weibull distribution method was used to analyze the bonding strength data, and the results showed that when the volume fraction of carbon fiber was 6 vol.%, the Weibull modulus was 42.9393 and the bonding strength of the adhesive was 11.3763 MPa. A model was proposed to explain the reinforcement of carbon fiber, and it was found that the strength of adhesive was a cubic function of the volume fraction of carbon fiber, and the function model was consistent with the Weibull data. We investigated that the carbon fiber could bridge adhesive matrix as a bridging effect for releasing the residual stress and inhibiting the extension of micro-crack.