界面涂层对气相渗硅Cf/SiC复合材料力学性能的影响

在1650℃气相渗硅（Vapor Silicon Infiltration—VSI）制备了3D碳纤维增强SiC基复合材料（Cf／SiC），其密度约为1．85g／cm^3．当C／SiC界面涂层存在时，气相渗硅cf／SiC强度为239．5MPa；而无界面涂层存在时，Cf／SiC弯曲强度大幅下降，约为67．4MPa．无界面涂层保护时，气相渗硅过程中纤维与硅蒸气发生反应，使得纤维硅化，造成材料性能下降．纤维表面沉积的C／SiC涂层，不仅保护纤维，避免被硅侵蚀，而且具有弱化界面、偏转裂纹等作用，复合材料的断裂功得到显著提高．将气相渗硅温度提高到1700℃后，有界面涂层存在情况下Cf／SiC复合材料密度显著提高，达到2．25g／cm^3，强度基本与1650℃时相当．     

C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备及性能的影响

以准三维针刺碳纤维预制体,经化学气相渗透(CVI)法制备了4种密度的C/C多孔体,利用先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备和最终性能的影响。结果表明:C/C多孔体密度越低,最终得到的C/C-SiC复合材料开孔隙率及SiC含量较高。SiC的存在使C/C-SiC材料具有较高的弯曲强度,纤维和基体界面也是影响弯曲强度的关键因素,其中密度为1.35g/cm3的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料纤维和基体之间形成较好的结合界面,其弯曲强度最大。同时,SiC含量增加可显著提高C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。     

化学气相沉积ZrC陶瓷涂层的微观结构和抗烧蚀性能

为了提高碳／碳（C／C）复合材料的抗烧蚀性能,在C／C基体上成功制备了碳化锆（ZrC）高温抗烧蚀涂层。用常压化学气相沉积法,前驱体选用ZrCl4＋C3H6＋H2＋Ar体系。通过调节C3H6的流量,制得3种碳锆原子比的ZrC陶瓷涂层（ZrC1.0＋C,ZrC1.0,ZrC0.7）。分析了不同锆碳比ZrC涂层的相组成和形貌差异,研究了锆碳比对ZrC陶瓷涂层的烧蚀性能的影响。结果表明,3种ZrC涂层都可有效提高C／C复合材料的抗烧蚀性能,但由于微观结构特征不同,3种涂层显示不同的烧蚀性能和烧蚀机制。其中,ZrC0.7涂层试样烧蚀后,表面形成致密的氧化物层,烧蚀性能最佳,烧蚀240s后质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1．1×10^-4g／cm^2·s和0．3×10^-3mm／s。     

C／C—ZrC复合材料高温氧乙炔焰烧蚀性能及机理研究

采用基体改性技术将ZrC引入C／C复合材料中,制备了一种新型的C／C—ZrC复合材料。通过氧乙炔焰烧蚀实验,研究了ZrC含量及烧蚀时间对C／C—ZrC复合材料高温耐烧蚀性能的影响。用XRD和TEM对烧蚀后材料的相组成和微观结构进行了分析,结果表明,ZrC被氧化的主要生成物为ZrO2,伴有少量ZrC和C,含26．46％ZrC的C／C—ZrC复合材料,在氧乙炔焰烧蚀50s后,在材料表面生成致密的ZrO2膜,阻挡了氧对基体的扩散,并有隔热作用,有效保护复合材料被烧蚀和冲刷。实验表明,复合材料在高温氧乙炔焰烧蚀20s后,线烧蚀率和质量饶蚀率分别为0．012mm／s和0．0033g／s,比C／C复合材料分别降低7．6％和50％。     

C/C泡沫预制体液相硅浸渗制备C/SiC复合材料研究

以中间相沥青浸渍整体碳毡发泡技术制备的一种新型多孔C/C泡沫复合材料为预制体,通过液相硅浸渗(LSI)工艺制备了C/SiC复合材料,研究了预制体不同孔隙率对Si浸渗及C/SiC复合材料力学性能和微观形貌的影响,分析了复合材料的物相组成和晶体结构.结果表明,采用发泡技术可以快速有效地实现C/C预制体的致密化处理.预制体孔隙率为65.41%时液相硅浸渗处理后所得复合材料性能最好,密度为2.64g/cm3,弯曲强度为137MPa,弹性模量为150GPa.纤维未作表面抗硅化涂层处理以及复合材料中存在闭孔是C/SiC复合材料性能不佳的主要原因.     

C/C复合材料Ta2O5-TaC/SiC抗氧化抗烧蚀涂层研究

采用包埋法和低压化学气相沉积(CVD)法在碳/碳(C/C)复合材料表面依次制备了Ta2O5-TaC内涂层和SiC外涂层,用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)及电子能谱(EDS)对涂层的相组成、微观形貌和元素组成进行了分析,研究了涂覆涂层后C/C复合材料在1 500℃静态空气中的防氧化性能及在氧-乙炔烧蚀中的抗烧蚀性能。结果表明:采用两步法制得的Ta2O5-TaC/SiC复合涂层结构致密,该复合涂层有效提高了C/C复合材料的抗氧化和抗烧蚀性能;Ta2O5-TaC/SiC复合涂层在1 500℃静态空气环境下可对C/C复合材料有效保护100 h以上;涂层试样在氧乙炔烧蚀环境中烧蚀60 s表明涂层可将C/C复合材料的线烧蚀率降低47.07%,质量烧蚀率降低29.20%。     

界面涂层对液相硅浸渗制备C/SiC复合材料力学性能的影响

采用化学气相沉积工艺对短切碳纤维毡体进行界面涂层改性处理后树脂浸渍裂解得到了多孔C/C预制体,再将预制体液相硅浸渗制备了C/SiC复合材料.对比了纤维有无界面涂层对C/SiC复合材料力学性能的影响,并分析了其断裂机制.结果表明,与无界面涂层改性相比,碳毡经化学气相沉积SiC涂层改性处理后制备的C/SiC复合材料的力学性能更好,强度和模量分别提高了192％和36％.界面涂层增强了纤维的抗硅化效果是C/SiC复合材料力学性能提高的主要原因,但同时复合材料也呈现出脆性断裂模式.     

低密度酚醛树脂基热防护复合材料的制备及性能

烧蚀热防护是目前最成熟且应用最广泛的一种卫星再入防热措施。本工作以酚醛树脂为基体,加入固体填料(空心玻璃微球、空心二氧化硅微球及空心酚醛微球)及纤维(石英纤维、碳纤维)制成一种低密度酚醛树脂基烧蚀热防护复合材料,并通过抗弯和压缩强度测试,隔热测试,烧蚀测试等方法对复合材料的性能与组分配比的关系及复合材料的烧蚀机理进行了分析。对比力学性能、隔热性能及抗烧蚀性能发现,复合材料密度的提高以及碳纤维含量的提高有助于提升复合材料的综合性能,最佳配比为密度0.6 g/cm³、5%石英纤维+5%碳纤维。对比烧蚀前后的成分发现,酚醛树脂在高温下炭化后会与SiO₂反应生成SiC,有助于提升复合材料的抗烧蚀性能。     

合金反应熔渗法制备C/C-SiC-HfC复合材料

采用22Hf78Si合金反应熔渗法制备了高性能低成本的C/C-SiC-HfC复合材料.首先采用化学气相渗透法增密碳纤维预制体得到多孔C/C复合材料预制体,然后在1700℃下反应熔渗22 Hf78Si合金制备得到C/C-SiC-HfC复合材料.XRD分析表明复合材料由碳、SiC和HfC相组成.C/C-SiC-HfC复合材料的抗弯强度为237MPa,断裂模式为假塑性断裂模式.采用激光测试了反应熔渗C/C-SiC-HfC复合材料的抗烧蚀性能,复合材料的线烧蚀率为0.038mm/s,大大低于C/SiC复合材料的线烧蚀率0.081mm/s.烧蚀后复合材料烧蚀表面形成了一层HfO2烧蚀层,有效提高了复合材料的抗烧蚀性能.     

合金反应熔渗法制备C/C-SiC-HfC复合材料

采用22Hf78Si合金反应熔渗法制备了高性能低成本的C/C-SiC-HfC复合材料.首先采用化学气相渗透法增密碳纤维预制体得到多孔C/C复合材料预制体,然后在1700℃下反应熔渗22 Hf78Si合金制备得到C/C-SiC-HfC复合材料.XRD分析表明复合材料由碳、SiC和HfC相组成.C/C-SiC-HfC复合材料的抗弯强度为237MPa,断裂模式为假塑性断裂模式.采用激光测试了反应熔渗C/C-SiC-HfC复合材料的抗烧蚀性能,复合材料的线烧蚀率为0.038mm/s,大大低于C/SiC复合材料的线烧蚀率0.081mm/s.烧蚀后复合材料烧蚀表面形成了一层HfO2烧蚀层,有效提高了复合材料的抗烧蚀性能.     

短纤维增强C/C-SiC复合材料的微观结构与力学性能EI北大核心CSCD

综合原料的热物理性能分析和配比设计,实现了C/C复合材料载体孔隙体积的精细控制,采用热压-熔渗两步法在低温条件下制备了具有高致密、低残余Si含量特征的短碳纤维增强C/C-SiC复合材料。系统解析了C/C-SiC复合材料成型过程中的结构演变行为,研究了短纤维增强C/C-SiC复合材料的力学性能和失效机制。结果表明:多孔C/C复合材料载体孔隙的孔径呈双极分布特征,添加芳纶纤维可提高网络孔隙结构的连通性,具有显著的孔隙结构调控作用。SiC基体以网络骨架形态分布于C/C-SiC复合材料内部,与纤维束形成了强界面结合钉扎结构,高含量纤维协同作用下使C/C-SiC复合材料具有优异的综合力学性能,添加芳纶纤维可明显增加复合材料内部裂纹扩展路径,提高C/C-SiC复合材料的断裂韧性。碳纤维的面内各向同性分布及陶瓷相层间均匀分布对C/C-SiC复合材料承载、摩擦稳定性提升均具有积极作用。     

(C-SiC)f/C复合材料的烧蚀性能

将SiC纤维毡与C纤维毡交替层叠, 通过针刺工艺制备(C-SiC)_f/C预制体, 采用化学气相渗透与前驱体浸渍裂解复合工艺(CVI+PIP)制备(C-SiC)_f/C复合材料, 研究(C-SiC)_f/C复合材料H₂-O₂焰烧蚀性能。利用SEM、EDS和XRD对烧蚀前后材料的微观结构和物相组成进行分析, 探讨材料抗烧蚀机理。结果表明: (C-SiC)_f/C复合材料表现出更优异的耐烧蚀性能。烧蚀750 s后, (C-SiC)_f/C复合材料的线烧蚀率为1.88 μm/s, 质量烧蚀率为2.16 mg/s。与C/C复合材料相比, 其线烧蚀率降低了64.5%, 质量烧蚀率降低了73.5%; SiC纤维毡在烧蚀中心区表面形成的网络状保护膜可以有效抵御高温热流对材料的破坏; 在烧蚀过渡区和烧蚀边缘区形成的熔融SiO₂能够弥合材料的裂纹、孔洞等缺陷, 阻挡氧化性气氛进入材料内部, 使材料表现出优异的抗烧蚀性能。     

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。     

Ablation characteristics of a 4D carbon/carbon composite under a high flux of combustion products with a high content of particulate alumina in a solid rocket motor北大核心CSCD

The ablation behavior of a four-directional carbon/carbon (C/C) composite was examined in a lab-scale solid rocket motor under a high flux of combustion products containing a high content of particulate alumina. The composite consisted of three braided carbon fiber bundles at 120 to each other in the XY plane and a hexagonal array of carbon rods in the Z direction, all in a pitch carbon matrix. The rods consisted of a unidirectional array of the same carbon fibers in a pitch carbon matrix The composite was placed in the rocket motor with its XY plane perpendicular to the gas flow and its ablation rate, ablation behavior and microstructure were investigated. The flow field of the combustion products was simulated by solving the Reynolds-averaged NavierStokes equations. A deep pit was formed on the surface of the composite, the center of which coincides with the simulated particle accumulation area. The mechanical erosion was significantly increased when the particle impact velocity exceeded 96. 82 m/s. The carbon rods were more susceptible to erosion than the surrounding fiber bundles. The maximum ablation rates of the carbon rod and bundles were increased almost by an order of magnitude by increasing the particle impact velocity by a factor of two. Numerous crater-like pores on the ends of the carbon rods were formed by alumina particle impaction, and the tips of the fibers in the carbon rods were almost flat and lower than the surrounding matrix. Heating caused by the particle impact increased the thermal oxidization and hence the overall ablation rate of the composite.     

烧蚀时间对C/C-SiC复合材料高超声速富氧环境烧蚀机制的影响

为了研究烧蚀时间对C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下烧蚀机制的影响规律,采用富氧环境下的高超声速烧蚀试验技术,对“化学气相渗透+先驱体浸渍裂解”混合工艺制备的针刺C/C-SiC复合材料动态烧蚀机制进行研究,并采用电子扫描显微镜观察烧蚀表面形貌。研究表明:在极端苛刻的高超声速富氧烧蚀环境下,C/C-SiC复合材料能够短时抵抗高温、高压、高超声速燃气射流的氧化工作环境。材料经高超声速富氧烧蚀10 s、20 s、30 s、40 s及50 s后的质量烧蚀率分别为0.021 g/s、0.025 g/s、0.027 g/s、0.026 g/s与0.034 g/s。C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下的动态烧蚀行为主要受热化学烧蚀与机械剥蚀两种烧蚀机制共同作用。在初始阶段,SiO₂保护膜的存在有效阻止了氧化性组分向基体内部的扩散,仅材料中心区域存在轻微热化学烧蚀;烧蚀试验中期,材料的烧蚀主要表现为热化学烧蚀与机械剥蚀联合作用,并由热化学烧蚀向机械剥蚀呈渐变性转变;烧蚀试验后期,基体的深度反应使得材料的烧蚀主要表现为纤维与基体的大面积片状剥落。      

Study of the infiltration and mechanical behavior of C/C composites prepared by ECVI

Three kinds of preforms, chopped fibers/resin carbon, spreading layers of carbon cloth, and needle-pricked long fiber felt, were used in this study. The preforms were densified by using the electrified preform heating CVI method (ECVI), and infiltrated using natural gas. Initial thermal gradients were determined. Resistivity and density evolutions with infiltration time have been recorded. A tensile test was applied to investigate the influence of preform architecture on the tensile properties of the C/C composites. Results show that the architecture of preform strongly influences the uniformity of infiltration and fibers/matrix bonding. The samples prepared from using 1K plain carbon cloth have the smallest density variations with position (about 0.011 g/cm³), and possess the highest tensile strength and modulus, while the samples produced from chopped fibers/resin carbon possess the lowest tensile strength due to their strong interfacial bonding between resin carbon and carbon fibers and poor microstructure.     

碳纤维丝束结构对碳纤维/酚醛复合材料烧蚀性能的影响EI北大核心CSCD

以酚醛树脂为基体,以平纹碳布和短切碳纤维两种结构形式的碳纤维为增强剂,制备碳纤维增强的碳/酚醛复合材料。采用氧/乙炔烧蚀实验对复合材料的耐烧蚀性能进行了对比性研究,采用电子拉力试验机对复合材料的弯曲性能进行表征,采用扫描电镜对复合材料烧蚀形面进行观察,并通过固体火箭发动机对复合材料的烧蚀性能进行考核验证。研究结果表明:以这两种结构形式的碳纤维为增强剂制备的碳/酚醛复合材料,其氧乙炔质量烧蚀率的大小与碳纤维丝束的大小具有正相关的特性,碳纤维丝束越小碳纤维质量烧蚀率越低,当碳纤维增强剂处于单丝状态时,复合材料的氧乙炔质量烧蚀率达到最低为0.046 g/s,并且碳纤维的型号规格对复合材料氧乙炔质量烧蚀率的影响变小。固体火箭发动机实验表明,单丝状态下的碳纤维/酚醛复合材料的抗烧蚀冲刷性能明显优于束状碳纤维/酚醛复合材料。     

Interlaminar shear strength of SiC matrix composites reinforced by continuous fibers at 900 °C in air

To reveal the shear properties of SiC matrix composites, interlaminar shear strength (ILSS) of three kinds of silicon carbide matrix composites was investigated by compression of the double notched shear specimen (DNS) at 900 °C in air. The investigated composites included a woven plain carbon fiber reinforced silicon carbide composite (2D-C/SiC), a two-and-a-half-dimensional carbon fiber-reinforced silicon carbide composite (2.5D-C/SiC) and a woven plain silicon carbon fiber reinforced silicon carbide composite (2D-SiC/SiC). A scanning electron microscope was employed to observe the microstructure and fracture morphologies. It can be found that the fiber type and reinforcement architecture have significant impacts on the ILSS of the SiC matrix composites. Great anisotropy of ILSS can be found for 2.5D-C/SiC because of the different fracture resistance of the warp fibers. Larger ILSS can be obtained when the specimens was loaded along the weft direction. In addition, the SiC fibers could enhance the ILSS, compared with carbon fibers. The improvement is attributed to the higher oxidation resistance of SiC fibers and the similar thermal expansion coefficients between the matrix and the fibers.     

三维机织C/C-SiC复合材料弹性性能预测

试验研究了三维机织C/C-SiC复合材料的弹性性能, 基于复合材料的扫描电镜(SEM)照片, 分析了材料的细观结构的特点, 并提出了一系列的假设, 建立了三维机织C/C-SiC复合材料的细观力学模型, 利用均匀化方法预测了复合材料的弹性常数, 分析了材料的弹性性能随经纱倾斜角的变化规律。结果表明: 预测结果与试验结果吻合较好, 表明该预测模型和方法的正确性; 随着经纱倾斜角的增加, 经纱方向的弹性模量降低, 其它方向的弹性模量均增大, 但面内剪切模量和厚度方向的弹性模量增幅很小。      

考虑孔隙和微裂纹缺陷的C/C-SiC编织复合材料等效模量计算

通过观察C/C-SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了C/C-SiC复合材料化学气相渗透(CVI)制备过程中产生孔隙和微裂纹的几何信息。在此基础上 , 建立了包含孔隙和微裂纹的C/C-SiC微结构有限元模型 , 并利用均匀化等效计算方法预测了平纹编织C/C-SiC复合材料的模量。针对CVI沉积方式制备的2组不同的C/C-SiC复合材料 , 实验测试与等效计算结果表明 : 基于 SEM照片建立的C/C-SiC纤维束和复合材料微结构有限元模型 , 能够反映CVI工艺制备C/C-SiC中孔隙和微裂纹的分布状况; 计算结果与实验数据有良好的一致性 , 数值计算可有效预测C/C-SiC编织复合材料的模量。