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。     

添加Al对MSI制备C/C-SiC复合材料组织和力学性能的影响

以聚丙烯腈( PAN) 基炭纤维(Cf ) 针刺整体毡为预制体, 用化学气相渗透(CVI) 法制备炭纤维增强炭基体(C/ C) 的多孔坯体, 采用熔融渗硅(MSI) 法制备C/ C-SiC 复合材料, 研究了渗剂中添加Al 对复合材料组织结构和力学性能的影响。结果表明: C/ C 坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC 相、C 相及残留Si 相。随着渗剂中Al 量的增加, 材料组成相中的Al 相也增加而其它相减少; SiC 主要分布在炭纤维周围, 残留Si 相分布在远离炭纤维处, 而此处几乎不含Al ; 当渗剂中Al 量由0 增加到10 %时, 复合材料的抗弯强度由116. 7 MPa 增加到175. 4 MPa , 提高了50. 3 % , 断裂韧性由5. 8 MPa·m1/2增加到8. 6 MPa·m1/2 , 提高了48. 2 %。Al 相的存在使复合材料基体出现韧性断裂的特征。      

高温热处理对C/C-SiC复合材料制备与力学性能的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用树脂浸渍和化学气相沉积混合法制备C/C多孔体,然后熔硅浸渗制得C/C-S iC复合材料;研究了C/C多孔体的高温热处理对C/C-S iC复合材料密度、孔隙度、力学性能及断裂方式的影响。结果表明:炭涂层进行高温热处理可改变复合材料的弯曲断裂方式,使其具有一定的“假塑性”,弯曲强度下降约16%,压缩强度提高约20%,硬度增加;C/C多孔体的最终高温热处理可打开孔隙,有利于液S i的渗入,制备出密度较高(>2.0 g.cm-3)、开孔率较小(<4%)的复合材料,但导致其力学性能下降,基本上不影响其断裂方式。     

RCLD工艺制备Cf/C、Cf/C-SiC复合材料的氧化性和力学性能

以碳毡为增强体，碳氢有机液体为前驱体，采用自行设计的快速化学液相沉积工艺（RCLD）制备了Cf/C、Cf/C-SiC复合材料；研究了不同密度的毡体和不同的沉积时间等因素对复合材料力学性能和氧化性的影响，根据材料结构特征分析了其影响机理．     

C/C-SiC复合材料模压成型工艺与性能研究

利用碳纤维编织布为增强体,采用混合粉料模压成型工艺制备C/C-SiC复合材料,分析了各个因素对C/C-SiC复合材料密度及强度影响的大小以及显著性。研究表明,树脂与石墨粉比例和纤维含量对C/C-SiC复合材料密度的影响比较大,而硅粉含量以及配比浓度的影响较小且基本相同;同时树脂与石墨粉比例这一因素对C/C-SiC复合材料强度影响也非常显著。并且随着树脂含量的减少,C/C-SiC复合材料强度降低。     

CVI-GSI工艺制备C/C-SiC复合材料的组成结构与力学性能

采用密度为1.0g/cm~3的C/C素坯,联合化学气相渗透(CVI)和气相渗硅(GSI)2种工艺制备C/C-SiC复合材料,研究CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度对CVI-GSI C/C-SiC复合材料物相组成、微观结构及力学性能的影响。结果表明:随着CVI C/C-SiC复合材料中间体密度的增大,CVI-GSI C/C-SiC复合材料C含量增多,残余Si含量减少,SiC含量先增多后减少,CVI-GSI C/C-SiC复合材料的密度先增大后减小;随着CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度由1.27g/cm~3增加到1.63g/cm~3时,得到的CVI-GSI C/C-SiC复合材料的力学性能先升高后降低。当CVI C/C-SiC复合材料密度为1.42g/cm~3时,制得的CVI-GSI C/C-SiC复合材料力学性能最好,其弯曲强度为247.50MPa,弯曲模量为25.63GPa,断裂韧度为10.08MPa·m~(1/2)。     

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/C多孔体的高温热处理对C/C-SiC复合材料摩擦磨损行为的影响

低密度C/C多孔体的结构与性能调控是制备具有优异摩擦磨损性能的C/C-SiC复合材料的关键。本研究采用化学气相渗积法制备了C/C多孔体,并对其进行2100℃高温热处理,再通过反应熔渗法制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体高温热处理对C/C-SiC复合材料微观结构、导热性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明,经2100℃热处理的C/C多孔体孔隙率和石墨化程度增加,用其制备的C/C-SiC复合材料比C/C多孔体未经热处理的密度更大(2.22 g/cm3),孔隙率由5.1%降低至3.4%, SiC陶瓷相含量比热处理前提高11.9%。石墨化程度越高,声子的平均自由程越大,因此其室温的导热率提升到3.1倍, 1200℃导热率提升到1.2倍。经过热处理的热解炭更软,摩擦面易形成连续且稳定的摩擦膜,因此摩擦系数更稳定,并且在测试载荷为3、6和9 N下磨损率均显著降低,下降幅度达到47.8%、41.9%和11.7%,平均摩擦系数分别为0.47、0.38和0.39。综上所述,对C/C多孔体进行高温热处理可使C/C-SiC复合材料的导热性能提升,更耐磨并且表现出更稳定的摩擦系数。     

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。      

模压制备C/C-SiC复合材料的催化石墨化过程研究

采用短纤维树脂模压+液态聚合物浸渍/裂解+原位反应的工艺制备了C/C-SiC复合材料,对其催化石墨化过程进行初步研究。首先分析"炭硅反应"工艺对石墨化度的影响,发现"炭硅反应"加强了硅对硼的活化作用,使炭材料的石墨化度从87.9%提高到97.3%;对制备样品的形貌分析及成分测试表明,石墨化过程伴随着"炭硅反应",碳化硅在材料内部分布均匀;其次探讨了硼对石墨化的催化作用,C/C-SiC复合材料中硼酚醛树脂炭的质量分数从69.9%降低至46.3%时,石墨化度随之由91.6%降至70.4%;最后研究了硅对石墨化的影响,提出硅硼协同催化石墨化机理,当硅的添加量从0增至6.3%,石墨化度由78.1%提高至90.7%。     

考虑孔隙和微裂纹缺陷的 C/ C2SiC编织复合材料等效模量计算

通过观察 C/ C2SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了 C/ C2SiC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/ C2SiC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/ C2 SiC复合材料的模量。针对 CVI沉积方式制备的 2组不同的 C/ C2SiC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/ C2SiC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/ C2SiC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/ C2SiC编织复合材料的模量。     

熔融硅液相浸渍法制备C/C-SiC复合材料

采用熔融硅液相浸渍法制备了C/C-SiC复合材料,反应生成的SiC主要分布在层间孔和束间孔碳基体表面,少量分布在束内孔.1600℃渗硅2 h,硅化深度约为2～4 μm.由于液态硅与碳之间的润湿性很好,在碳基体表面形成了连续的SiC层,局部有粗大的多面碳化硅颗粒生成;讨论了细晶粒连续SiC层和SiC粗晶粒形成机理.由于SiC的加入,材料的抗氧化性能得到明显改善.     

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。      

高性能制动系统用炭纤维增强炭和SiC双基体(C/C-SiC)复合材料

C/C-SiC制动材料具有密度低、耐高温、制动平稳、摩擦因数高、磨损少和环境适应性强等优点,是一种能满足高速高能载制动的高性能轻质材料。本文以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法制备C/C多孔体,然后熔融渗硅制得C/C-SiC材料;研究了C/C-SiC材料的组织结构、力学性能及其失效模式、摩擦磨损性能及机理,同时介绍了中南大学研制的C/C-SiC制动材料的应用现状。     

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。