碳-碳编织复合材料微结构设计与力学性能预测

通过对多向编织C/C复合材料微结构的表征,研究了其多尺度的结构特征,并对各方向纤维束以及三向缎布穿刺等三维C/C编织复合材料微观组织结构进行设计,创建不同编织材料微结构的"重复性单元块"(RUC)的有限元模型。对构造的材料微结构进行了强度、热应力的分析,预测其不同方向的弹性模量、热膨胀系数以及温度对热膨胀系数的影响等,为通过数值分析方法研究C/C编织复合材料的力学性能提供了重要手段。     

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。      

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-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。     

C/C-SiC缎纹编织复合材料孔隙缺陷的建模及其拉伸性能仿真

主要研究了随机孔隙缺陷在C/C-SiC缎纹编织复合材料中的有限元建模方法及其对拉伸性能的影响。基于C/C-SiC缎纹编织复合材料的细观结构和实验观察所得的微观形貌,得出孔隙缺陷具有随机分布特征,提出了一种三维随机碰撞算法模拟孔隙在复合材料中的分布,建立了含随机孔隙缺陷的C/C-SiC缎纹编织复合材料的有限元模型。采用有限元软件ABAQUS模拟了其在拉伸载荷下的力学行为,讨论了孔隙缺陷的尺寸和分布形式对材料拉伸性能的影响,并对试样进行了单轴拉伸实验测试,验证了数值模拟的有效性。结果表明,用本文方法建立的有限元模型符合含孔隙缺陷C/C-SiC缎纹编织复合材料的真实细观结构,相应的数值模拟结果也与试验数据吻合较好。本文的研究结果为含孔隙缺陷的缎纹编织复合材料及具有相似结构特征的复合材料的力学分析与优化设计提供了一种有效的方法。      

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。     

纤维束增强复合材料的横向弹塑性性能研究

利用细观力学模型和有限元法研究纤维束复合材料的横向弹塑性力学性能。假设弹性的纤维束均匀地分布于幂硬化弹塑性基体材料中, 并假设纤维束内的纤维接触是光滑的。通过与单丝纤维复合材料的相应结果比较, 研究了纤维成束对复合材料宏观弹塑性性能的影响。通过对硼/铝复合材料的数值研究表明: 纤维的成束对复合材料的横向弹性刚度影响很小, 而对复合材料的塑性变形和切线刚度有显著的影响。      

孔隙缺陷对三维编织C/C复合材料等效弹性性能的影响

弹性常数是工程材料结构设计的重要参数.为了研究孔隙缺陷对三维编织C/C复合材料弹性性能的影响,考虑了纤维增强相、基体相和界面相的孔隙缺陷,建立了孔隙缺陷随机分布的纤维丝尺度和纤维束尺度的双尺度单胞模型,采用均匀化方法预报了含孔隙缺陷的三维编织C/C复合材料等效弹性常数,预报结果与实验结果吻合良好.在此基础上研究了孔隙率...     

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)。     

素坯密度对气相渗硅制备C/C-SiC复合材料结构与性能的影响

三维针刺碳毡经化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)增密制备C/C素坯,通过气相渗硅(Gaseous Silicon Infiltration,GSI)制备C/C-SiC复合材料。研究素坯密度与CVI C层厚度及素坯孔隙率的变化规律,并分析素坯密度对C/C-SiC复合材料力学性能、热学性能的影响。结果表明:随着素坯密度增大,CVI C层变厚,孔隙率减小;C/C-SiC复合材料中残C量随之增大,残余Si量随之减小,SiC先保持较高含量(体积分数约40%),随后迅速降低,C/C-SiC复合材料密度逐渐减小,力学性能先增大后减小,而热导率及热膨胀系数降低至平稳。当素坯密度为1.085g/cm3时,复合材料力学性能最好,弯曲强度可达308.31MPa,断裂韧度为11.36MPa·m1/2。研究发现:素坯孔隙率较大时,渗硅通道足够,残余硅多,且CVI C层较薄,纤维硅蚀严重,C/C-SiC复合材料力学性能低;素坯孔隙率较小时,渗硅通道很快阻塞,Si和SiC含量少,而闭孔大且多,C/C-SiC复合材料力学性能也不高。     

(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。     

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。     

Preparation, Properties and Application of C/C-SiC Composites Fabricated by Warm Compacted-in situ Reaction

Carbon fibre reinforced carbon and SiC dual matrices composites (C/C-SiC) show superior tribological properties, high thermal shock resistance and good abrasive resistance, and they are promising candidates for advanced brake and clutch systems. The microstructure, mechanical properties, friction and wear properties, and application of the C/C-SiC composites fabricated by warm compacted-in situ reaction were introduced. The results indicated that the composites were composed of 50-60 wt pct carbon, 2-10 wt pct residual silicon and 30-40 wt pct silicon carbide. The C/C-SiC brake composites exhibited good mechanical properties. The value of flexural strength and compressive strength could reach 160 and 112 MPa, respectively. The impact strength was about 2.5 kJ·m^-2. The C/C-SiC brake composites showed excellent tribological performance, including high coefficient of friction (0.38), good abrasive resistance (1.10 μm/cycle) and brake steadily on dry condition. The tribological properties on wet condition could be mostly maintained. The silicon carbide matrix in C/C-SiC brake composites improved the wear resistance, and the graphite played the lubrication function, and right volume content of graphite was helpful to forming friction film to reduce the wear rate. These results showed that C/C-SiC composites fabricated by warm compacted-in situ reaction had excellent properties for use as brake materials.     

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。      

炭基复合材料与人骨的力学性能对比分析

选用3种炭基复合材料,分别为采用化学气相沉积（CVD）工艺和CVD/浸渍复合工艺制备的2种C/C复合材料以及采用CVD/熔融渗硅（MSI）工艺制备的C/C-SiC复合材料,通过对比分析3种炭基复合材料与人骨的微观结构和力学性能,研究了所选用的3种炭基复合材料作为新型骨折内固定材料的可行性。结果表明:3种炭基复合材料与人骨均具有纤维增强、多孔基体的微观结构形态。在力学性能方面,3种炭基复合材料的弹性模量与人骨都较为接近,其中C/C-SiC复合材料的力学性能与人骨最为接近,分别为弯曲强度213.0 MPa、剪切强度19.3 MPa、压缩强度228.1 MPa,有望成为理想的接骨板材料。CVD和CVD/浸渍工艺制备的C/C复合材料,弯曲强度分别仅为161.8 MPa和174.6 MPa,低于人骨的弯曲强度,后期可通过改进坯体结构和制备工艺等方法来使其力学性能与人骨相匹配。      

Oxidation Behavior of C/C-SiC Gradient Matrix Composites

［1］J.R.Strife and J.E.Sheehan: Am. Ceram. Soc. Bull.,1988, 67, 364. ［2］K.L.Luthra: Carbon, 1988, 26, 217. ［3］I.Jawed and D.E.Nagle: Mat. Res. Bull., 1995,21(11), 1391. ［4］J.Y.Deng, Y.L.Wei and W.C.Liu: J. Am. Ceram.Soc., 1999, 82[6], 1629. ［5］S.M.Gee and J.A.Little: J. Mater. Sci., 1991, 26,1093. ［6］Yoon-Kee Kim and Jai-Yong Lee: Carbon. 1993,31(7), 1031. ［7］G.Savage: Carbon-Carbon Composites, Chapman ＆Hall Row, London SE1 8HN, 1992, 208.     

A Multi-interlayer LMAS Joint of C/C-SiC Composites and LAS Glass Ceramics

Porous C/C-SiC composites were prepared through a two-step chemical vapor infiltration process,and a multi-interlayer joint of Li20-MgO-Al_2O_3-SiO_2(LMAS) was applied to join C/C-SiC composites and lithium aluminum silicate(LAS) glass ceramics by means of a vacuum hot-pressing technique.Plenty of SiC whiskers were generated in the pores of low-density C/C composites during chemical vapor deposition process,which is essentia! to form a zigzag interface structure between C/C-SiC substrate and the LMAS interlayer.The average shear strength of the LMAS joint was improved from 12.17 to 19.91 MPa after changing the composites from high-density C/C composites(1.75 g/cm~3) with a CVD-SiC coating to the C/C-SiC composites with a low density(1.48 g/cm~3).The improvement of the joint strength is mainly attributed to the formation of the inlay structure at the SiC-C/C and SiC-LMAS interfaces.