三维针刺C/SiC刹车材料的摩擦磨损性能

通过化学气相渗透法(CVI)结合反应熔体浸渗法(RMI)制备了三维针刺,C/SiC刹车材料 , 利用 MM21000型摩擦磨损试验机系统研究了C/SiC刹车材料的摩擦磨损性能,采用光学显微镜和扫描电子显微镜分别对摩擦表面和磨屑形貌进行了观察。结果表明:干态刹车条件下,当初始刹车速度相同时,摩擦系数随着刹车压力的升高而逐渐降低;当刹车压力相同时,摩擦系数随着初始刹车速度的增加先升高后降低。湿态摩擦性能衰减小(衰减约8 %) 、恢复快;静态摩擦系数高(为0. 56～0. 61),摩擦系数随着初始刹车温度的升高而显著降低。当刹车压力相同时,磨损率随着初始刹车速度的增加而增大;当初始刹车速度大于20 m/s时,刹车压力的增大使磨损率显著增加。      

3D针刺C/SiC-TaC复合材料的热膨胀性能

采用液相加压浸渗法将TaC渗入到三维针刺毡中, 并结合反应熔体渗透法(RMI)制得C/SiC-TaC复合材料。采用热膨胀仪测量了热处理前后复合材料从室温到1400 ℃温度范围内的热膨胀系数(CTE), 发现C/SiC-TaC的CTE数值较C/SiC的高。从材料内部热应力的变化、 制备方法及添加物和基体的性能方面定性地分析了CTE的变化机制。研究表明, C/SiC-TaC复合材料的膨胀性能在各个温度段的变化机制不同, 低温段(1100 ℃以下)CTE的不断上升主要由90°无纬布、 TaC和SiC基体贡献, 该阶段的起伏波动主要由复合材料的结构应力和孔隙分布不均及残余Si产生; 高温段(1100 ℃以上)的热膨胀性能主要由0°无纬布和界面热应力决定。热处理降低了复合材料在1100 ℃以下的CTE, 也改变了高温段的变化规律。      

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.     

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.     

三维针刺C/SiC复合材料显微结构演变分析

以三维针刺碳毡作为预制体,采用树脂浸渍-热解工艺制备C/C多孔体,然后采用反应熔体浸渍法(Reactive melt infiltration,RMI)对C/C多孔体分别浸渗Si和Si-Mo合金制备C/SiC复合材料。首先研究了C/C多孔体制备过程中的显微结构演变。结果表明,浸渍过程中树脂主要填充在纤维束内小孔隙中,热解后裂纹增多,生成网格状C/C亚结构单元;高温热处理使C/C复合材料裂纹进一步扩展,石墨化度提高,束内闭气孔打开,从而为RMI渗Si提供通道。然后对C/C多孔体分别渗Si和Si-Mo合金所得材料的物相组成和显微结构进行对比分析。发现纯Si浸渗得到的复合材料残余Si较多,束内纤维受损严重;而浸渗Si-Mo合金可以减少残余Si含量,束内纤维受损轻微,仍保持着完整的C/C亚结构单元。     

高性能C/SiC刹车材料及其优化设计

对比分析了 C/ C和 C/ SiC刹车材料的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明 , C/ SiC刹车材料的力学性能比 C/ C的高 , 而且 C/ SiC刹车材料克服了 C/ C静态摩擦系数低和湿态摩擦性能严重衰减的不足 , 说明 C/ SiC刹车材料是一种新型高性能刹车材料。以 C/ C复合材料为基础 , 在深入分析机轮刹车盘服役环境特点的基础上探讨了 C/ SiC刹车材料的力学性能、 热物理性能、 摩擦磨损性能、 复合材料结构和制造工艺等方面的优化设计途径和方法 , 为实现材料微结构2力学性能2摩擦磨损性能的协同设计与制造奠定基础。      

C/SiC复合材料等温化学气相浸渗过程的数值模拟研究

根据C/SiC复合材料的结构以及等温化学气相浸渗法的工艺特点, 建立了ICVI过程中C纤维预制体结构变化的多尺度孔隙模型和C/SiC复合材料ICVI致密化过程的数学模型. 利用该模型对ICVI法制备C/SiC复合材料进行了数值计算和分析. 模拟结果与实验结果呈现出相同的规律并且两者之间误差较小, 表明本文所建立的模型可以很好地描述C/SiC复合材料的ICVI致密化过程. 利用该模型计算出C/SiC复合材料孔隙率的分布情况以及总体孔隙率在浸渗过程中的演化规律, 对ICVI工艺的优化具有一定的指导意义.     

航空刹车用C/C复合材料致密化工艺及其进展

介绍了各种常规CVD工艺及其特点，并结合现行广泛采用的均热法CVD工艺，综述了针对其不足而展开的一系列新工艺研究及进展。     

CVI-PIP工艺制备C/SiC复合材料及其显微结构研究

采用化学气相渗透(CVI)与先驱体浸渍裂解(PIP)两种工艺方法联用制备C/SiC陶瓷基复合材料,通过与单纯PIP工艺的致密化效率比较,复合材料的扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析,结果表明:采用CVI-PIP联用的方法制备C/SiC复合材料,致密化程度有明显的提高.CVI沉积SiC基体结晶性较好,为典型的β-SiC晶体结构;而PIP先驱体聚碳硅烷裂解基体为无定型结构,基体结构差异是决定材料结构与性能的关键因素.     

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。     

三维针刺C/SiC摩擦材料的拉伸性能

通过化学气相渗透法(CVI)结合反应熔体浸渗法(RMI)制备了低成本、高性能的三维针刺C/SiC摩擦材料,并对材料的组织结构、拉伸行为以及拉伸后的微结构进行了分析和研究。结果表明,材料由C、Si以及SiC等三种物相组成,密度约为2.1g/cm3,开气孔率约为4.4%;材料的拉伸强度约为114MPa～154MPa,弹性模量约为40GPa～63GPa;具有类似于金属的“塑性”,其增韧机理主要有纤维拔出、界面脱粘、裂纹偏转、纤维桥联以及裂纹分叉等。     

三维针刺C/SiC密度梯度板的无损检测与评价

采用红外热成像设备检测三维针刺密度梯度纤维预制体化学气相渗透法（CVI）沉积碳化硅（SiC）前后内部的密度变化, 追踪材料内部缺陷的遗传性, 并用X射线和工业电子计算机X射线断层扫描技术（CT）验证上述实验的可靠性。结果表明: 原预制体内部的孔洞缺陷因渗入SiC基体而被填充, 缺陷消失; 原预制体内部无缺陷处, 经过CVI致密化工艺后产生新的孔洞缺陷, 说明利用红外热成像技术可以追踪材料内部孔洞缺陷的遗传性; 三维针刺密度梯度纤维预制体CVI沉积SiC前后, 密度梯度发生逆转变化。      

Microstructures and improved wear resistance of 3D needled C/SiC composites with graphite filler

Three-dimensional (3D) needled carbon/carbon (C/C) composites with a lowest porosity of 15.6% were achieved after 1 cycle of impregnation by phenolic resin slurry containing graphite filler, hot-pressing curing and pyrolysis. Carbon/silicon carbide (C/SiC) composites were obtained by liquid silicon infiltrating C/C composites. The aim was to incorporate cost effectiveness and excellent performance of C/SiC braking material. Using filler content not exceeding 30 wt% in the slurry promised undamaged C/C segments in C/SiC composites. The linear wear rate of C/SiC using 30 wt% filler was 0.33 μm side⁻¹ cycle⁻¹ and displayed a fourfold decrease; its weight wear rate was 2.46 mg side⁻¹ cycle⁻¹ and minus 171%, compared with the previously reported values of C/SiC without filler, at a braking velocity of 28 m/s. Its friction coefficients and friction stability coefficients appeared relative insensitive to changes in braking velocities and displayed higher values at high braking velocities compared with the previous values.     

Microstructure and properties of 3D needle-punched carbon/silicon carbide brake materials

The carbon/silicon carbide brake materials were prepared by chemical vapor infiltration (CVI) combined with liquid melt infiltration (LMI). The carbon fiber preform was fabricated with the three dimension needling method. The microstructure, mechanical, thermophysical, and frictional properties of C/SiC composites were investigated. The results indicated that the composites were composed of 65 wt%C, 27 wt%SiC, and 8 wt%Si. The density and porosity were 2.1 g cm⁻³ and 4.4%, respectively. The C/SiC brake materials exhibited excellent toughness. The average dynamic friction coefficient and static friction coefficient of the materials were about 0.34 and 0.41, respectively. The friction coefficient was stable. The fade ratio of the friction coefficient under moist conditions was about 2.9%. The linear wear rate was less than 1.9 μm side⁻¹ cycle⁻¹. These results show that C/SiC composites have excellent properties for use as brake materials for aircraft.     

3D C/SiC复合材料的热辐射性能

利用稳态量热计法和傅里叶红外光谱仪分别测定了3D C/SiC复合材料在90℃时的半球向总发射率和室温法向光谱反射率,研究了表面形貌、涂层厚度及高温氧化对3D C/SiC热辐射性能的影响。结果表明:3D C/SiC具有优异的热辐射性能,其总发射率可达0.83;随着SiC涂层厚度的增加,3D C/SiC总发射率先降低后上升;高温氧化后,3D C/SiC的热辐射性能有所提高。      

In‐plane shear damage behaviours of 2D needled C/SiC composites

Understanding the in‐plane shear behaviour of composites is essential to establish the design basis for practical applications. This study aims to investigate the shear damage behaviours of 2D needled C/SiC composites by various characterization techniques. The effect of layer arrangement on shear modulus and strength was discussed via shear stress‐strain responses. The shear strain field evolution and uniformity variation were studied by digital image correlation. It shows that the uniformity of shear strain field changes with the shear load, and the shear strain field evolution consist of 5 stages. The electrical resistivity measurement results indicate that structural deformation and damage evolution caused the electrical resistivity change. Furthermore, the damage evolution has a double effect on the electrical resistivity variation. The acoustic emission monitoring shows that the shear damage evolution is a 3‐stage nonlinear process before failure. The shear damages were categorized via acoustic characteristics. Besides, the postfailure behaviours were also discussed in this study.