预制体结构对三维编织C/C复合材料本征性能影响研究

分别对三维四向与三维五向编织C/C复合材料进行了弯曲和压缩试验,观测了两种材料在x向、y向与z向下的位移-载荷曲线,获得了弯曲和压缩的强度和模量数据。结果表明,三维五向C/C复合材料相比于三维四向C/C复合材料,因其本征结构的x向纤维分数增加和z向纤维分数减少使得x方向的弯曲和压缩的强度增加而z方向降低,两种结构的C/C复合材料均表现一种假塑性断裂行为。相比于预制体结构对压缩性能的影响,其对弯曲力学性能的影响更为明显。     

针刺炭纤维预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响

采用6K炭纤维无纬布/网胎交替叠层及12K炭纤维无纬布/网胎交替叠层,在针刺工艺,致密化、热处理工艺完全相同的情况下,制备了密度为1.8g/cm3的热解炭/树脂炭双元基体的两种C/C复合材料产品,考察了针刺预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响.结果表明,两种C/C复合材料的热学（垂直方向导热系数）、电学性能及石墨化度基本相当;而针刺6K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料的拉伸、弯曲、压缩、层间剪切强度分别为127MPa,189MPa,263MPa,24.6MPa;其平行方向导热系数为54.6W/m＆#183;K,比常规针刺12K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料相应提高了38％,32.2％,32.8％,38.9％,21％,彰显了细化针刺预制体结构单元对C/C复合材料力学性能的显著影响.     

致密工艺对C/C复合材料摩擦性能的影响

采用针刺全炭纤维网胎无纬布整体结构预制体为骨架，经化学气相沉积（CVD）、树脂浸溃（RD固化致密及炭化、石墨化制得C／C复合材料。研究了粗糙层（RL）和树脂炭（RC）对摩擦性能的影响。结果表明，RL结构的C／C复合材料的摩擦性能较好，稳定性较高，是用作飞机刹车材料的前提；采用CVD＋RI制备且石墨化后的C／C复合材料具有优良的摩擦磨损特性；CVD试样的密度较低时，摩擦系数较高，但磨损较大，较难形成完整的摩擦膜。     

C/C预制体密度对C/C-SiC复合材料致密性及弯曲性能的影响

以纳米SiC粉为惰性填料,采用先驱体浸渍裂解法制备C/C-SiC复合材料,研究了C/C预制体密度对复合材料致密性和弯曲性能的影响。结果表明,纳米SiC粉的添加能有效抑制先驱体裂解过程中的体积收缩,提高致密度。C/C预制体密度对制得的复合材料性能有很大的影响,其中用密度为1.24 g/cm3的C/C预制体制得的复合材料试样性能最优,其最终密度为1.80g/cm3,开孔率为7.32%,弯曲强度达220 MPa。     

变密度预制体C/C复合材料压缩性能的研究

采用平均密度不同的预制体制备变密度预制体C/C复合材料,并对应制备了常用的恒密度预制体C/C复合材料.研究了不同结构和不同平均密度的预制体对C/C复合材料压缩性能的影响.实验结果表明,变密度预制体C/C复合材料的压缩强度远远大于相同平均预制体密度的恒密度预制体C/C复合材料,并且随预制体平均密度的增大呈先增大后下降的趋势.由于预制体内部纤维含量的不同分布状态,变密度预制体C/C复合材料的压缩破坏同时呈现出压溃和剪切破坏模式.     

C/C复合材料摩擦性能研究

对国产C/C复合刹车材料进行了低速度低能载条件下的地面惯性动力试验,结果表明,C/C复合刹车材料在较低能量条件下具有较高的摩擦系数,在摩擦速度-摩擦系数关系图上,最高摩擦系数出现在12 m/s的摩擦初速度前后,同时对摩擦面比压进行调整,发现在低速刹车时,随着比压增加,摩擦系数下降.     

C/C多孔体对C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能的影响

以4种纤维含量相同(32%,体积分数,下同),用化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)法制备了4种密度的碳纤维增强碳(carbon fiber reinforced carbon,C/C)多孔体,基体炭含量约20%～50%.利用液相渗硅法(liquid silicon infiltration,LSI)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对所制备的C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能的影响.结果表明:不同密度的C/C多孔体反应渗硅后,复合材料的物相组成均为SiC,C及单质Si;随着C/C多孔体中基体炭含量的增加,C/C-SiC复合材料中SiC含量逐渐减少而热解炭含量逐渐增加.C/C-SiC复合材料弯曲强度随着材料中残留热解炭含量增加而逐渐增加,热解炭含量为约42%的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料的弯曲强度最大,达到320 MPa.     

不同预制体结构C/C复合材料的CVI致密化行为

采用化学气相渗透(CVI)工艺分别对整体毡和针刺毡厚壁预制体进行了500 h的致密化,研究了2种预制体的致密化效率、微观结构及密度分布情况。结果表明:预制体结构对C/C复合材料的致密化行为影响较大。致密化前期,整体毡预制体表现出较高的致密化效率,后期效率下降较快,热解炭包裹在纤维之间,材料内部密度分布不均,呈现两边高中间低的现象。针刺预制体在CVI前期致密化效率较低,热解炭主要包裹在纤维束外,致密化后期致密化效率下降较慢,致密后材料内部密度分布均匀。与整体毡预制体相比,针刺预制体的孔隙平直,分布均匀,更有利于碳源气体的深入渗透以获得均匀的密度分布。     

纤维编织结构对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响

在MM-1000摩擦磨损试验机上对炭纤维无纬布层(简称炭布层)和炭纤维网胎层(简称网胎层)针刺结构的炭/炭(C/C)复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,并采用光学显微镜和扫描电镜(SEM)对C/C复合材料的摩擦表面和磨屑进行了观察和分析。结果表明:与网胎层C/C复合材料相比,炭布层C/C复合材料的摩擦磨损性能更好;当制动压力为0.6 MPa、制动速度为26 m/s时,网胎层C/C复合材料的平均摩擦系数为0.36、质量磨损率为12.8 mg/次、制动时间为15.2 s;而炭布层的平均摩擦系数为0.38,质量磨损率为10.5 mg/次,制动时间为14.9 s。     

针刺+缝合预制体C/C复合材料的制备及性能研究

以无纬布/碳纤维网胎为原料,采用针刺+接力缝合的工艺流程制备预制增强体,并经化学气相渗透(CVI)联合沥青浸渍/高压碳化(HPIC)方法得到新型厚壁C/C复合材料。对该材料进行了力学和热物理性能测试,并观测其微观断口形貌。结果表明:此预制体制备方法能够突破传统缝合材料在厚度方向上的尺寸限制,工艺过程简便,不易变形且利于致密。所得C/C材料厚度方向的纤维密度较高,具有优异的机械和良好的热物理性能,能够满足固体火箭发动机等极端环境下的应用需求。     

C/C坯体结构对RMI制备C/SiC复合材料的影响

采用无涂层、SiC涂层、C和SiC复合涂层处理的炭布/网胎预制体,经过CVD和树脂浸渍/炭化混合致密,制备了4种C/C坯体,随后熔融渗硅获得C/SiC复合材料;研究了不同纤维涂层、基体炭类型对C/SiC复合材料弯曲强度和断裂方式的影响,并对复合涂层状态的C/SiC材料的摩擦磨损性能进行测试。结果表明:混合基体炭与纯热解炭的C/C坯体相比,制备的RMI-C/SiC材料弯曲强度更高,且经过涂层处理的C/SiC材料弯曲强度最高;复合涂层、混合基体炭均使材料表现出良好的"假塑性"。复合涂层处理的试样在制动压力0.6～0.8 MPa、惯量0.3～0.4 kg·m~2、转速为6000～7500 r/min的条件下,平均摩擦系数为0.348～0.454,且材料磨损量较小,最大为2.188μm/(面·次)。     

催化剂种类对C/C复合材料结构和性能的影响

以自制高成炭率氨酚醛树脂为基体炭源,采用溶剂分散铁、硼和铬催化剂、多次液相浸渍–炭化增密和石墨化处理的方法制备出密度为1.20～1.61g/cm3的碳/碳(C/C)复合材料。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、四探针测试仪和弯曲强度测试等手段研究了催化剂种类对酚醛树脂基C/C复合材料结构和性能的影响。结果表明:硼、铁和铬等催化剂的引入可显著提高C/C复合材料的整体石墨化程度,降低其电阻率,催化石墨化效果按Fe,B,Cr的顺序依次降低;密度对电阻率及其分布有重要影响,体积密度较高的C/C复合材料的电阻率分布较均匀。催化剂的引入使得C/C复合材料的弯曲强度有所下降,但表现出明显的韧性断裂特征。     

C/C预制体密度和反应温度对RMI法制备C/C-SiC复合材料力学性能和微观结构的影响

研究C/C预制体密度和反应温度对RMI法制备C/C-SiC复合材料密度、弯曲强度和微观结构的影响。实验通过化学气相渗透法(CVI)制备密度分别为1.2g/cm~3、1.4g/cm~3和1.6g/cm~3的低密度C/C多孔预制体,采用反应熔渗法(RMI)制备密度分别为2.21g/cm~3、2.18g/cm~3和1.82g/cm~3的C/C-SiC复合材料;将CVI制备的低密度C/C多孔预制体,采用RMI法在1500℃、1650℃和1800℃的反应温度下制备密度分别为1.79g/cm~3、2.18g/cm~3和2.41g/cm~3的C/C-SiC复合材料。结果表明:随着C/C预制体密度增加,C/C-SiC复合材料密度不断降低,弯曲强度呈先上升后下降的趋势,在C/C预制体密度为1.4g/cm~3时,材料的性能达到最优状态,材料的密度为2.18g/cm~3,弯曲强度为196.7MPa;随着RMI反应温度增加,C/C-SiC复合材料密度不断升高,材料弯曲强度呈先上升后下降的趋势,在反应温度为1650℃时,材料性能达到最优状态,材料密度为2.18g/cm~3,弯曲强度为196.7MPa。     

涂层工艺对C/C复合材料结构和弯曲性能的影响

采用热处理和包埋工艺制备了Ｃ／Ｃ复合材料的ＭｏＳｉ２／ＳｉＣ抗氧化涂层,对组织结构、界面、弯曲断口进行了显微观察,分析了氧化保护涂层及其工艺对其机械性能的影响,结果表明,该工艺在Ｃ／Ｃ复合材料表面生成涂层的同时,使基材内部的界面也被硅化;并且发现,热解炭基体比炭纤维更易与Ｓｉ反应生成ＳｉＣ。Ｃ／Ｃ复合材料经涂层工艺处理后,弯曲强度降低;热处理过程中发生的材料氧化是弯曲强度下降的主要原因     

预制体结构对炭／炭复合材料力学性能影响

四种用于制备炭／炭（C／C）复合材料的预制体，即1K发布叠层坯体（1#坯体），3K发布叠层坯体（4#坯体），发市 炭纸叠层坯体（2#坯体），特殊炭毡 发布叠层坯体（3#坯本），并探索了预制体结构对C／C复合材料力学性能影响．研究表明：用1#坯体制备的C／C复合材料弯曲强度最高，2#坏体制备的材料弯曲强度最低，随著炭纤维（CF）体积含量的增加，用四种坯体制备的材料弯曲强度增大。确定了弯曲强度的优化配方．     

C/C坯体对C/SiC复合材料组织结构和导热性能的影响

以无涂层、C+SiC复合涂层处理的炭布/网胎预制体,分别经过化学气相渗透、树脂浸渍/炭化制备了3种C/C坯体,熔融渗硅后获得不同的C/SiC复合材料,对其组织结构和导热性能进行了研究。结果表明:热解炭坯体的C/SiC复合材料存在集中分布的Si,混合基体炭的C/SiC中可见较多微裂纹,C+SiC涂层的材料中残留Si含量少,基体组织均匀;热解炭坯体的C/SiC复合材料热扩散率和导热系数最大;混合基体炭的坯体,纤维经过C+SiC涂层,可明显提高材料的热扩散率和导热系数,且随温度的升高,导热系数的下降速率增大。     

预制体孔隙结构对炭/炭复合材料ICVI制备工艺的影响

研究了预制体孔隙结构对ICVI工艺致密化过程及基体热解炭微观结构的影响。结果表明：2D针刺炭毡致密化速度高于炭布叠层预制体，1K炭布叠层预制体的致密化速度高于3K炭布叠层；在致密化过程中，热解炭均匀沉积在纤维表面，预制体AS／VR比值变化是导致热解炭微观结构发生改变的根本原因。     

炭基体结构状态对C/C复合材料抗烧蚀性能的影响

碳基体在C／C复合材料的组成中占有很大的比重，因此炭基体不同的结构状态往往对C／C复合材料的各项性能有显著的影响。本文利用不同的原料和加工工艺制备出了三种具有不同炭基体的C／C复合材料，这三种碳基体分别是热解炭，沥青炭以及解热炭－树脂炭混合炭基体。对这三种材料多项性能的测试结果表明，炭基体的结构状态如石墨化度，炭片层结构的取向度的不同对C／C复合材料的各项性能均有显著的影响；基本趋势是C／C材料的石墨化度越高，材料的导电性能，导热性能以及抗烧蚀性能越好，压缩强度越低。三种炭基体中沥青炭基体沿纤维轴向的取向度最低，其抗烧蚀性能最差。     

不同预制体结构对低密度保温材料性能的影响

通过设计、制备三种不同结构类型的炭纤维预制体,利用化学气相沉积、表面涂层等工艺获得低密度保温材料制品,并对不同结构的制品进行体积密度、导热性能及力学性能的表征,结果表明,利用整体式Ⅱ结构炭纤维预制体获得的低密度保温材料制品的体积密度为0.33 g/cm3,导热系数为0.16 W/m·K(室温),平均拉伸强度为17.44 MPa,平均弯曲强度为16.30 MPa,综合性能表现最为优异。     

摩擦参数、环境及表面状况对C/C复合材料摩擦学性能的影响分析

影响C/C复合材料摩擦性能的因素较多,本论文综述了国内外的研究现状,评价了摩擦参数、环境及表面状况对C/C复合材料摩擦摩损性能的影响。就能量、转速、压力、湿度、温度、气氛、表面粗糙度和润滑条件等因素展开阐述。C/C复合材料的摩擦摩损是多种因素综合作用的结果,在材料性质确定的情况下,合理的摩擦参数设计、环境条件和摩擦的表面状况能优异地发挥C/C复合材料的摩擦摩损物性。但对于各因素的影响程度,还有待进一步的研究。C/C复合材料在摩擦领域得到了广泛的应用,但有必要进一步扩大摩擦优势,提高摩擦稳定性,降低摩损,尤其是高温氧化摩损。