含孔和切口C/C编织复合材料静态拉伸下的力学性能

通过对中心开孔、 双边半圆切口和双边V型切口三种结构的静态拉伸测试及有限元模拟分析, 比较了不同开孔/切口形式C/C编织复合材料的破坏行为。结果表明: 三种开孔/切口形式的C/C试件在拉伸破坏中均表现为较强线性的应力-应变关系, 且开孔/切口附近有明显的应力集中; 板宽不变时, 缺口强度对开孔/切口尺寸不敏感, 而对其端部的曲率半径较敏感; 孔端部材料不满足线弹性的破坏机制, 发生了大规模的应力松弛, 其尺寸随开孔/切口曲率半径的增大而增大, 而对开孔/切口位置不敏感。     

开孔对平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料力学行为的影响

通过拉伸、压缩和疲劳实验结合断口显微观察并与光滑试样进行对比,研究开孔对平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料力学行为的影响.结果表明:开孔试样的拉伸行为和光滑试样一样表现为非线性,拉伸强度降低11.8%,拉伸破坏应变降低54.3%;开孔试样的压缩行为与光滑试样不同,低应力时表现为线性,应力增大到一定程度时由于裂纹闭合效应较为明显,开始表现出明显的非线性,压缩强度降低12.2%,压缩破坏应变降低54.9%;开孔试样的疲劳极限约为其极限拉伸强度的88%,与光滑试样相同;开孔试样在拉伸、压缩和疲劳载荷作用下都具有较小的应力集中系数,对开孔敏感性较小;开孔试样断口一般从孔中间穿过,破坏首先发生在试样孔边应力集中最严重的地方,断口方向与孔边初始缺陷有关.     

密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70 g/cm3、1.82 g/cm3、1.89 g/cm3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能.结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低.当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高.材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势.材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数.材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大.热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82 g/cm3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力.在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计.     

增强毡C/C复合材料的结构和性能

设计了两种不同结构的预制体,即碳布 碳毡(1#预制体)、无纬布 碳毡(2#预制体),经化学气相沉积(CVD)与浸渍树脂相结合的致密化工艺制备出了高密度的增强毡C/C复合材料.结果表明:1#、2#预制体制备的C/C材料表现出了良好的力学性能,其拉伸强度分别达61.25MPa和53.12MPa,其中2#材料的拉伸破坏表现出了假塑性.结合材料的微观形貌研究了预制体结构、界面对C/C复合材料拉伸性能的影响.     

对称切口拉伸法评价高强度涂层及平面应力有限元分析

由于粘胶结合强度的限制,常规拉伸法不能用于评价高强度涂层.利用对称切口拉伸的方'法,评价了不同喷涂和烧结工艺所得高强度涂层与基体的结合性能.结果表明,涂层与基体切口尖端的应力集中作用,使交界面产生裂纹并迅速扩展,导致涂层界面开裂.对应不同切口结构工艺参数,采用平面应力有限元对涂层/基体交界面上的应力分布进行了力学计算.结果表明:楔形切口和深U形切口两种情形下对涂层/基体交界面应力分布影响不大;沿界面方向的应力对涂层破坏有加速作用,切口尖端应力集中随切口切割深度的增大而减小.     

密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70g/cm~3、1.82g/cm~3、1.89g/cm~3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能。结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低。当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高。材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势。材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数。材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大。热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82g/cm~3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力。在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计。     

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

针刺C/C复合材料高温剪切强度研究

利用快速通电加热技术,模拟针刺C/C复合材料的高温工作环境;运用双槽口剪切试验方法对材料在不同温度下的剪切强度进行研究;通过扫描电子显微镜观察试样断口形貌;采用红外测温技术测定了试样槽口及剪切截面温度。结果表明:材料剪切强度在一定范围内随温度升高而增加,1 800 ℃时剪切强度达到最大(35.6 MPa);针刺C/C复合材料室温下的主要破坏形式为纤维拔出及断裂,而高温下纤维与基体界面结合强度高,纤维拔出少,发生脆性断裂;随着温度升高,电流增大,槽口与剪切截面温差增大,较大的热应力及电流烧损使得材料在2 300 ℃时的剪切强度显著降低。     

三维机织预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

本工作设计并用炭纤维织造了两种不同结构的三维预制体,即三维角联锁结构(JLS)和三向正交结构(SZJ),采用化学气相渗透(CVI)致密和液相树脂浸渍/炭化的增密工艺,制备出C/C复合材料,测试并对比分析了拉伸性能和冲剪性能.结果表明:预制体结构对C/C复合材料的力学性能有很大影响,同时决定拉伸断裂破坏模式.三向正交结构C/C复合材料的力学性能好于三维角联锁结构的C/C复合材料.     

碳纤维预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响

以2D碳纤维预制体为增强体, 采用电耦合和等温化学气相渗联合工艺制备C/C复合材料, 研究不同预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响。结果表明, 不同预制体结构增强的C/C复合材料表现出不同的力学行为。对于针刺结构, 随着针刺密度由35 pin/cm ²降至25 pin/cm ², C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由60.1、119.9 MPa增大至69.5、176.8 MPa; 随着碳纱丝束由12 K变为3 K, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由69.5、176.8 MPa增大至105.5、184.4 MPa。对于12 K双向缝合结构, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别为68.1、123.7 MPa。不同碳纤维预制体结构增强的C/C复合材料力学性能的差异主要取决于长纤维的完整性、大孔的分布和数量等因素。C/C复合材料的螺栓性能由于体材料性能和加工过程中缺陷的影响, 其拉伸强度略低于其体材料, 并表现出更为明显的脆性断裂模式。     

C/C复合材料拉伸强度与针刺成型参数相关性研究

采用Design-expert软件设计预制体不同针刺成型参数组合试验, 研究预制体针刺成型参数对针刺碳/碳(C/C)复合材料拉伸强度的影响, 并构建了响应曲面数学模型, 实现对针刺C/C复合材料拉伸强度的优化与预测, 其模型显著性P=0.0206, 各试验实测值与预测值相对误差≤10.82%, 模型具有较高的拟合度。响应曲面回归分析表明: 针刺深度对拉伸强度有极显著影响, 针刺密度对拉伸强度有显著影响, 在本研究的针刺成型参数取值范围内, 拉伸强度的预测区间为42.31~91.87 MPa。通过模型优化出的针刺成型参数组合为: 针刺密度11 pin/cm²、针刺深度 11 mm、网胎面密度50 g/m², 相应拉伸强度预测值为88.62 MPa, 验证值为90.71 MPa, 相对误差2.36%。     

细编穿刺C/C 复合材料不同层次界面特性研究

针对细编穿刺C/C 复合材料中单丝/碳基体和纤维束/碳基体不同层次界面结构特性, 分别设计、建立了表征这两个层次界面结合性能的原位顶出仪, 并将界面结合性能与C/C 复合材料层间剪切强度测试进行了比较。利用该原位技术, 研究了不同工艺参数条件下C/C 复合材料这两个层次界面结合性能的关系, 并讨论了它们对C/C 复合材料拉伸强度的影响。表明: 本文中所建立的单纤维和整束纤维顶出技术可用于定量表征C/C 复合材料的不同层次界面粘合性能。不同层次界面结合状态在一定程度上对材料宏观力学性能的影响是不同的。     

Fabrication of Tia SiC2 modified C/C - SiC composites by liquid silicon infiltration

采用浆料浸渗结合液硅渗透法原位生成高韧性Ti3SiC2基体,制备Ti3SiC2改性C／C—SiC复合材料。研究了TiC颗粒的引入对熔融Si浸渗效果的影响,分析了Ti3SiC2改性C／C-SiC复合材料的微结构和力学性能。实验结果表明：TiC与熔融si反应生成Ti3SiC2是可行的,而且c的存在更有利于生成Ti3SiC2;在含TiC颗粒的C／C预制体孔隙（平均孔径22．3μm）内,熔融si的渗透深度1min内可达10．8cm;Ti3SiC2取代残余Si后提高了C／C-SiC复合材料的力学性能,C／C-SiC-Ti3SiC2复合材料的弯曲强度达203MPa,断裂韧性达到8．8MPa·m^[1/2];对于厚度为20rllm的试样,不同渗透深度处材料均具有相近的相成分、密度和力学性能,无明显微结构梯度存在,表明所采用的浆料浸渗结合液硅渗透工艺适用于制备厚壁Ti3SiC2改性C／C-SiC复合材料构件。     

液硅渗透法制备Ti3SiC2改性C/CSiC复合材料

采用浆料浸渗结合液硅渗透法原位生成高韧性Ti₃SiC₂基体, 制备Ti₃SiC₂改性C/C-SiC复合材料。研究了TiC颗粒的引入对熔融Si浸渗效果的影响, 分析了Ti₃SiC₂改性C/C-SiC复合材料的微结构和力学性能。实验结果表明: TiC与熔融Si反应生成Ti₃SiC₂是可行的, 而且C的存在更有利于生成Ti₃SiC₂; 在含TiC颗粒的C/C预制体孔隙(平均孔径22.3 μm)内, 熔融Si的渗透深度1 min内可达10.8 cm; Ti₃SiC₂取代残余Si后提高了 C/C-SiC复合材料的力学性能, C/C-SiC-Ti₃SiC₂复合材料的弯曲强度达203 MPa, 断裂韧性达到8.8 MPa·m1/2; 对于厚度为20 mm的试样, 不同渗透深度处材料均具有相近的相成分、 密度和力学性能, 无明显微结构梯度存在, 表明所采用的浆料浸渗结合液硅渗透工艺适用于制备厚壁Ti₃SiC₂改性C/C-SiC复合材料构件。      

不同处理方法对碳纤维表面形态及Cf/C复合材料强度的影响

采用浓硝酸和电化学两种不同的表面处理技术,对碳纤维表面处理,利用SEM对纤维表面进行了分析,并对其所制备的Cf/C复合材料抗弯性能进行了测试.结果表明:采用低电压,短时间处理,对碳纤维表面作用较温和,粗糙度和比表面积增加,对复合材料的增强效果较浓硝酸氧化处理的显著.经10V,10min处理后,纤维表面出现"松树皮"状凸起,复合材料力学性能下降.电化学处理碳纤维以提高复合材料界面性能的机理至少包括薄弱外层的去除和对纤维表面的刻蚀两种作用,在混合作用中,对纤维表面刻蚀作用占据主导地位.     

CLVI制备C/C复合材料的微观结构及力学性能研究

采用快速化学液相气化渗透法制备了碳/碳复合材料,沉积温度为850-1400℃,系统压力约0.1MPa.利用偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了基体热解碳的微观组织结构及断口形貌特征;针对该技术特殊的致密化环境,研究了三种类型热解碳的形成条件及沉积过程;观察结果表明:粗糙层热解碳以层状方式生长,生长层面为曲面形状,热解碳微观结构呈现出锥形生长特征;同时测定了材料的力学性能,发现材料破坏形式属于剪切-拉伸的复式破坏,但拉伸破坏为主导形式,材料的纤维/基体粘结强度较高,薄弱环节是层间结合部位.