C/C复合材料的疲劳性能及损伤研究现状

碳/碳复合材料作为理想的高温结构材料,在服役过程中不可避免地涉及疲劳加载的情况,其疲劳行为的研究具有十分重要的意义.通过对近年来C/C复合材料疲劳行为的研究情况进行的综述,总结出了疲劳特点以及疲劳过程中材料微观结构的变化特点.并在此基础上,对今后的研究工作发表了一些看法.     

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究; 对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型, 建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示: 单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右, 在70.0%应力水平的疲劳载荷下, 面内剪切刚度退化最大可达30%左右; 三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高; 随着疲劳循环加载数的增加, 三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。      

热解碳基碳/碳复合材料的内耗特征与机制

以高纯石墨为对照材料,初步研究了热解碳基碳/碳复合材料的内耗行为,并根据实验结果提出了碳/碳复合材料的内耗机制:热滞弹性机制与静滞后型内耗机制。纤维/基体的界面内耗效应对碳/碳复合材料的内耗特性影响很大,它的存在使碳/碳复合材料产生了一些较为反常的内耗现象。      

孔隙演化与C/C复合材料的疲劳行为

孔隙是C/C复合材料结构中重要的组成部分,它直接影响着材料的疲劳行为,因此,在研究C/C复合材料的疲劳行为时,考察基体以及界面中孔隙的变化具有重要的意义.综述了C/C复合材料原始孔隙结构的特点,分析了在疲劳加载过程中碳/碳复合材料孔隙结构的演化规律,强调了孔隙结构变化对碳/碳复合材料疲劳强化所作出的积极贡献,进而为其疲劳机理的研究提供依据.     

国内外碳/碳复合材料连接研究进展

介绍了近年来国内外碳/碳复合材料连接领域的研究进展,系统总结了碳/碳复合材料与自身及其与铜合金、钛合金、铌合金之间连接新技术与新工艺,并对有限元分析方法在碳/碳复合材料连接中的应用进行了简要的概括.针对碳/碳复合材料连接中存在的问题,提出了一些可行性解决方案,最后展望了碳/碳复合材料连接的研究前景.     

碳/碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展

碳/碳复合材料是一种性能优异的高温摩擦材料,作为刹车材料在航空工业已得到成功应用.但碳/碳复合材料的摩擦磨损性能强烈地依赖于试验条件和制备工艺.综述了各种因素对碳/碳复合材料摩擦磨损性能的影响,总结了碳/碳复合材料摩擦磨损机理,并指出了碳/碳复合材料摩擦学需进一步深入研究的问题及新的研究方向.     

毡基碳/碳复合材料氧化动力学研究

本文研究了不同温度(773～1173K)条件下,毡基碳/碳复合材料的氧化动力学行为,并利用扫描电镜观察分析了不同氧化程度的碳/碳复合材料显微组织。实验结果表明:毡基碳/碳复合材料在各温度下氧化速度均不随时间而变化。在高于和低于873K时,其氧化机制不同,二者的活化能分别为128kJ/mol和96kJ/mol;同时,碳/碳复合材料氧化过程中。碳毡优先氧化,随着氧化过程进行到后期,基体碳氧化程度加剧。另一方面,毡基碳/碳复合材料的氧化速度主要受该材料的表面反应、气体扩散、催化剂等因素的影响。     

碳毡及编织结构碳/碳复合材料常温力学性能研究

为研究两种不同预制体增强的碳/碳(C/C)复合材料的损伤破坏机制差别,将为该材料应用于结构件提供依据,对碳毡及2.5D编织结构增强的C/C复合材料的常温弯曲、剪切、压缩性能进行了测试,并用扫描电镜观察其断面形貌,对C/C复合材料在静态载荷下的力学性能及损伤破坏行为进行研究,探讨有关因素对材料性能和损伤破坏的影响.研究结果表明:两种不同增强体的C/C复合材料的断裂机理存在很大差异,且密度对C/C复合材料的常温力学性能有较大的影响.     

碳/碳复合材料磷酸盐抗氧化涂层的研究进展

综述了国内外碳/碳复合材料磷酸盐抗氧化涂层的研究进展,介绍了磷酸盐涂层体系的抗氧化原理、制备方法及研究现状,总结了碳/碳复合材料现有磷酸盐涂层体系的不足之处,展望了磷酸盐涂层发展的前景,指出未来碳/碳复合材料磷酸盐抗氧化涂层工作的重点应该是探索新的低成本工艺技术制备致密、结合力好、能在全温度段保护碳/碳复合材料的磷酸盐涂层体系,并详细研究了该涂层的抗氧化、失效机理.     

碳/碳复合材料内耗行为研究

碳／碳复合材料的内耗是材料内部各种结构因素共同作用的结果。通过分析碳纤维、热解碳基体及纤维／基体界面对碳／碳复合材料内耗特征的影响规律与机抽,对碳／碳复合材料的内耗行为进行了研究。     

Temperature-Invariant Superelastic and Fatigue Resistant Carbon Nanofiber Aerogels

Superelastic and fatigue-resistant materials that can work over a wide temperature range are highly desired for diverse applications. A morphology-retained and scalable carbonization method is reported to thermally convert a structural biological material (i.e., bacterial cellulose) into graphitic carbon nanofiber aerogel by engineering the pyrolysis chemistry. The prepared carbon aerogel perfectly inherits the hierarchical structures of bacterial cellulose from macroscopic to microscopic scales, resulting in remarkable thermomechanical properties. In particular, it maintains superelasticity without plastic deformation even after 2 × 10⁶ compressive cycles and exhibits exceptional temperature-invariant superelasticity and fatigue resistance over a wide temperature range at least from −100 to 500 °C. This aerogel shows unique advantages over polymeric foams, metallic foams, and ceramic foams in terms of thermomechanical stability and fatigue resistance, with the realization of scalable synthesis and the economic advantage of biological materials.     

碳纤维复合材料假脚冲击后的疲劳试验

针对一种新型结构的碳纤维复合材料假脚,开展了自由落体冲击试验及冲击后疲劳寿命试验,分析了不同铺层参数、不同冲击能量等因素对其冲击损伤及疲劳寿命的影响规律。结果表明,不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚U形结构件的冲击损伤具有显著影响,且随着0°铺层含量的降低,试件的冲击损伤面积增加,外观损伤越来越严重;碳纤维复合材料结构件的疲劳性能对冲击能量比较敏感,随着冲击能量的增加,碳纤维结构件的冲击损伤面积明显增大,其疲劳寿命逐渐降低。在冲击能量从4J增加到10J的情况下,碳纤维复合材料假脚的疲劳寿命大幅度降低了66.8%;尽管随着冲击能量的增加,试件的疲劳寿命逐渐降低,但二者之间并不符合线性关系,即冲击能量存在一门槛值,当冲击能量超过该门槛值后,其对碳纤维结构件疲劳寿命的影响将减弱;仅当碳纤维复合材料假脚的后龙骨厚度为2.7mm,且冲击能量≤4J的情况下,其疲劳寿命才可较好地满足相关安全标准的要求。     

粉末涂层碳纤维制备碳/碳复合材料研究进展

综述了国内外碳/碳复合材料的主要用途和制备方法,通过比较发现粉末预涂层制备碳/碳复合材料是一种低成本、短制备周期的理想方法,它包括基体树脂和碳纤维的选择、碳纤维的表面处理及碳纤维丝束的铺展.采取层压成型制备试样,经高温炭化和石墨化制备碳/碳复合材料.     

炭/炭复合材料表面预炭层的制备及其性能研究

为在炭/炭复合材料表面制备C/SiC浓度梯度高温抗氧化涂层,预先用料浆涂刷-高温处理工艺在其表面制备了预炭层.借助XRD、Raman和SEM等测试手段对所制备预炭层的组织结构和微观形貌进行了表征,讨论了不同的原料配比和炭化温度对预炭层结构的影响,并对预炭层与基体的结合性能进行了测定.研究结果表明：制备的预炭层结构致密,与基体具有较好的结合性能,其结合强度可达10.95MPa.不同的原料配比和炭化温度影响了炭层序态结构的形成,最终形成了不同结构的预炭层.     

碳纤维复合材料假脚冲击后疲劳性能影响因素分析

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏过程进行分析,研究了不同冲击能量、不同冲头材料、不同应力水平等因素对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层。随着冲击能量的增加,上述3种破坏模式的损伤单元数逐渐增大;尽管随着冲击能量的增加,碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数逐渐降低,但二者之间并不满足线性关系,即存在冲击能门槛值。对于碳纤维复合材料假脚而言,其冲击能门槛值为7J;冲头材料越硬,碳纤维复合材料结构件的冲击损伤面积越大,疲劳性能下降越剧烈;碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数随着加载应力的增加而显著降低。     

高导热C/C复合材料的研究进展

综述了高导热C/C复合材料的研究现状及进展.从C/C复合材料的导热机理出发,分析了C/C复合材料的热物理性能以及影响其导热性能的因素.介绍了不同类型碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热C/C复合材料的制备及改性.     

碳／碳复合材料的氧化与防护

碳/碳复合材料的氧化敏感性限制了它的应用,为满足未来宇航飞行器等对高温结构材料的需要,必须彻底解决碳/碳复合材料的氧化防护问题。本文在认真分析碳/碳复合材料氧化过程的基础上,全面总结了提高碳/碳复合材料的抗氧化途径,其具体方法包括:材料内部结构、纤维、基体的改进和用各种方法在其表面施加保护涂层。同时,进一步发现:一种包括硼酸盐玻璃作内涂层,以SiC、Si_3N_4、SiO_2等作为外涂层的多层涂层系统,能在1700℃以下对碳/碳复合材料提供较好的防护。     

医用炭/炭复合材料表面梯度CVD热解炭涂层的摩擦性能研究

采用医用炭/炭复合材料并通过梯度化学气相沉积法(CVD)在其表面制备热解炭涂层, 研究分析了涂层的显微结构、摩擦系数、磨损情况. 结果发现, 该热解炭涂层表面被直径约20 μm热解炭球致密覆盖, 在断口处呈现紧密、多层的热解炭. 与用沥青浸渍/炭化法制备的炭/炭复合材料相比, 在干摩擦时, 热解炭涂层样品的摩擦系数更大; 在模拟人体关节的湿摩擦时, 它的摩擦系数低; 在干摩擦和湿摩擦的情况下, 它的磨损要小很多. 这些结果表明利用梯度的化学气相沉积法(CVD)制备医用炭/炭复合材料的涂层可以提高其表面的耐磨性.     

碳/碳复合材料表面粗糙度对成骨细胞生长行为的影响

采用化学气相沉积工艺制备了碳/碳(C/C)复合材料, 用表面轮廓仪检测了表面粗糙度, 用MG-63成骨细胞进行了细胞试验, 研究了C/C复合材料表面粗糙度对成骨细胞形貌、粘附和增殖的影响规律. 结果表明: C/C复合材料表面粗糙度越高则成骨细胞在其表面的粘附率越高, 增殖率越低; C/C复合材料表面粗糙度对成骨细胞的生长方向和形貌具有诱导作用, 粗糙度越高则方向诱导作用越明显, 且细胞附着形貌呈梭形或长条状, 立体感强, 反之成骨细胞则呈现片状, 铺展状态好.     

碳纤维复合材料假脚工艺参数对其冲击后疲劳性能的影响

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚的冲击及冲击后疲劳破坏过程进行分析,研究了不同的复合材料体系、几何尺寸、纤维铺设方式等工艺参数对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层;复合材料体系的横向和法向拉伸强度以及剪切强度等参数越小,假脚的冲击损伤面积越大,所能承受的疲劳循环次数越低;随着后龙骨厚度的增加,基体开裂损伤面积越来越大,分层损伤面积略有减小,而纤维压缩损伤几乎没有变化。尽管随着后龙骨厚度的增加,假脚的疲劳循环次数逐渐增大,但是相对于厚度的增加量,疲劳循环次数的增加量相对较小;不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚的冲击损伤模式几乎没有影响。适度增加0°铺层的含量,可有效提高碳纤维复合材料假脚的疲劳性能。