陶瓷/纤维/树脂超混杂复合材料的力学性能

以泡沫SiC陶瓷为基本骨架,以改性酚醛树脂为基体,加入短切高硅氧玻璃纤维制备出陶瓷/纤维/树脂超混杂复合材料(SHCM),研究了泡沫陶瓷骨架和高硅氧纤维对材料力学性能的影响.结果表明,泡沫陶瓷骨架有利于材料的刚度和尺寸稳定性提高.加入泡沫陶瓷骨架后,纤维/树脂/陶瓷超混杂复合材料的压缩强度和压缩模量增大,随着泡沫陶瓷骨架含量的提高,弯曲模量大幅度提高而弯曲强度略有下降;随着高硅氧纤维含量的提高,材料的弯曲强度及弯曲模量均明显提高.     

真空热循环对M40J/环氧复合材料力学性能的影响

分别测量了经不同次数单向真空热循环试验(93～413 K,10-5Pa)后M40J/5228A复合材料的拉伸强度、弯曲强度和层剪强度,研究了真空热循环对M40J/环氧复合材料力学性能的影响.结果表明,随着真空热循环次数的增加,90°和0°拉伸强度下降,并分别于48次和40次真空热循环后趋于平缓.弯曲强度随着真空热循环次数的增加表现出先上升后下降再趋于平缓的特征,而层剪强度变化不大.90°和0°拉伸强度的变化与界面脱粘程度密切相关.弯曲强度变化主要反映真空热循环时树脂基体后续固化效应的影响.层剪强度变化是界面脱粘与树脂基体后续固化两种因素综合作用的结果.     

新型热塑性复合材料细观力学与宏观性能的研究

碳纤维增强杂萘联苯聚醚酮(CF/PPEK)和碳纤维增强杂萘联苯聚醚砜(CF/PPES)是一种新型高性能热塑性复合材料,制备方法和力学性能的研究是使其得到广泛应用的基础.本工作研究了两种复合材料的预浸热压成型工艺,对制备的单向复合材料进行了力学性能实验研究,并基于复合材料细观结构周期性假设,建立了一种细观力学模型.该模型建立起了宏、细观场量的联系,实验及理论计算结果表明该模型能够较好的预测此种复合材料的宏观弹性性能.     

Si对AM50力学性能和高温蠕变性能的影响

在基体合金AM50中分别加入Si和Ca,研究了Si和Ca对AM50-xSi合金的微观组织、力学性能及蠕变性能的影响.结果表明:加入Si后,合金高温蠕变性能随Si量的增加而增加并超过了AS41的水平;在AM50-xSi中加入微量Ca以后,合金中的Mg2Si相得到细化,从汉字状转变成颗粒状,室温及150℃拉伸性能明显提高.     

Ni基高温钎料对Cf/SiC陶瓷基复合材料的润湿性研究

研究了温度和活性元素Cr对Ni基高温钎料在3D-Cf/SiC陶瓷基复合材料上润湿的影响.采用扫描电镜与能谱仪检查界面微观结构与元素分布,通过X射线衍射仪检测界面产物.实验结果表明:升高温度,Ni基钎料在Cf/SiC上的润湿角减小;并且随钎料中的Cr的质量分数增加,润湿角减小.润湿过程属于反应润湿,润湿界面生成多种碳化物和硅化物.     

纤维织构对Cf/SiC复合材料结构和性能的影响

以先驱体浸渍裂解工艺制备了Cf/Sic复合材料,在相同工艺条件下,研究了四种纤维织构:2.5D,三维四向,三维五向,三维六向对复合材料结构和性能的影响.研究结果表明,2.5D纤维织构的复合材料,其力学性能优于其它三种织构的复合材料,2.5D织构的复合材料弯曲强度达到了406.25MPa,三维四向织构复合材料弯曲强度只有128.80MPa,三维五向织构复合材料159.74MPa,三维六向织构复合材料150.42MPa,并结合纺织学的结构理论对这种影响进行了剖析.     

CF/PPEK复合材料界面结构与性能

对连续碳纤维增强杂萘联苯聚醚酮(CF/PPEK)的界面结构与性能进行了研究。通过XPS和Raman光谱表征了CF/PPEK复合材料的界面结构,并利用微脱粘试验研究了CF/PPEK复合材料的界面性能。结果表明:PPEK能与经过表面处理的碳纤维形成较强的界面作用,粘结情况较为理想,保证了基体与纤维间的应力传递,使得CF/PPEK复合材料具有良好的热稳定性及力学性能。基于复合材料细观结构的周期性假设,采取连续性与周期性边界条件,建立了高性能热塑性复合材料三相同轴圆柱形细观分析模型。应用剪滞理论和非线性有限元分析方法对CF/PPEK的界面性能进行了模拟计算与分析,其计算结果与试验结果吻合较好。      

PC/CF共混体系的加工流变性能与力学性能

利用微量双螺杆挤出机(Hakke MiniLabⅡ,Rheomex CTW5),通过熔融共混挤出注塑的方法,在聚碳酸酯(PC)中添加炭纤维(CF)进行复合增强。实验对共混物加工过程中的流变行为进行了分析,研究了炭纤维含量对复合材料力学性能的影响,探讨了其黏度与力学性能变化的机理,由扫描电子显微镜观测拉伸及冲击破坏的试样断面形态。结果表明,当CF质量分数为2%时,复合材料非牛顿指数n值最小,假塑性最强,易于加工;同时,复合材料的综合力学性能也最为优异。扫描电镜照片显示,拉伸破坏的主要方式为界面脱胶,而冲击破坏的主要方式为纤维断裂。     

SiC_W含量对SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷力学及高温微波性能影响

以α-Si_3N_4粉、β-SiC_W为原料,Al_2O_3、Y_2O_3为烧结助剂,采用凝胶注模工艺制备了SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷材料,烧结温度为1 650℃,保温1.5h。研究了SiC_W加入含量对SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷的微观结构、力学及常温/高温微波吸收性能的影响。结果表明:随着SiC_W含量的增加,SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性都有先増后减的趋势,当含量为10wt%时,抗弯强度达到最大值505MPa,断裂韧性达9.515MPa·m1/2。常温介电常数在SiC_W含量为10wt%时,实部达最大值12,在12GHz最大吸收值为-21dB。高温介电常数随着SiC_W含量的增加有先增后减的趋势,在含量为10wt%时,实部达到最大值12.5。相比于纯Si_3N_4陶瓷,当SiC_W含量为10wt%时,SiC_W/Si_3N_4复合陶瓷在11.7GHz左右最大吸收可达-27dB,有效吸收频带(小于-5dB)为11.2~12.3GHz。     

High performance carbon-carbon composites

Carbon-carbon composites rank first among ceramic composite materials with a spectrum of properties and applications in various sectors. These composites are made of fibres in various directions and carbonaceous polymers and hydrocarbons as matrix precursors. Their density and properties depend on the type and volume fraction of reinforcement, matrix precursor used and end heat treatment temperature. Composites made with thermosetting resins as matrix precursors possess low densities (1.55–1.75g/cm³) and well-distributed microporosity whereas those made with pitch as the matrix precursor, after densification exhibit densities of 1.8–2.0g/cm³ with some mesopores, and those made by the CVD technique with hydrocarbon gases, possess intermediate densities and matrices with close porosities. The former (resin-based) composites exhibit high flexural strength, low toughness and low thermal conductivity, whereas the latter (pitch- and CVD-based) can be made with very high thermal conductivity (400–700 W/MK) in the fibre direction. Carbon-carbon composites are used in a variety of sectors requiring high mechanical properties at elevated temperatures, good frictional properties for brake pads in high speed vehicles or high thermal conductivity for thermal management applications. However, for extended life applications, these composites need to be protected against oxidation either through matrix modification with Si, Zr, Hf etc. or by multilayer oxidation protection coatings consisting of SiC, silica, zircon etc.     

热处理对含CSiCTaCC界面C/C复合材料力学性能的影响

以准三维针刺炭纤维毡为预制体, 采用化学气相渗透工艺在预制体中炭纤维/基体炭之间制备C-SiC-TaC-C复合界面, 利用树脂浸渍-炭化工艺对材料进一步增密, 获得含C-SiC-TaC-C界面的C/C复合材料。研究了1400～2500℃不同温度热处理前后复合材料的微观结构和力学性能。结果表明: 热处理前, SiC-TaC界面为管状结构, 复合材料的抗弯强度为241.6 MPa, 以脆性断裂为主; 经1400～1800℃热处理后, TaC界面破坏呈颗粒状, 复合材料的平均抗弯强度下降到238.9～226.1 MPa, 其断裂方式不变, 但断裂位移由0.7 mm增至1.0 mm; 经2000～2500℃热处理后, SiC、 TaC界面均受到破坏, 复合材料平均抗弯强度急剧下降至158.7～131.8 MPa, 断裂方式由脆性断裂转变为假塑性断裂。      

Csf/BAS玻璃陶瓷复合材料的制备及其力学性能研究

为了提高钡长石(BAS)玻璃陶瓷的力学性能,采用轧膜成型、热压烧结方法制备出纤维分布均匀的致密短碳纤维增强BAS玻璃陶瓷基复合材料(Csf/BAS).采用X射线衍射分析,扫描电子显微镜、透射电子显微镜观察及三点弯曲法与单边开口梁法研究了纤维含量对复合材料组织及力学性能的影响.研究表明:Csf对BAS玻璃陶瓷有良好的强韧化效应.体积分数为30%Csf/BAS复合材料的室温抗弯强度及断裂韧性分别为255 MPa和3.45 MPa.m1/2,其主要的韧化机制为裂纹偏转、纤维的拔出与桥接.用摩尔分数25%Sr代替Ba实现了基体的六方→单斜相的完全转变,进一步提高了复合材料的力学性能.     

高温热处理对C/C-SiC复合材料制备与力学性能的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用树脂浸渍和化学气相沉积混合法制备C/C多孔体,然后熔硅浸渗制得C/C-S iC复合材料;研究了C/C多孔体的高温热处理对C/C-S iC复合材料密度、孔隙度、力学性能及断裂方式的影响。结果表明:炭涂层进行高温热处理可改变复合材料的弯曲断裂方式,使其具有一定的“假塑性”,弯曲强度下降约16%,压缩强度提高约20%,硬度增加;C/C多孔体的最终高温热处理可打开孔隙,有利于液S i的渗入,制备出密度较高(>2.0 g.cm-3)、开孔率较小(<4%)的复合材料,但导致其力学性能下降,基本上不影响其断裂方式。     

挤压铸造TiB2P/Al复合材料室温力学性能

采用挤压铸造法制备不同体积分数的TiB_2P/Al复合材料, 利用扫描电镜、 硬度计、 拉伸试验机等对复合材料的室温力学性能进行了研究, 系统地分析了体积分数和热处理工艺对材料力学性能的影响。结果表明: 挤压铸造TiB_2P/Al复合材料的布氏硬度、 抗弯强度和弹性模量随增强相TiB₂体积分数的增加而提高。45% TiB_2P/Al复合材料T6处理后硬度和抗弯强度分别比退火态时提高了23%和40%, 但热处理状态对弹性模量的影响不大。      

纤维/Ekonol/PTFE复合材料的力学与摩擦学性能研究

对比考察了碳纤维(CF)、六钛酸钾晶须(PTW)分别与聚苯酯(Ekonol)混合填充对聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的力学与摩擦学性能的影响,并探讨了内部机理.结果表明:PTW相比于传统纤维CF,尺寸细微,具有微区增强特性,PTW的填充提高了Ekonol/PTFE复合材料的致密程度,协助形成更为均匀、致密的转移膜,相比于CF/Ekonol/PTFE复合材料,有着较好的力学性能、摩擦稳定性、耐磨性,进一步改善了Ekonol/PTFE复合材料的综合性能.纤维、Ekonol混合填充PTFE,二者表现出协同润滑与减磨效应.纤维协助均匀、致密的转移膜的形成;而硬质Ekonol颗粒在纤维和对偶之间可能起到了一种第三体滚动效应,避免了纤维受到较为严重的磨损,从而提高复合材料的摩擦磨损性能.