湿热环境下Carbon/Epoxy复合材料层合板动态压缩性能

随着纤维增强复合材料的广泛应用, 研究其在湿热环境下的动态力学性能具有重要的理论研究意义与工程应用价值。首先对碳纤维增强环氧树脂基(Carbon/Epoxy)复合材料层合板试件进行了湿热处理, 其后采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术开展了干/湿态试件高应变率压缩实验并对实验结果进行分析。结果表明: 材料脱(吸)湿过程呈现出两段式特点, 存在二次脱(吸)水现象; Carbon/Epoxy复合材料层合板的强度在垂直铺层方向具有显著的应变率敏感性, 随着应变率从1 500 s-1增加至6 000 s-1, 其强度增加近3倍, 与此同时应变率对其弹性模量的影响却非常微弱; 此外, 湿热处理有助于提升该材料的动态力学性能, 经20 d吸湿后材料动态强度有最大12.45%的增幅, 吸湿使得材料动态强度的上升在应变率较低时比较明显。      

SiC晶须增强SiCf/SiC复合材料的力学性能

以连续SiC纤维为增强体,采用前驱体浸渍裂解工艺,在复合材料基体中引入SiC晶须制备出多级增强的SiCf/SiC-SiCw复合材料,并采用化学气相渗透工艺在SiC晶须表面制备BN界面层,研究了SiC晶须及其表面BN界面层对复合材料的性能影响.结果表明:在复合材料中引入SiC晶须后,由于晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等作用增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗,使SiCf/SiC复合材料的压缩强度有明显提高,当引入体积分数为20％的SiC晶须时,复合材料压缩强度提高了22.6％,可达673.9 MPa.通过化学气相渗透工艺在SiC晶须表面制备BN界面层后,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别为414.0,800.3 MPa和22.2 MPa·m1/2,较SiC晶须表面无界面层时分别提高了13.9％,8.8％和19.0％.     

C/SiC陶瓷基复合材料研究与应用现状

碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、耐高温、耐磨等综合性能,已成为重要的热结构材料体系之一,目前已成功应用于航空发动机热结构部件、飞行器热防护系统、制动系统以及核结构部件等。本文主要综述了C/SiC陶瓷基复合材料在制备方法和应用领域的研究进展,介绍了一系列具有代表性的C/SiC复合材料的制备方法,重点关注多种制备方法相结合的混合工艺,概述了C/SiC复合材料在航空航天热结构和热防护、刹车材料、空间相机结构等领域的应用,展望了更优异的混合制备工艺以及针对不同应用要求的复合材料新体系,以便为今后C/SiC陶瓷基复合材料的进一步研究提供参考。     

Cf／SiC陶瓷基复合材料制备及性能研究现状

本文综述了Cf／SiC陶瓷基复合材料的研究进展，回顾了碳纤维的发展过程，介绍了Cf／SiC陶瓷基复合材料的制备技术，详细阐述了Cf／SiC陶瓷基复合材料的力学性能与微观结构，分析了提高其断裂强度、断裂韧性的机理。并展望了Cf／SiC陶瓷基复合材料以后的研究重点及发展前景。     

短切碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的高温冲击压缩力学性能

采用先驱体浸渍裂解法(即PIP法)制备出3种不同短切碳纤维(C_(sf))体积分数的圆柱形短切碳纤维增强陶瓷基复合材料(C_(sf)/SiC复合材料)试件,通过高温加热装置和自组装功能的霍普金森压杆装置对试件进行高温和动态荷载耦合作用下的冲击压缩试验,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察C_(sf)/SiC复合材料断口形貌,对试件的破坏形态进行分析。试验结果表明,采用PIP法制备的C_(sf)/SiC复合材料试件中C_(sf)分布均匀,在外应力作用下C_(sf)/SiC复合材料试件发生破坏,碳纤维和碳纤维束与SiC基体脱粘被不断拔出。试件的抗压强度随C_(sf)体积含量的增加而呈现先增加后减小的变化趋势,C_(sf)体积含量为21%的试件抗压强度最高,为96.55 MPa。与常温相比,在高温压缩试验中随着复合材料试件平均温度的升高,C_(sf)/SiC复合材料试件破碎后的块度越来越大,整体性越来越好,当温度达到300℃时,C_(sf)体积含量对C_(sf)/SiC复合材料试件抗压强度的影响较小。     

玻璃微珠/环氧树脂复合材料的动静态力学性能研究

玻璃微珠浮力材料是一种由空心玻璃微珠(HGB)和环氧树脂制造的二相复合材料。玻璃微珠材料因其具有低密度、高强度、吸水率低等特点被广泛应用于建材、航海、航天等领域。其静态力学性能已经得到充分地研究,但对其动态力学性能的研究尚不能满足工程应用需求。采用INSTRON电子万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)对HGB/环氧树脂复合材料进行了准静态/动态加载情况下的压缩、劈拉、伪三轴压缩实验。结果表明,HGB/环氧树脂复合材料具有较强的应变率敏感性。其抗压强度、劈裂抗拉强度随应变率增加而增加,表现出应变率增强效应。其破坏形式也存在应变率敏感特性,随着应变率的提高其脆性增加。对比单轴压缩及伪三轴压缩,发现材料在伪三轴压缩情况下较单轴压缩时抗压强度增强。     

2D-C/SiC复合材料低温动态Z向压缩性能

采用Hopkinson压杆试验装置,对2D-C/SiC复合材料进行了低温条件下的Z向动态压缩性能试验研究,低温条件通过控制酒精和液氮的配比系数得到,通过改变波形整形器几何尺寸的方法来实现恒应变率加载,以得到准确、可信的试验结果。试验结果表明: 由于复合材料内部含有大量初始微缺陷,2D-C/SiC复合材料在低温动态加载条件下呈现伪塑性行为,其破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化现象,在经历了较大的变形后才最终破坏。随着温度的降低,复合材料的动态Z向压缩强度增加,但失效应变减小。2D-C/SiC复合材料在低温环境下,其内部纤维和基体之间界面结合力增强,同时强的界面结合力可以导致高的压缩强度。     

烧蚀过程中C/C复合材料的结构演变

利用SEM和TEM考察了3D C／C复合材料在电弧加热器上烧蚀后的材料表层显微组织结构变化。发现炭纤维和基体炭中的石墨微晶经过烧蚀后都得到了明显的发展。在距烧蚀表面几个纳米的深度范围内形成了高度取向的带状石墨织构，同时，在带状织构中间也形成了许多孔洞和缝隙。在距烧蚀表面几个微米的深度形成了卷曲柱状结构，在这些柱状结构周围有许多缺陷。在纤维和基体炭的界面区域，靠近纤维一侧形成了带状织构，且织构间的缝隙变大。     

水泥砂浆在围压下的动态力学性能

水泥砂浆在不同应力状态、不同加载条件下,表现出截然不同的力学性能。利用分离式霍普金森压杆做了一维应力、被动围压和主动围压下水泥砂浆的冲击压缩实验,分别得到了这三种加载条件下的应力-应变曲线,讨论了应力状态、加载条件及应变率对水泥砂浆力学性能的影响,最后研究了用于描述水泥砂浆塑性的破坏准则。     

冲击荷载下高韧性水泥基复合材料动态力学特性与微结构演化研究

为提升水泥基材料静态力学性能、抗冲击特性及为减少温室气体排放而降低水泥用量,以硅粉为矿物掺合料(掺量为10%,质量比)、钢纤维为功能组分(掺量为2%,体积比),并匹配高效减水剂(掺量为1.5%～2.0%,质量比)制备高韧性水泥基复合材料,通过准静态抗压/抗折强度、分离式霍普金森压杆试验和采用水化微量热仪、热重分析仪,分别研究了高韧性水泥基复合材料准静态/动态力学特性及其微结构演变特征。结果表明：冲击荷载下(冲击速率为0.5 MPa/s)水泥基材料典型破坏过程分为三阶段,高韧性水泥基复合材料受作用后仅出现局部浆体剥落、飞散现象,而基准组体系均发生显著破坏直至整体破碎;硅粉在10%掺量下有效提升了水泥基复合材料体系早期和后期的准静态力学性能,1 d天龄期下抗压强度和抗折强度最高可达61.4 MPa、23.9 MPa,也显著提升了动态抗压强度至123.3 MPa(28 d天龄期)。微结构演变结果表明：硅粉和减水剂复合作用下浆体水化放热速率主峰提前,且主要水化产物——氢氧化钙含量减少,降低了浆体内部氢氧化钙分布的取向性,有助于改善浆体微结构。     

C/C-ZrC复合材料的微观结构和力学性能研究

采用ZrOCl₂溶液浸渍法把锆化合物引入碳纤维预制体, 经热处理、热梯度化学气相渗透致密化和高温石墨化工艺制备了C/C-ZrC复合材料。性能测试结果表明, C/C复合材料的弯曲强度和模量随ZrC含量的增加而增大, ZrC含量为12.08wt%时, 其强度和模量分别为42.5 MPa 和9.6 GPa, 比未改性试样分别提高了70.0%和43.3%。基体中结合较弱的微米级ZrC颗粒的存在不利于碳基体强度的提高, 但其对材料最终性能的影响是次要的, 碳基体中亚微米/纳米级ZrC颗粒的存在和良好的ZrC-C界面结合, 提高了碳基体的强度和模量, 进而提高了复合材料的最终性能。     

C/C‐SiC Composites for Advanced Friction Systems

Ceramic Matrix Composites (CMC), based on reinforcements of carbon fibres and matrices of silicon carbide, show superior tribological properties in comparison to grey cast iron or carbon/carbon. In combination with their low density, high thermal shock resistance and good abrasive resistance, these Si‐infiltrated carbon/carbon materials, called C/SiC or C/C‐SiC composites, are promising candidates for advanced friction systems. Generally, the carbon fibres lead to an improved damage tolerance in comparison to monolithic SiC, whereas the silicon carbide matrix improves the wear resistance compared to carbon/carbon. In combination with new design approaches cost‐efficient manufacturing processes have been developed and have lead to successfully tested prototypes of brake pads and disks, especially for passenger cars and emergency brake systems.     

预氧化Cf/SiC陶瓷基复合材料及其构件的抗疲劳特性研究

采用在线销钉集成技术实现了二维C_f/SiC复杂构件的近尺寸成型,并考察预氧化C_f/SiC销钉集成构件的高周疲劳寿命及破坏模式。实验结果表明:C_f/SiC构件在不同激振加速度条件下均表现为由销钉断裂所引起的整体分层破坏,层板连接处为C_f/SiC构件的振动疲劳薄弱部位。通过ANSYS振动应力分析和微观组织分析可以推论出,疲劳试验时,裂纹容易沿着层板间的基体扩展,在基体开裂失效后,全部应力施加于销钉处,最终在疲劳应力作用下销钉发生断裂,导致构件整体分层破坏。     

C/SiC/Si-Mo-Cr复合涂层碳/碳复合材料力学性能研究

采用包埋法和涂刷法在碳/碳复合材料表面制备了一种新型的C/SiC/Si-Mo-Cr复合高温抗氧化涂层. 借助XRD和SEM等测试手段对所制备复合涂层的微观结构进行了表征, 采用三点弯曲试验研究了涂层处理及热震试验对碳/碳复合材料力学性能的影响规律. 结果表明: 制备的多相涂层结构致密, 涂层后碳/碳复合材料弯曲强度有所增大, 断裂特征由假塑性向脆性转变. 涂层试样经1500℃至室温20次热震后, 涂层试样的弯曲强度降低, 塑性增强.     

碳纤维/铝复层材料的组织和力学性能

在1060系铝基体表面镀镍碳纤维作为增强体,进行真空热压扩散制备出碳纤维/铝复层材料。研究了制备工艺参数(加热温度、保温时间、压力大小)和碳纤维体积分数对碳纤维/铝复层材料的微观组织、界面结合、性能强度和断口形貌的影响。结果表明：碳纤维与铝基体界面结合良好,镀镍层与铝基体在碳纤维附近反应生成的Al₃Ni阻止了铝基体与碳纤维之间生成脆性相Al₄C。随着碳纤维体积分数的提高,材料的抗弯强度先提高后降低。     

微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜以及力学性能测试研究了微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响. 结果表明: 基体炭在偏光显微镜下呈现出光学各向异性, 在SEM和TEM下呈片层条带状结构. 基体炭与纤维之间的界面不连续, 为“裂纹型”界面. 材料受载破坏时裂纹通过改变扩展路径而延缓其扩展速度, 在纤维-基体界面处以及基体炭层片之间引起滑移, 在断口形貌上体现出断裂台阶适中且与纤维拔出交替进行, 表现出韧性破坏的断裂特征. 材料具有较高的力学性能, 抗弯强度达到257MPa, 断裂韧性达到11.4MPa·m ^1/2.     

连续纤维增强SiCf/SiC陶瓷复合材料的发展

连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料具有良好的高温力学性能、抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和核能等领域新的高温结构材料研究的热点之一。回顾了增强体连续SiC纤维的发展，综述了SiCf／SiC材料的成型制备工艺、界面相对力学性能的影响和目前的应用研究，展望了连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料以后的研究重点及发展前景。     

具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能

采用液相浸渍-炭化和CVI复合工艺, 制备出在炭纤维和热解炭之间具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料, 借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜以及力学性能测试研究了所制备的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能. 结果表明: 在偏光显微镜下中间相沥青炭的光学活性高于热解炭的光学活性, 中间相沥青炭在SEM和TEM下均呈片层条带状结构, 热解炭在SEM下呈“皱褶状”片层结构, 在TEM下为粒状结构; 在HRTEM下, 中间相沥青炭、热解炭和炭纤维的晶化程度依次降低. 在加载过程中, 材料内部多层次的界面通过改变裂纹扩展路径而延缓其扩展速度, 在断口形貌上体现出锯齿状的断裂形式, 纤维拔出长度适中, 材料表现出韧性破坏的断裂特征. 材料具有较高的力学性能, 抗弯强度达到244MPa, 断裂韧性达到9.7MPa·m^1/2.