循环加载周期对二维C/C复合材料弯曲疲劳强度的影响

采用频率为10 Hz、 应力比为0.1的正弦波研究了室温下循环次数对二维炭毡C/C复合材料(2D炭毡C/C复合材料)的弯曲疲劳强度的影响, 并利用偏光显微镜和扫描电子显微镜对该材料的热解碳组织形貌以及疲劳前后的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明, 2D炭毡C/C复合材料的热解碳结构由光滑层和各向同性层组成, 其疲劳极限为76.5 MPa, 是静态弯曲强度的90%。在不同循环周次的疲劳载荷作用后, 材料的剩余弯曲强度和韧性都得到了提高。在疲劳加载过程中, 纤维/基体的界面结合强度发生弱化, 纤维的协同承载能力得到提高, 使C/C复合材料出现了疲劳强化现象。      

前驱体对C/C复合材料的致密化和性能的影响

研究了分别以甲烷和丙烯为前驱体对制备C/C复合材料的新型ICVI工艺致密化速率及组织结构和力学性能的影响.考察了密度与致密化时间之间的变化规律和密度分布,采用偏光显微镜和扫描电镜观察材料的组织结构和试样的断口形貌,利用三点弯曲实验测定材料的弯曲强度.实验结果表明:在致密化时间100h前,以甲烷为前驱体,C/C复合材料的致密化速率比丙烯为前驱体时低,100h后致密化速率发生逆转;以甲烷为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度小,组织结构为粗糙层,弯曲强度为250.87MPa,模量为29.29GPa;而以丙烯为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度大,组织结构为光滑层,弯曲强度为102.75MPa,模量为11.42GPa.因此,相对而言甲烷作为制备C/C复合材料的前驱体优于丙烯.     

C/C复合材料不同基体炭的微观结构

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪对C/C复合材料不同基体炭的微观结构进行了研究。结果表明:不同基体炭在偏光显微镜下呈现出不同的光学活性度,其平均光学活性度依次由普通沥青炭、热解炭的光滑层、热解炭的粗糙层、中间相沥青炭逐渐增强;在SEM下,普通沥青以"葡萄状"结构为主,热解炭分为块状和"皱褶状"片层状结构,中间相沥青炭为形状各异的片层条带状结构;在HRTEM下,中间相沥青炭的晶格条纹排列规整,是一种长程有序的晶体结构,晶化程度很高。XRD分析表明,材料B(中间相沥青基C/C复合材料)的石墨化度最高,层间距最小,材料D(热解炭基C/C复合材料)次之。     

3DC/C复合材料的弯曲行为

采用三点弯曲方法测试了化学气相浸渗法(CVI)工艺制备的三维编织碳/碳复合材料(3DC/C复合材料)的性能,借助于偏光显微镜和扫描电镜研究了材料的组织结构和断口形貌,分析了密度及编织结构对材料性能和断裂模式的影响.结果表明:材料密度对弯曲强度、模量影响很大,并随试样密度的增加,3DC/C复合材料的材料的破坏模式从"假塑性"向"脆性"模式转化,"假塑性"破坏模式表现出纤维束间的剪切破坏,"脆性"破坏模式表现出纤维束的拉伸断裂.     

微观组织结构对C/C复合材料力学行为的影响

采用快速化学液相气化渗透法制备了2D-C/C复合材料,沉积温度为1200-1250℃, 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不同沉积温度制备的基体热解碳的微观组织结构及断口形貌.实验结果表明,1200℃沉积的基体热解碳中粗糙层组织占大多数,其弯曲强度较高、韧性较低; 1250℃的基体热解碳呈现为光学各向异性程度不同的光滑层/粗糙层交替层状组织,其弯曲强度较低、韧性较高,具有非脆性断裂行为.不同微观结构的材料具有不同的强度及断裂模式,除了纤维/基体间界面结合强度不同外,不同温度沉积得到的热解碳微观结构的不同引起裂纹在不同微观结构碳层内的扩展阻力也会不同.此外,裂纹在光滑层/粗糙层界面处的偏转会导致断裂面的高低不平,从而使后者韧性增强.     

乙醇热解制备C／C复合材料探索研究

以可再生的资源无水乙醇为前驱体,在负压条件下,沉积温度为900℃～1200℃,采用压力梯度CVI工艺制备C/C复合材料.考察了沉积时间与密度的变化规律,采用偏光显微镜和扫描电镜观察了材料的组织结构和断口形貌,利用三点弯曲测定了材料的弯曲强度.结果表明:采用乙醇为前驱体,可大幅度提高致密化效率,96h制备出密度为1.47g/cm3的C/C复合材料;易于获得高织构的组织,制备试样的热解炭组织以粗糙层为主,断裂方式为假塑性断裂.乙醇是一种很有应用前景的制备C/C复合材料的前驱体.     

化学气相反应法制备SiC涂层对C/C复合材料力学性能影响

采用化学气相反应法在C/C复合材料表面制备了SiC涂层,利用X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段研究了涂层的形貌和结构,并采用三点弯曲试验研究了材料的力学性能,讨论了SiC涂层及制备工艺对复合材料断裂行为的影响.结果表明:涂层后材料的弯曲强度和最大断裂位移明显增大.未涂层C/C复合材料的平均弯曲强度为172.4MPa,而涂层后C/C复合材料的平均弯曲强度为239.8MPa,弯曲强度提高了39.1%.涂层试样强度的提高主要与制备过程中部分蒸气扩散渗透反应引起的界面强化及SiC颗粒的增强作用有关.此外,涂层后材料的断裂模式未发生明显转变,断裂过程中试样表现出一定的假塑性和韧性断裂特征.     

粗糙层组织结构2D-C/C复合材料的制备及特性

在沉积温度为1080-1200℃、沉积总压力为10 kPa和气体滞留时间为0.01 s的条件下,以天然气为碳源,以氮气为载气,使用新型ICVI工艺对预制体初始密度为0.43 g/cm3(纤维体积分数25%)的2D针刺整体炭毡进行致密化,在150 h内制备出表观密度为1.75 g/cm3的C/C复合材料.用偏光显微镜和高分辨扫描电镜观察了热解碳基体的微观组织结构,分析了三点弯曲试样的断口形貌.结果表明:制备的C/C复合材料具有粗糙层(RL)组织结构,试样的弯曲强度为164.77 Mpa、模量为21.34 Gpa,表现为阶梯式失效,断裂行为呈现出明显的假塑性.     

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。     

混合前驱体制备高织构三维C/C复合材料的微观结构及疲劳行为

以乙醇和甲烷为前驱体,采用化学气相渗透工艺制备了三维五向编织C/C复合材料。利用偏光显微技术分析了复合材料的微观结构,考察了复合材料的静态弯曲性能和疲劳行为,研究了不同循环加载周期对复合材料弯曲强度和力学行为的影响。结果表明:采用混合前驱体可成功制备高织构3DC/C复合材料,材料的平均弯曲强度为379.2 MPa,其疲劳极限为静态弯曲载荷的80.3%。加载循环应力后, C/C复合材料的弯曲强度在不同周次均有所提升,循环105周后弯曲强度的增幅达16.8%。材料弯曲承载时的"屈服区"随着循环次数的增加出现先增大后减小的变化趋势,这与材料疲劳过程中纤维与基体、基体与基体的结合状态有关。     

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.     

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.     

双基体炭/炭复合材料的微观结构与力学性能

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双基体炭/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光学各向异性,材料内部形成多层次的界面结构,热解炭呈现"皱褶状"片层结构,中间相沥青炭呈现片层条带状结构,基体炭片层的走向基本上平行于纤维轴向.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片层之间引起滑移,在断口形貌上体现出锯齿状的断裂形式,材料具有韧性断裂的特征,抗弯强度最高可达223MPa.     

CVI-iC/TaC改性C/C复合材料的力学性能及其断裂行为

以针刺碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透工艺对预制体纤维进行PyC/SiC/TaC的多层复合模式的涂层改性, 然后采用化学气相渗透和热固性树脂浸渍-化进行增密,制备出新型C/C复合材料。对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:包覆在碳纤维表面的PyC/SiC/TaC多层结构均匀致密、无裂纹,在C/C复合材料中形成空间管状网络结构;改性后C/C复合材料的抗弯强度和韧性均大大提高, 平均抗弯强度达到522 MPa,断裂位移达到1.19mm;复合材料弯曲断裂形式表现为脆性断裂,经过2000℃高温热处理以后,复合材料的抗弯强度下降,但最大断裂位移增大,弯曲断裂形式由脆性断裂转变为良好的假塑性断裂。      

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。      

由炭布制备C／C复合材料工艺及性能的研究

为通过快速增密和低设备成本降低C／C复合材料的成本,采用中压浸渍、炭化多次循环的工艺制备了快速增密的C／C复合材料。该工艺以Z向增强的层叠炭布为增强体,不同软化点的中间相沥青和改性沥青为浸渍剂。考察了浸渍工艺,并研究了所得C／C复合材料的力学性能和断裂形貌。结果表明,中间相沥青及改性沥青等高残炭收率沥青是C／C复合材料极佳的浸渍剂,有利于快速增密。8次循环后（约2周时间）,复合材料的密度从0.84g/cm^3增至1.76g/cm^3。炭布层叠Z向增强的C／C复合材料有良好的力学性能,而且其性能随着密度的增加而提高。所得复合材料的密度达到1.76g/cm^3时,拉伸强度为87.03MPa,弯强为113.56MPa,压缩强度为199.49MPa。     

Effects of coating treatment on mechanical properties of carbon fibres and reinforced silicon carbide composites

Abstract

Three-dimensionally braided carbon fibre reinforced SiC matrix composites have been fabricated and the effects of coating treatment on the mechanical properties have been investigated. It has been found that pyrocarbon coating can improve the strength of the heat treated carbon fibres. When the coating thickness was 0.5 m, the composites had better mechanical properties: a flexural strength of 643 MPa and a fracture toughness of 17.9 MPa m12. The composites also exhibited a toughening fracture mode.     

Preparation for 2D–C/C composites with pure RL textures and its characteristic

在沉积温度为1080--1200℃、沉积总压力为10 kPa和气体滞留时间为0.01 s的条件下, 以天然气为碳源, 以氮气为载气, 使用新型ICVI工艺对预制体初始密度为0.43 g/cm$^{3}$(纤维体积分数25%)的2D针刺整体炭毡进行致密化,
在150 h内制备出表观密度为1.75 g/cm³的C/C复合材料. 用偏光显微镜和高分辨扫描电镜观察了热解碳基体的微观组织结构, 分析了三点弯曲试样的断口形貌. 结果表明: 制备的C/C复合材料具有粗糙层(RL)组织结构, 试样的弯曲强度为164.77 MPa、模量为21.34 GPa, 表现为阶梯式失效, 断裂行为呈现出明显的假塑性.     

PEK-C膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能

为探究热塑性酚酞基聚醚酮（Polyaryletherketone with Cardo,PEK-C）树脂薄膜及膜厚对层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响,利用浸渍提拉法制备了三种不同厚度（分别约为1 μm、10 μm、30 μm）的PEK-C膜,通过热压成型制备了层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料层合板,对其进行了Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度、层间剪切及弯曲性能测试,并利用SEM观察微观形貌及AFM扫描微观相图。结果表明:不同PEK-C膜厚增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度及层间剪切强度有不同程度提高,Ⅰ型层间断裂韧性及层间剪切强度以膜厚为10 μm最佳,分别增大了157.17%和17.57%,冲击后压缩强度以膜厚为30 μm最佳,达到了186.67 MPa,这是由于PEK-C与环氧树脂在热压固化过程中形成了双相结构,改善了材料韧性;但弯曲性能持续下降,强度及模量由未增韧的1 551 MPa、106 GPa分别降至30 μm时的965 MPa、79 GPa,这是由于PEK-C树脂扩散进入环氧树脂中,降低了纤维体积分数及材料刚度。