C/C复合材料的制备设备研究

针对聚丙烯腈基碳纤维原丝预氧化处理、预氧丝连续碳化、化学气相沉积、高温石墨化处理等工艺过程,研究了温度场、流场、副产物回收等C/C复合材料制备过程中的控制技术和设备.实践证明,设备在各工艺环节均发挥着重要作用.湖南顶立科技有限公司所生产的C/C复合材料制备设备具有优良的性能,生产出的C/C复合材料性能优异.     

热处理对3D C/C复合材料断裂行为的影响

采用3D炭纤维预制体,以丙烯作为碳源,氮气作为载气,利用自制的快速CVI炉制备了C/C复合材料。详细分析了不同CVI工艺下,热处理对C/C复合材料断裂强度、断裂方式以及材料均匀性的影响。力学性能测试结果表明,材料的弯曲断裂特征与制备过程中受到的高温热处理次数有关。与1次连续CVI工艺相比,多阶段连续CVI工艺下,C/C复合材料经过2次"CVI-热处理"循环工艺后,其密度达1.8 g/cm3,抗弯强度达196.69 MPa,断裂方式为假塑性断裂,材料在Weibull概率分布下强度分散性较小。     

基于α因子的复合材料弹性模量混合律模型

在复合材料弹性模量预测的细观力学模型基础上,运用连续介质力学的方法,建立了一种新的混合律模型及其表达式,该模型根据最小二乘法求出了可表征不同制备方法获得的复合材料计算模型的比例因子α,并应用在颗粒增强复合材料的弹性模量分析中.为验证该模型的实用性,引用了文献试验数据进行了预测计算并进行了验证,与模型Reuss、Voigt、Tamura进行比较,结果表明:对于由SD制备方法获得的6 066/SiC复合材料,当使用建立的α因子模型时,计算结果处在Voigt模型和Reuss模型的上、下限之间,其相对误差为Tamura模型的1/2.     

B4C/TiO2/Al复合材料制备及其性能

采用热压法制备了B4C/TiO2/Al复合陶瓷材料，试验结果表明，TiO2和Al的加入，使得B4C/TiO2/Al复合材料的硬度、抗弯强度和断裂韧性比纯B4C陶瓷材料有较大程度的提高；而且，添加相促进了复合材料的烧结.利用热力学和X射线衍射分析研究烧结过程中的化学反应，分析结果表明，复合材料中没有发现TiO2，Al，Al2O3；同时在复合材料中出现了TiB2，因为在热压过程中TiO2与B4C反应生成TiB2.分析了B4C/TiO2/Al复合陶瓷材料的微观结构和增韧机理.     

ZnO/C复合材料的制备与性能

为了制备ZnO/C复合材料并探讨其吸波性能,利用金属有机骨架MOF-5为前驱物,采用溶剂热法制备了ZnO/C复合材料.利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、傅里叶转换红外光谱分析仪与矢量网络分析仪对ZnO/C复合材料的物相组成、微观结构、形貌及性能进行了分析.结果表明,ZnO/C复合材料是由薄片状组织堆叠形成的完整立方体结构,且ZnO与C分布均匀.当复合材料涂层厚度为7 mm时,在17.18 GHz处的反射损耗可以达到最大幅值.ZnO/C复合材料在远红外区和超远红外区均具有良好的吸波性能.     

改进混合律方法研究梯度材料力学性能

利用连续介质力学方法对复合材料的有效弹性模量进行了分析,以复合材料混合律模型,建立了一种改进的混合律方法,并给出了对有效弹性模量进行预测的改进公式.实例计算出的图例表明,以混合律公式比Voight模型、修正的混合率模型以及指数函数变化规律建立弹性常数的变化规律而得出的公式,更逼近梯度材料有效弹性模量的实验值,且实用有效.     

C/Cu(Fe)复合材料制备工艺及性能研究

利用三步电沉积法制备C／Cu（Fe）复合材料预制丝，将预制丝缠绕成毛坯，采用真空热压法制备C／Cu（Fe）复合材料．研究表明，真空热压工艺对复合材料力学性能有很大影响，通过力学性能试验和对拉伸断口形貌的分析，得出了制备C／Cu（Fe）复合材料的最佳工艺．     

细观力学方法预测单向复合材料的宏观弹性模量

基于细观力学预测复合材料宏观弹性模量的两种方法,以单向复合材料为研究对象,从理论上推导了复合材料三维桥联模型公式,并利用CAE软件M sc.Patran/N astran建立了RVE模型,进行了有限元模拟计算。两种方法计算的结果与实验均有较好的一致性,表明两种方法都是能够较好计算单向复合材料的宏观弹性模量。     

纸叠层设计制备SiC/Si层状陶瓷研究

针对层状陶瓷复合材料制备工艺复杂且制备成本高的不足,提出了一种无需预先成型基片,且在常压烧结工艺下制备层状陶瓷复合材料的新工艺.采用原位反应法,以纸为原料,通过叠层设计、低温碳化和高温渗硅反应制备了具有层状结构特征的SiC/Si陶瓷复合材料.并采用XRD、EDS和显微镜对材料的组成和微观结构进行分析.结果表明,叠层纸碳化后成为含有层状结构特征的碳骨架,渗硅后得到的SiC层与Si层交替排列的具有明显层状结构特征的SiC/Si层状陶瓷复合材料.并揭示了叠层纸制备SiC/Si层状陶瓷复合材料中Si/C界面的反应机理,Si/C界面的反应是一个扩散反应的过程.     

C/SiC-ZrC四棱锥点阵结构复合材料的压缩性能

C/SiC四棱锥点阵结构复合材料具有轻质、高强承力及隔热等特点,可以应用于高超声速飞行器的热防护系统中,但在高温环境中其力学性能明显下降。为提高C/SiC四棱锥点阵结构复合材料在高温环境下的力学性能,在C/SiC四棱锥点阵结构复合材料基体中引入高熔点的ZrC材料,采用先驱体浸渍裂解法（precusor infiltration pyrolysis,PIP）制备了C/SiC-ZrC四棱锥点阵结构复合材料,分别在室温、1 200℃和1 600℃进行高温处理;冷却后室温条件下对C/SiC-ZrC四棱锥点阵结构复合材料进行压缩力学性能的测试,获得材料对应的弹性模量和压缩强度;采用扫描电子显微镜（scanning electral microscope,SEM）和X射线衍射仪（Xray diffractometer,XRD）观察了高温处理后C/SiC-ZrC四棱锥点阵结构复合材料的表面特征;研究热处理前后材料的物相和组分的变化;分析高温处理后C/SiC-ZrC四棱锥点阵结构复合材料力学性能提高的原因,同时与C/SiC四棱锥点阵结构复合材料力学性能进行比较。结果表明,高温热处理后C/SiC-ZrC...     

Analytical model of elastic modulus and coefficient of thermal expansion for 2.5D C/SiC composite

To make better use of 2.5D C/SiC composites in industry, it is necessary to understand the mechanical properties. A finite element model of 2.5D composites is established, by considering the fiber undulation and the porosity in 2.5D C/SiC composites. The fiber direction of warp is defined by cosine function to simulate the undulation of warp, and based on uniform strain assumption, analytical model of the elastic modulus and coefficient of thermal expansion (CTE) for 2.5D C/SiC composites were established by using dualscale model. The result is found to correlate reasonably well with the predicted results and experimental results. The parametric study also demonstrates the effects of the fiber volume fraction, distance of warp yarn, and porosity in micro-scale on the mechanical properties and the coefficients of thermal expansion.     

C／C+HA骨植入材料对杂交波尔山羊生理生化机能的影响

碳／碳复合材料+羟基磷灰石涂层(C／C+HA)骨植入材料具有与人体骨组织十分接近的弹性模量和优良的表面生物活性,是一种具有重要临床应用价值的骨替换材料.采用杂交波尔山羊作为动物实验模型,开展了C／C+HA复合材料骨内植入实验,并从呼吸、心跳、消化、血液和免疫等方面考察了该植入材料对实验动物生理、生化指标的影响,进而探讨了该材料的生物安全性.结果表明:在植入手术后61?d的观察期内,虽然实验动物出现轻度贫血和消化吸收功能下降,但未发现C／C+HA复合材料引起的热源性反应、急性感染和免疫功能下降,说明该材料具有较好的生物安全性.     

Processing and properties of 2D SiC/SiC composites by precursor infiltration and pyrolysis

Two-dimensional plain-weave silicon carbide fiber fabric reinforced silicon carbide (2D-SiC/SiC) composites were molded by stacking method and densified through precursor infiltration and pyrolysis (PIP) process. SiC coating was deposited as the fiber/matrix interphase layer by chemical vapor deposition (CVD) technique. Fiber/matrix debonding and relatively long fiber pullouts were observed on the fracture surfaces. Additionally, the flexural strength and elastic modulus of the composites with and without fiber/matrix interphase layer were investigated using three-point bending test and single-edge notched beam test. The results show that the fiber fraction and the porosity of 2D-SiC/SiC composites with and without coating are 27.2% (volume fraction) and 11.1%, and 40.7% (volume fraction) and 7.5%, respectively. And the flexural strength and elastic modulus of 2D-SiC/SiC composites with and without coating are 363.3 MPa and 127.8 GPa, and 180.2 MPa and 97.2 GPa, respectively. With a proper thickness, the coating can effectively adjust the fiber/matrix interface, thus causing a dramatic increase in the mechanical properties of the composites. Foundation item: Project(NCET-07-0228) support by the New Century Excellent Talents in University     

双轴向纬编结构玻纤聚丙烯层合板拉伸性能研究

采用以玻璃纤维纬平针为地组织、经纬向衬入玻纤/聚丙烯复合纱的双轴向纬编结构预型件,利用热压方法制备了5种不同铺层的复合材料层合板,即[0]4,[0/90]2,[-45/45]2,[0/-45/45/90]和[90]4,实验研究了层合板的拉伸性能,分析了拉伸方向衬纱的纤维体积含量对层合板轴向拉伸的初始模量和断裂强度的影响关系,并对材料的断裂形式进行了分析。实验表明,材料的轴向拉伸和非轴向拉伸的力学性能有较大差异,材料轴向拉伸的初始模量和断裂强度与纤维体积含量成正比,衬纱的引入提高了针织结构复合材料的力学性能。     

三维多向编织复合材料弹性常数细观力学分析

将纤维束和微裂纹分别看作是圆柱型和圆币型夹杂,采用效夹杂法对含微裂纹的三微多向编积复合材料进行细观力学分析,建立了含微裂纹三维多向编积复合材料预报弹性系数的方法,分析中直拉考虑了微裂纹的任意取向和增强纤维束的空间取向,该方法可以应用于一般含微纹的三维编织复合材料,也可以应用于单向纤维增强复合材料。     

Effects of oxidation treatment on properties of SiO2f/SiO2-BN composites

The silica fiber reinforced silica and boron nitride-based composites (SiO_2f/SiO₂-BN) were prepared firstly via the sol-gel method and then the urea route, and the effects of oxidation treatment on the component, structure, mechanical and dielectric properties of the composites were investigated. The results show that the oxidation treatment at 450 °C will not impair the structure of boron nitride, and carbon is the main impurity with the excessive urea. The density of SiO_2f/SiO₂-BN composites is 1.81 g/cm³, and the flexural strength and elastic modulus are 113.9 MPa and 36.5 GPa, respectively. After oxidation treatment, the density varies to 1.80 g/cm³, and the flexural strength and elastic modulus are decreased to 58.9 MPa and 9.4 GPa, respectively. The mechanical properties of the composites are severely damaged, but they still exhibit a good toughness. The composites show excellent dielectric properties with the dielectric constant and loss tangent being 3.22 and 0.003 9, respectively, which indicates that the oxidation treatment is ineffective to improve the dielectric properties of SiO_2f/SiO₂-BN composites.     

凝固偏析对氧化铝/铝-铜合金复合材料性能的影响

利用挤压铸造技术制备氧化铝／铝-铜合金复合材料，研究了凝固偏析对复合材料机械性能的影响．结果表明：复合材料在凝固过程中由于选择结晶，基体中的溶质元素偏聚在纤维／基体界面或晶界上；纤维加速了复合材料的时效强化过程，随着纤维体积分数的增加，复合材料的硬度、强度、弹性模量增大，而塑性下降；随着预制件预热温度的升高，冷却速度减慢，凝固偏析加剧，复合材料的机械性能下降．     

材料参数对短纤维增强金属基复合材料变形行为和性能的影响

运用大应变弹塑性有限元方法和修正混合律,研究了材料参数（纤维长径比、体积分数、根间距）对短纤维金属基复合材料变形行为和性能（弹性模量和屈服应力）的影响。研究结果表明,低应变阶段的应力应变分配系数与复合材料弹性模量之间存在确定的关系,预测的弹性模量与试验结果及Ｅｓｈｅｌｂｙ模型吻合得很好,屈服应力明显小于基体屈服强度。     

碳/碳生物活性玻璃涂层复合材料的组织结构研究

通过包埋－粉末涂刷高温烧结工艺，以碳化硅作为过渡层制备出C／C生物活性玻璃涂层复合材料。采用SEM、EDS、XRD考察了涂层的组织结构，结果表明所制涂层具有多孔结构，从基体到生物活性玻璃涂层，成分和结构呈连续变化，消除了生物玻璃与基体的性质差异，实现了在C／C复合材料表面进行生物活性改性。