短切炭纤维的表面处理对沥青基C/C复合材科性能的影响

采用模压半炭化成型工艺,在大气环境下制备了短切炭纤维增强的沥青基C/C炭复合材料.借助材料万能试验机和扫描电镜研究了短切炭纤维的表面处理对C/C复合材料体积密度和抗压强度的影响.结果表明:随着短切炭纤维表面处理强度的增大,C/C复合材料的抗压强度明显提高.用联合处理方法改性的短切炭纤维制备的C/C复合材料的抗压强度,比未处理的短切炭纤维增强的C/C复合材料的抗压强度,约提高了138.5%.     

石墨化处理对不同高织构含量C/C复合材料微结构的影响

采用化学气相沉积工艺制备出炭毡增强炭/炭(C/C)复合材料和3K炭布叠层增强C/C复合材料,并对材料进行2500℃高温石墨化处理。利用X射线衍射仪;偏光显微镜及拉曼光谱仪对所制材料进行表征。结果表明,炭毡C/C复合材料基体是单一的高织构(HT)热解炭,3K炭布叠层C/C复合材料的基体是带状组织,从纤维表面向外依次为各向同性热解炭、HT和中织构(MT)热解炭,其中HT含量低于50%;沉积态和热处理后,两种C/C复合材料都具有相似的石墨化度,且热处理后的石墨化度超过80%,但Lc值差异明显,炭纤维、MT和HT热解炭的La值均升高,其中HT热解炭升幅明显大于炭纤维和MT热解炭。HT热解炭的含量是导致这两种C/C复合材料具有相似石墨化度而Lc值却显著差异的原因。     

添加石墨对热压法制备C/C复合材料摩擦磨损性能的影响

以表面酚醛树脂包覆处理过的石墨颗粒,硝酸氧化处理的炭纤维和沥青为原料,经热压烧结制备短切炭纤维增强沥青基C/C复合材料,利用环一块磨损试验机对材料进行了摩擦磨损实验,借助SEM观察样品的磨痕和磨屑,研究了不同石墨含量对样品摩擦磨损性能的影响.结果表明,随着石墨含量的增多,样品的密度和弯曲强度逐渐提高,同时在摩擦磨损表面形成具有自润滑作用的摩擦膜,有利于降低磨损量,并保持摩擦系数的稳定.添加适量的石墨可获得摩擦磨损性能优良的C/C复合材料.     

短切炭纤维的表面处理对沥青基C／C复合材料性能的影响

采用模压半炭化成型工艺,在大气环境下制备了短切炭纤维增强的沥青基C／C炭复合材料。借助材料万能试验机和扫描电镜研究了短切炭纤维的表面处理对C／C复合材料体积密度和抗压强度的影响。结果表明：随着短切炭纤维表面处理强度的增大,C／C复合材料的抗压强度明显提高。用联合处理方法改性的短切炭纤维制备的C／C复合材料的抗压强度,比未处理的短切炭纤维增强的C／C复合材料的抗压强度,约提高了138．5％。     

C/C复合材料结构显微激光喇曼光谱研究

采用显微激光喇曼光谱,以增强体为薄毡叠层、基体分别为粗糙层及光滑层结构热解炭的两种C/C复合材料为研究对象,分析、表征了两种材料炭结构的微观分布特征及其在石墨化过程中的变化状况。结果表明,不仅复合材料中不同组元,而且同一组元不同部位石墨微晶的完整度不同。在石墨化过程中,各自的石墨化进程及可石墨化能力存在差异:炭纤维体积含量较高的炭布层中的热解炭,与网胎层中的热解炭相比,石墨微晶的完整度较好,石墨化进程较快;在炭纤维体积含量较低的网胎层中,炭纤维及热解炭在其界面部位的石墨化进程较快;粗糙层结构热解炭比光滑层结构热解炭容易石墨化。借助激光喇曼光谱微区分析手段,有可能实现对复合材料中石墨化程度微观分布状态的调整和控制。     

短切炭纤维增强沥青基C/C复合材料的力学性能

利用模压半炭化成型工艺在大气环境下制备出了短切炭纤维增强沥青基C／C复合材料（简称SCFRC）。研究了短切炭纤维的体积分数对SCFRC材料的体积密度和力学性能的影响规律。借助光学显微镜和扫描电镜对其微观组织和断口形貌进行了观察，分析了短切炭纤维对SCFRC材料的增强机制。结果表明，当短切炭纤维的体积分数由0％增大到11．8％时，SCFRC材料的力学性能随之呈线性增加；短切炭纤维增强SCFRC材料的机制主要有裂纹偏转效应、桥联效应以及脱粘和拔出效应。     

炭纤维热处理对C/C复合材料力学性能的影响

采用化学气相沉积工艺对未处理和2 500℃热处理的炭纤维预制体进行致密化,对致密化后的C/C复合材料进行弯曲力学性能测试,借助偏光显微镜和扫描电子显微镜观察热解炭的组织、纤维的表面和弯曲试样断口的形貌.结果显示:高温热处理后,纤维表面变的更加光滑,表面出现很多沿纤维轴向的沟槽;致密化后的两种C/C复合材料的基体消光角约为21°,均为高织构热解炭;与未处理纤维增强C/C复合材料相比,经高温热处理后纤维增强的C/C复合材料的弯曲强度和模量均大幅下降,断裂特征由脆性转变为典型的假塑性,断口处有大量纤维拔出,纤维表面未粘附热解炭,表明对纤维进行高温热处理显著降低了纤维和热解炭基体的界面结合强度,导致材料强度降低,断裂呈假塑性.     

膨胀炭纤维增强柔性石墨复合材料力学性能研究

本工作制备了膨胀炭纤维增强柔性石墨复合材料。研究和比较了短切纤维的种类、含量对复合材料力学性能的影响。利用SEM等分析测试手段研究了膨胀炭纤维和柔性石墨基体的界面状况，并探讨了复合材料的断裂机理。结果表明，高温膨化处理后，膨胀炭纤维的表面形貌发生显著改变，膨胀炭纤维作为增强体参与膨胀石墨解理面的相互锁合，复合材料具有较高的抗拉强度。     

硅含量对C/C-SiC复合材料性能的影响

以炭布、环氧树脂和硅粉为原料,采用温压-原位反应法制备了炭纤维增强的碳化硅复合材料(2D C/C-SiC),考察了硅粉含量对材料结构和性能的影响.实验结果表明:随着硅粉含量的增加, 材料的密度和石墨化度呈明显增加的趋势,材料的相对密度却逐渐减小,材料的弯曲强度呈现下降的趋势,但对剪切强度影响不大.在2100℃硅化处理后,材料的石墨化度由未添加硅时的21.7%增大为添加35%(质量分数,下同)时的45.2%,添加的硅与炭纤维和树脂炭反应后形成了SiC,沿炭纤维分布,材料中均不再含有自由的硅单质;当硅含量达到30%以上时,在纤维周围还有一些富碳的SiC颗粒存在.     

不同纤维体积分数CVI 炭/ 炭复合材料的石墨化度

为确定不同纤维体积分数的化学气相浸渗(CVI) C/ C 复合材料的最佳热处理工艺, 以40 %、30 %、25 %三种不同纤维体积分数的针刺整体毡为坯体, 经三次CVI 后制得C/ C 复合材料, 采用X射线衍射和拉曼光谱微区分析测试了三种不同纤维体积分数的CVI C/ C 复合材料试样未经热处理及经2200 ℃、2400 ℃热处理下宏观和微区石墨化度。结果表明: 三次CVI 热解炭均为光滑层结构, 且纤维体积分数越高, C/ C 复合材料的石墨化度也越高;纤维与光滑层热解炭界面及两种不同热解炭界面在高温热处理时会发生应力石墨化, 应力石墨化程度前者大于后者, 这是纤维体积分数高的C/ C 复合材料石墨化度高的原因; 热处理温度越高, 应力石墨化程度越大。      

Microstructures and mechanical behaviors of CVI-based C/C composites containing h-BN powdered additives

Hexagonal boron nitride(h-BN) powders were introduced into carbon fiber preform by powder addition and subsequent combined with chemical vapor infiltration(CVI) for densification to prepare carbon fiber reinforced/carbon and boron nitride dual matrix composites(C/C-BN). Microstructures and mechanical properties of C/C composites with three different volume contents of h-BN powders were investigated in comparison to pure C/C composites. Results indicated that the introduction of h-BN powders into C/C composites significantly reduced the size of Py C and the anisotropy of thermal contraction in matrix,leading to a gradual disappearance of ring defects as the h-BN content increased. In addition, an enhanced interfacial bonding between fiber and matrix obtained due to higher-textured Py C and rougher fiber surface. Thereby, the flexural strengths and modulus of as-prepared composites decreased firstly and then increased, while the impact toughness presented a decreasing tendency as the content of BN powders increased. Furthermore, with the increasing of h-BN content, anisotropies of compressive properties were weakened, and the compressive strength of C/C-BN composites were always higher than that of pure C/C composit. However, when C/C composites modified by 13.5 vol% content of h-BN, excessive loose BN aggregates appeared in C/C-BN composites, leading to a relatively slight reduction of compressive strength.     

医用C/C复合材料组织结构与应变率效应

采用X射线衍射仪和原子荧光分析仪对石墨化处理前后准三维C/C复合材料的石墨化程度及其所含的汞、砷、铅和镉元素含量进行了分析。在氩气保护条件下经过2400℃ 2 h石墨化处理的C/C复合材料所含以上元素含量较低, 更适宜作为外科植入材料使用。利用电子力学试验机在不同准静态应变率和加载方向条件下,对石墨化处理后C/C复合材料进行了压缩断裂试验研究,采用光学体视显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌进行观察分析。结果表明,C/C复合材料具有压缩应变率效应,增强纤维阻止裂纹扩展和增韧效果明显。材料的抗压强度(28.30 MPa～83.25 MPa)和弹性模量(257.56 MPa～397.06 MPa)可以满足其作为骨修复材料的使用要求。      

电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能

采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs), 借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体, 制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明: EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征, 该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率, 诱导了高石墨微晶堆垛高度(L_c)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(L_a)热解炭的形成; EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量: 当CNTs含量为0.74wt%时, 复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa, 比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%; 继续提高CNTs含量, 复合材料弯曲强度降低, 这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关; 同时, EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂, 复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。     

混杂比对碳/芳纶纤维混杂纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的影响

利用层内混杂的方式制备碳/芳纶纤维混杂纬编双轴向多层衬纱织物,通过对材料进行拉伸、三点弯曲等实验研究该织物增强复合材料的力学性能及混杂比对其力学性能的影响。结果表明,按照一定的混杂比加入芳纶纤维后复合材料的拉伸性能提高,表现出积极的混杂效应。由于延伸性好的芳纶纤维的加入,使复合材料的拉伸断裂伸长率明显提高,材料破坏模式出现了完全脆性断裂模式(C12材料破坏形式)和“扫帚”形纤维断裂模式(C8A4,C6A6材料破坏形式)。此外,按照一定的混杂比加入芳纶纤维也有效改善了碳纤维增强复合材料的破坏韧性,碳/芳纶纤维混杂MBWK织物增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量随混杂比的提高而呈下降趋势,当复合材料中芳纶含量从42%(体积分数,下同)(C6A6)到59.2%(C4A8)的变化过程中,弯曲强度和弯曲模量的降低率较高。0°试样在混杂比为59.2%(C4A8)时,弯曲挠度最大,达到7.49 mm,远高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料。所有90°混杂复合材料试样的弯曲挠度均高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料,表现出积极的混杂效应。     

模压制备C/C-SiC复合材料的催化石墨化过程研究

采用短纤维树脂模压+液态聚合物浸渍/裂解+原位反应的工艺制备了C/C-SiC复合材料,对其催化石墨化过程进行初步研究。首先分析"炭硅反应"工艺对石墨化度的影响,发现"炭硅反应"加强了硅对硼的活化作用,使炭材料的石墨化度从87.9%提高到97.3%;对制备样品的形貌分析及成分测试表明,石墨化过程伴随着"炭硅反应",碳化硅在材料内部分布均匀;其次探讨了硼对石墨化的催化作用,C/C-SiC复合材料中硼酚醛树脂炭的质量分数从69.9%降低至46.3%时,石墨化度随之由91.6%降至70.4%;最后研究了硅对石墨化的影响,提出硅硼协同催化石墨化机理,当硅的添加量从0增至6.3%,石墨化度由78.1%提高至90.7%。     

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。     

Tensile and thermomechanical properties of short carbon fiber reinforced polyamide 6 composites

In this study, carbon fiber (CF) reinforced polyamide 6 (PA6) composites were prepared by using melt mixing method. Effects of fiber length and content, on the mechanical, thermal and morphological properties of CF reinforced PA6 composites were investigated. Fiber length distributions of composites were also determined by using an image analyzing program. It was seen that the maximum number of fibers were observed in the range of 0–50 μm. Mechanical test results showed that, increasing CF content increased the tensile strength, modulus and hardness values but decreased strain at break values of composites. DSC results showed that T_g and T_m values of composites were not changed significantly with increasing CF content and length. However, heat of fusion and the relative degree of crystallinity values of composites decreased with ascending CF content. DMA results revealed that storage modulus and loss modulus values of composites increased with increasing CF content.     

Experimental description of thermomechanical properties of carbon fiber-reinforced TiC matrix composites

Titanium carbide ceramic is a good potential material used in high temperature environment for its good strength, erosion resistance and thermal stability. Unfortunately, the low thermal shock resistance and low fracture toughness are the well-known impediments to its application as high temperature structure components. In order to extend the application of TiC ceramics at high temperature, 20 vol.% short carbon fiber was added into TiC matrix to improve the thermomechanical properties. With the incorporation of carbon fiber, the thermal expansion coefficient of TiC composites was decreased and the thermal conductivity was increased slightly below 900 °C. The flexural strength was improved from 471 MPa for monolithic TiC to 593 MPa for TiC composites, and the strengthening effect of carbon fiber became more prominent at high temperatures. The addition of fiber decreased the elastic modulus of TiC composite. The elastic modulus of the composite decreased with increasing temperature. The improvement of high temperature strength and thermal conductivity and the decrease of thermal expansion will benefit the application of TiC composites in high temperature environment where the temperature usually varies.     

短切纤维炭/炭复合材料磁电阻特性研究

研究了经不同温度下热处理后短切纤维模压预制体炭／炭复合材料样品的磁电阻特性。研究结果表明C／C复合材料的磁电阻一位向关系曲线的形状与C／C预制体结构有关，不同预制体结构的材料，磁电阻一位向关系曲线形状不同。C／C复合材料出现磁电阻恒为0的起始温度与材料的石墨化特性有很大关系。石墨化程度越高，材料的磁电阻越大，磁电阻达到0时的测量温度越高。研究发现，磁电阻一测量温度曲线回归方程的斜率随热处理温度的增加而降低，且斜率-热处理温度的变化曲线与材料d002随热处理温度的变化曲线形状类似。     

三向正交碳纤维增强纳米碳化硅生物复合材料的制备和力学性能

碳纤维增强的纳米碳化硅陶瓷基复合材料力学性能优良,且具有一定的生物相容性,因此可作为一种新型的可取代钛合金的全尺寸整体人工骨骼。研究了具有三向正交结构的T300和M30碳纤维预制体对C/SiC复合材料制备过程和抗弯强度的影响规律。以聚碳硅烷为先驱体,以二乙烯基苯为溶剂和交连剂,采用聚合物浸渍热解法制备了C/SiC复合材料,采用阿基米德排水法测量其密度和气孔率,采用三点抗弯法测量其抗弯强度。M30 C/SiC抗弯强度比T300 C/SiC高6.7％,表明碳纤维弹性模量对复合材料基体开裂强度有显著影响,并通过增加纤维径向强度以及承担载荷的比例提高了复合材料的断裂强度。