编织结构对3D-C_f/Al复合材料显微组织与力学性能的影响

选用三维五向和三维正交两种编织结构的纤维预制体,采用真空气压浸渗法制备纤维3D-C_f/Al复合材料,研究编织结构对3D-C_f/Al复合材料显微组织和拉伸强度的影响。结果表明:编织结构对3D-C_f/Al复合材料的显微组织与力学性能具有显著影响。其中,三维五向和三维正交C_f/Al复合材料平均致密度分别为97.7%和98.3%,三维五向C_f/Al复合材料存在少量的束间孔洞、气孔缺陷,而三维正交C_f/Al复合材料存在少量纤维团聚缺陷;三维五向C_f/Al复合材料的拉伸强度、拉伸模量及泊松比均明显高于三维正交C_f/Al复合材料的,二者的平均拉伸强度分别为753.5 MPa和644.1 MPa,拉伸模量分别为194 GPa和150 GPa,泊松比分别为0.89和0.04;三维五向C_f/Al复合材料的抗弯强度、弯曲模量均明显低于三维正交C_f/Al复合材料的,二者平均抗弯强度分别为931.8 MPa和1010.3 MPa,弯曲模量分别为134.2 GPa和154.6 GPa。通过对预制体编织结构的设计,可实现3D-C_f/Al复合材料性能设计。     

织物结构对C_f/Al复合材料微观组织与压缩性能的影响

选用ZL301合金为基体材料,采用2.5D浅交直联、三维正交和三维五向等3种结构编织了M40J碳纤维预制体,采用真空压力浸渗法制备纤维体积分数为50%的3D-C_f/Al复合材料。主要研究了织物结构对C_f/Al复合材料微观组织与压缩强度的影响。结果表明,织物结构对C_f/Al复合材料的致密度、微观组织和压缩性能影响较大。其中三维正交结构的C_f/Al复合材料的致密度和压缩强度最大,分别为99.2%和417MPa;而2.5D浅交直联结构的C_f/Al复合材料的致密度和压缩强度最小,分别为95.3%和99.8MPa。     

碳纤维编织结构对C_f/Al复合材料拉伸性能的影响

将M40J碳纤维以两种编织结构(三维正交和叠层缝合)织成预制体,用真空气压浸渗法制备C_f/Al复合材料,分别对两种结构的含缺口试样及相同尺寸的光滑试样进行拉伸力学性能试验,通过SEM、TEM对材料的微观组织和界面特征进行观察分析,研究两种编织结构C_f/Al复合材料含缺口试样的拉伸性能,讨论缺口对复合材料性能的影响以及不同编织结构的复合材料对缺口的敏感程度。结果表明,缺口使两种编织结构的C_f/Al复合材料拉伸性能均明显减弱,三维正交C_f/Al复合材料缺口试样的抗拉强度较光滑试样下降了141.3 MPa,降幅约为23.7%,其缺口拉伸敏感系数为1.31;叠层缝合C_f/Al复合材料缺口试样的抗拉强度较光滑试样下降了121.8 MPa,降幅约为28.9%,缺口拉伸敏感系数为1.41。叠层缝合结构对缺口较三维正交结构更为敏感。     

叠层穿刺结构对C_f/Al复合材料组织与性能的影响

以M40J碳纤维编织叠层穿刺结构预制体,选用ZL301为基体合金,采用真空压力浸渗法制备4种不同编织参数的叠层穿刺C_f/Al复合材料,研究了穿刺结构参数(Z向纱线规格和穿刺针距)对C_f/Al复合材料微观组织及拉伸性能的影响,并分析了其断裂变形行为及拉伸断口处形貌特征。结果表明,穿刺结构参数对C_f/Al复合材料微观组织及性能影响显著,单股、3 mm/针的C_f/Al复合材料的平均抗拉强度为623 MPa,单股、4 mm/针的C_f/Al复合材料的为353.3 MPa,为4种结构中最低,双股、3 mm/针的C_f/Al复合材料为650.2 MPa,为4种结构中最高,约为单股、4 mm/针复合材料的两倍;双股、4 mm/针的C_f/Al复合材料的为473 MPa。穿刺针距为3 mm/针的C_f/Al复合材料微观浸渗缺陷较少,抗拉强度较高,单股穿刺纱在经向拉伸时易出现Z向纱分层失效现象。叠层穿刺C_f/Al复合材料根据变形断裂行为,可将其拉伸破坏过程分为3个阶段:纤维与基体共同承载阶段、主要由纤维承受载荷阶段、断裂失效阶段。     

纤维预热温度对3D-C_f/Al复合材料显微组织及力学性能的影响

采用真空气压浸渗法制备纤维体积分数为51%的三维五向编织M40碳纤维增强铝基复合材料(3D-C_f/Al),研究纤维预热温度对3D-C_f/Al复合材料显微组织与力学性能的影响,并对比研究3D-C_f/Al复合材料与单向连续C_f/Al复合材料的差异。结果表明:复合材料致密度随着编织体预热温度的提高而增大,提高预热温度可有效减少复合材料内部孔洞和纤维偏聚等浸渗缺陷;复合材料的拉伸强度随纤维预制体预热温度的提高而显著降低。其中,在预热温度500℃、浸渗温度720℃、浸渗压力7 MPa和保压时间20 min的工艺条件下,所制备的3D-C_f/Al复合材料致密度为97.3%,拉伸强度为777.8 MPa,弹性模量为186.1 GPa。     

纤维编织结构对3D-Cf/Al复合材料弯曲性能的影响

为研究纤维编织结构对三维编织C_f/Al复合材料弯曲性能的影响，选用TZ700S碳纤维作为增强纤维，通过加入轴纱改变编织结构，制备了三维四向和三维五向、全五向3种编织结构的纤维预制体。通过压力浸渗法制备了基体合金为7075铝合金的3D-C_f/Al复合材料，测试了弯曲力学性能并观察了断口的形貌。结果表明，3D-C_f/Al复合材料的弯曲性能高于基体弯曲性能，其中三维四向C_f/Al复合材料的弯曲强度为346.7 MPa。加入轴纱后的三维五向、全五向C_f/Al复合材料的弯曲性能和断裂应变均高于三维四向C_f/Al复合材料，而加入更多轴纱的全五向复合材料的结构性能更好，弯曲强度为399.7 MPa。     

保压时间对3D-SiC_f/Al复合材料组织及力学性能的影响

选用三维五向编织结构的SiC纤维为增强体,采用真空辅助压力浸渗法制备纤维体积分数为48%的3D-SiC_f/ZL301复合材料,研究了浸渗保压时间对3D-SiC_f/Al复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明,复合材料的致密度随着保压时间的延长而增大,达到99.0%,延长保压时间可以减少复合材料纤维束内空隙和团聚现象;而复合材料的抗拉强度则随着保压时间的增加呈先上升后下降的趋势,这是由于过强的界面反应导致复合材料的力学性能恶化。     

Z向穿刺结构参数对C_f/Al复合材料显微组织与剪切性能的影响

采用真空压力浸渗法制备了4种叠层穿刺结构C_f/Al复合材料,研究了Z向穿刺结构参数对C_f/Al复合材料致密度、显微组织与剪切性能的影响。结果表明,Z向穿刺结构参数对C_f/Al复合材料的致密度、显微组织以及剪切性能影响较大,Z向穿刺纤维束为单股,针距分别为3mm和4mm时的C_f/Al复合材料致密度、剪切强度、模量分别为95.0%、69.9MPa、7.47GPa和95.5%、65.3MPa、8.38GPa;Z向穿刺纤维束为双股,针距分别为3mm和4mm时的C_f/Al复合材料致密度、剪切强度、模量分别为96.3%、78.6MPa、8.26GPa和96.0%、63.7MPa、8.12GPa。其中,Z向穿刺纤维束为双股,针距为3mm时的C_f/Al复合材料的显微组织较其余3种复合材料的显微组织而言,其纤维丝分布均匀,未发现明显的微孔缺陷。复合材料剪切破坏首先出现在V型口基体与界面损伤处,裂纹与剪切力方向呈45°扩展,经纱纤维束的屈曲变形、纬纱纤维束的挤压变形以及Z向穿刺纤维束的偏折导致复合材料最终失效。     

经/纬向纤维比对2.5D浅交弯联C_f/Al复合材料组织和性能的影响

选用M40J碳纤维的2.5D浅交弯联编织预制体为增强体材料,ZL301合金为基体材料,制备纤维体积分数为48%的2.5D碳纤维增强铝基复合材料,2.5D浅交弯联编织预制体的经/纬向纤维比选取54%∶46%、65%∶35%和78%∶22%,研究了不同经/纬向纤维比的2.5D浅交弯联结构C_f/Al复合材料的致密度、微观组织和经纬向力学性能。结果表明,2.5D复合材料的致密度随着经向纤维体积分数的提高而不断下降,经/纬向纤维比为54%∶46%的2.5D-C_f/Al复合材料致密度最大,达到98.5%,组织中无明显浸渗缺陷,浸渗效果较好;经/纬向纤维比对2.5D-C_f/Al复合材料经/纬向抗拉强度影响较大,经/纬向纤维比为65%∶35%的2.5D-C_f/Al复合材料经向、纬向抗拉强度分别为380.6、245.6MPa,具有最佳的综合力学性能,其拉伸断口参差不齐,界面结合强度适中。     

预热温度对C_f/Al复合材料微观组织及室温与高温力学性能的影响

以石墨纤维三维五向织物为增强体,铝合金ZL301为基体,采用真空辅助压力浸渗法制备了三维五向增强Cf/Al复合材料,研究了不同预热温度制备的复合材料微观组织特征和界面反应程度,测试了复合材料在室温和高温下的拉伸力学性能并分析了其断口形貌。结果表明:复合材料相对致密度随预热温度提高而增加,纤维局部偏聚现象也明显减少,与此同时,界面反应物Al_4C_3相随预热温度提高而显著增多,530～570℃复合材料室温强度随组织缺陷减少而增大,570～600℃复合材料室温强度随界面反应程度增大而显著降低;高温(300℃)强度随预热温度提高而增加,适当提高界面反应程度有利于提高复合材料高温力学性能,高温拉伸中基体合金回复软化和界面结合强度弱化促进了复合材料断裂过程中的纤维拔出与界面滑移。     

预热对Al2O3陶瓷激光熔覆层温度梯度影响的模拟

针对铝合金微熔滴沉积成形过程中存在的缺陷问题,沉积制备了7075高强铝合金试样,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)等分析测试手段对其内部缺陷形貌进行观察,进而研究不同类型缺陷的形成机理.结果表明:铝合金微熔滴沉积成形件内部缺陷主要有孔洞和裂纹.其中孔洞缺陷包括间隙孔洞和凝固收缩孔洞;裂纹包括熔合线裂纹和细微热裂纹,其形成与延展和成形件内部残余热应力集中效应、熔滴重熔效果以及晶粒生长状况等因素有关.在此基础上提出减少或消除各类缺陷的方法,从而促进了该技术在高熔点合金零件制备中的应用.     

连续退火板表面鱼鳞纹缺陷形成机理分析及改进措施

采用扫描电镜及聚焦离子束分析对连续退火板表面鱼鳞纹缺陷的形貌及微观组织进行了分析。结果表明,鱼鳞纹缺陷的实质是一类表面微擦伤,其形成机理是因板温计水冷套漏水,导致带钢表面在高温下形成局部氧化,氧化部位在带钢张力作用下与炉辊辊面形成微擦伤。通过聚焦离子束技术在缺陷处沿截面切开后观察到组织中有大量纳米级亚晶结构的形成,证实了带钢表面受急冷并氧化的推断。微观组织分析结果为缺陷的现场排查和解决提供了理论依据。     

Rapid fabrication of C/C/SiC composite by PIP of HMDS

The C/C/SiC composite was fabricated within several days by the method of precursor impregnation and pyrolysis (PIP) using hexamethyldisilazane (HMDS) as the precursor. The carbon fiber plates, woven and punctured with two-dimensional orthogonal continuous carbon bundle and short carbon fiber, were used as the reinforced preforms. The characters of the C/C/SiC composite were analyzed using XRD, EDS and SEM, and three-point-bending test. The results indicated that pyrolyzed substance of the precursor contained excessive carbon, followed by silicon, and a small amount of nitrogen. There were micro-cracks on the massive matrix. The phase composition was difficult to distinguish, primarily considered as the Si–C–N composite. The structure of C/C/SiC was dense and homogeneous with some pores whose sizes were less than 5 μm between fibers and less than 100 μm between the carbon fiber bundles, respectively.

Fiber pull-out was observed on the bending fracture surface. The stress–strain curve of both at room temperature and 1300 °C appeared ascending zigzag. Flexural strength was 150 MPa at 1300 °C, higher than 121 MPa at room temperature.     

Modeling 3D heat flow interaction with defects in composite materials for infrared thermography

Estimation of defect depth and size is an important problem in the domain of Nondestructive Testing in order to perform corrective repairs. The problem of defect depth estimation using Infrared Thermography has been previously studied using 1D heat conduction models. Unfortunately, 1D heat conduction based models are generally inadequate in predicting heat flow around finite-sized defects, especially in composite structures. In this study, a novel approach based on 3D heat conduction is proposed to model the heat flow interaction with the defect in quasi-isotropic composite materials. The modeling process involved coordinate transformations to reduce the anisotropic heat conduction problem to the isotropic domain, followed by separation of variables to solve the partial differential equation of the heat conduction. The validity of the model is established using Pulsed Thermography experiments performed on a composite panel containing rectangular flat-bottom holes of different sizes, present at different depths.     

Modeling of gas phase diffusion transport during chemical vapor infiltration process

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ (ＣＶＩ)ｍｅｔｈｏｄｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｅｒａｍｉｃ/ｃａｒｂｏｎｍａｔ     

SEM study of defects in PVD hard coatings using focused ion beam milling

Hard coatings CrN, TiAlN and multilayer CrN/TiAlN were prepared on different substrates (HSS, D2 tool steels, Al-alloy) by thermoionic arc ion plating and by sputtering. The defects incorporated into the coating were studied by four techniques: top view conventional and field-emission SEM, cross-section SEM, AFM and stylus profilometry. As a specifically useful tool to study internal structure of the defect, we applied focused ion beam milling system, which is built in a conventional scanning electron microscope. By ion beam milling we prepared cross-sections through the defects.     

Numerical simulation on thermal expansion coefficient of 3D braided C/C composites简

To effectively get the thermal expansion coefficient(CTE) of three-dimensional(3D) braided C/C composites and study the variations, a VC?? program with graphical user interfaces was obtained, based on the yarn unit model and numerical analysis. With the limited basic properties of carbon fibers and carbon matrix, CTE of 3D braided C/C composites is obtained at 85 °C. The deviation between the simulated and experimental axial CTE of 3D braided C/C composites is no more than 11 %. The effects of different parameters(including the braiding angle of 3D braided preform, the fiber volume fraction and the porosity of 3D braided C/C composites, and the elastic modulus, Poisson's ratio and CTEs of carbon fibers and carbon matrix) were analyzed with the program. The results show that the axial CTE of C/C composites decreases with the increase of the braiding angle, the fiber volume fraction, and the porosity of 3D braided C/C composites. The transverse elastic modulus of carbon fibers has the greatest effect on the axial CTE among the studied mechanical parameters, followed by the elastic modulus and Poisson's ratio of carbon matrix.     

风电叶片复合材料弯曲损伤破坏声发射监测

通过对含纤维断裂缺陷的风电叶片玻璃钢复合材料三点弯曲试验,研究风电叶片复合材料弯曲损伤破坏及其声发射响应特征。试验研究表明,复合材料三点弯曲试件载荷一挠度曲线近似为直线,表面20层纤维断裂缺陷导致复合材料强度急剧下降;含中间20层纤维断裂缺陷试件与无缺陷试件相比,强度和刚度相差不大;纤维断裂缺陷使复合材料的破坏形式发生变化。声发射监测数据显示,风电叶片复合材料弯曲损伤破坏与声发射的幅度、能量、撞击、上升时间、持续时间和计数等参量特征相关。     

复合材料齿轮弯曲强度仿真与试验研究

三维编织复合材料的性能与编织参数密切相关,为了研究碳纤维编织复合材料齿轮的弯曲性能及其与编织参数的关系,提出复合材料及齿轮弯曲性能预测模型。基于代表性体积单胞法和均质化思想建立复合材料的细观、宏观双尺度模型,采用体积平均法、借助有限元手段预测复合材料及齿轮的弯曲性能。并且,采用四步法编织及模压成型方法制备两对碳纤维编织复合材料齿轮,通过试验获得特定编织参数下复合材料及齿轮的弯曲性能。预测结果与试验结果吻合良好,验证了预测模型的准确性。最后,进行了多组编织参数下复合材料及齿轮弯曲性能的预测,得到了编织角和纤维体积分数对复合材料及齿轮弯曲性能的影响规律,并给出了使复合材料齿轮弯曲性能最佳的编织参数。     

典型编织结构复合材料强度性能的预测

以Tsai-Wu强度准则为基础,将三维编织复合材料看作横观各向同性材料,从而对Tsai-Wu强度准则的各阶强度张量系数进行简化,提出了一种计算三维编织复合材料拉伸强度的理论方法.计算了不同编织角和纤维体积分数下,三维四向和正交三向编织复合材料的拉伸强度,并探讨了编织角和纤维体积分数对编织复合材料强度性能的影响,计算结果与实验结果符合较好.