高密度预制体制备炭/炭复合材料的弯曲力学性能与断裂机制

以丙烯作为碳源,氮气作为载气,采用初始密度为0.94g/cm3三维正交PAN基12K炭纤维预制体,利用自制的快速CVI炉制备基体热解炭结构为带状结构的C/C复合材料。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。从载荷-位移曲线来看,当C/C复合材料经过两次热处理时,C/C复合材料呈明显假塑性断裂特征。当C/C复合材料经过三次热处理时,载荷-位移曲线趋于稳定平滑,抗弯强度降低。从C/C复合材料断面的SEM图可以观察到材料断裂可以分为层间断裂和层内断裂,而层内断裂又因热解炭填充密度变化呈明显的分区断裂。由于热解炭和纤维含量在C/C复合材料中分布的差异,材料在不同的区域表现出不同的断裂特征,从而使得材料具备良好的弯曲强度同时具有一定的韧性特征。     

熔渗法制备C/C-Cu复合材料的力学性能

以炭纤维(Cf)针刺整体毡为预制体,分别采用化学气相渗透(Chemical vapor deposition,CVI)和浸渍炭化(Impregnation and carbonization,I/C)制备不同密度和基体炭的C/C坯体;通过添加Ti元素改善熔融Cu与C/C坯体的润湿性.采用真空熔渗法制备C/C-Cu复合材料.对复合材料的力学性能及其与坯体之间的关系进行研究,并与常用滑板材料的力学性能进行比较.结果表明:随着坯体密度的增加,复合材料的抗弯强度下降,而坯体密度为1.4 g/cm3的复合材料的冲击韧性达到最大值.与用I/C坯体制备的复合材料相比,用CVI坯体制备的复合材料具有更高的强度和韧性,其弯曲曲线呈“假塑性”断裂特征,断裂时纤维从热解炭层或熔渗金属相中拔出,熔渗金属相呈“韧窝状”的塑性断裂形貌.冲击断裂时,复合材料倾向于沿TiC/熔渗金属界面断裂.C/C-Cu复合材料的抗弯强度为180～300 MPa、冲击韧性高于3.5 J/cm2,优于常用滑动电接触材料的性能,是一种极具潜力的新型滑动电接触材料.     

C／C坯体对RMI C／C—SiC复合材料组织的影响

以PAN基炭纤维（Cf）针刺整体毡为预制体，用化学气相渗透（CVI）、浸渍炭化（IC）方法制备了不同炭纤维增强炭基体的多孔C／C坯体，采用反应熔渗（RMI）法制备C／C—SiC复合材料，研究了渗Si前后坯体的密度和组织结构。结果表明：不同C／C坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC相、C相及单质Si相；密度低的坯体熔融渗硅后密度增加较多；密度的增加与开口孔隙度并不是单调增加的关系，IC处理的坯体开口孔隙度低，但渗硅后复合材料的密度增加较多；IC坯体中分布分散的树脂C易与熔渗Si反应，CVI坯体中的热解C仅表层与熔渗Si反应，在Cf和SiC之间有热解C存在；坯体密度相同时，IC处理的坯体中SiC量较多，单质Si相含量少且分散较好，而CVI坯体中SiC量较少，单质Si相的量较多；制备方法相同时，高密度的C／C坯体，渗硅后C相较多。     

不同基体炭C/C复合材料的摩擦磨损性能

以炭纤维针刺毡为预制体,采用化学气相沉积法(CVI)和结合液相浸渍树脂或沥青法制备了热解炭为粗糙层与光滑层结构的准三维C/C复合材料,并研究了这些材料在0.6 MPa的模拟刹车压力下的摩擦磨损性能与磨损机理.研究表明:基体炭为粗糙层热解炭与树脂炭的C/C复合材料摩擦表面能形成较厚且连续的自润滑摩擦膜,摩擦稳定性最好,摩擦因数适中,氧化磨损小,磨损机理主要为膜的部分脱落、氧化磨损与相对较小的磨粒磨损;基体炭为光滑层热解炭与树脂炭或沥青炭的C/C复合材料摩擦表面形成的摩擦膜较薄且不连续,摩擦稳定性差,摩擦磨损较大,磨损机制主要为膜的部分脱落、磨粒磨损与更严重的氧化磨损;随着密度的升高,C/C复合材料摩擦稳定性增加,摩擦因数增加,磨损降低;基体炭为单一沥青炭的C/C复合材料,由于没有热解炭对纤维的保护,纤维断裂多,线性磨损尤其大,磨损机理主要为大量的磨粒磨损与氧化磨损.     

准三维C/C复合材料的层间剪切性能及其断裂机理

以炭纤维针刺毡为预制体, 采用化学气相浸渗(CVI)法或结合液相法制备了热解炭、树脂炭和沥青炭基质的准三维C/C复合材料, 研究了这些材料的层间剪切性能及其断裂机理. 结果表明: CVI基质炭比沥青基质炭更有利于C/C复合材料的层间剪切性能的提高; 剪切强度随密度增高而增大, 致密度越高, 基体支撑越强, 同时微裂纹和孔隙度就越低, 断裂裂纹不易形成或扩展, 强度性能就越好; 纯沥青基质炭试样为"突发"的脆性断裂方式, 其他基质炭试样表现为韧性断裂方式.     

热梯度CVI C/C材料的结构与性能

以炭纤维整体毡为预制体，采用热梯度CVI工艺制备了两种不同结构基体炭的C／C材料，即RL结构和SL结构材料。采用光学金相仪，X射线衍射仪，硬度计，激光导热仪等设备研究了沉积态和热处理态C／C材料的显微结构及热物理性能。对比研究了两种结构材料的力学性能及摩擦摩损性能。结果表明：当密度超过一定值后，密度对C／C材料的力学性能和摩擦性能的影响远不如CVD炭结构的影响大；不管是沉积态还是热处理态，RL结构材料的刹车性能曲线明显优于SL结构材料的刹车性能曲线，这意味着CVD炭的微观结构不同是造成C／C材料摩擦性能差异的根本原因。     

结构类似的炭材料和C/C复合材料的滑动摩擦磨损行为

制备粗糙层热解炭(RL)和光滑层热解炭(SL)基体的C/C复合材料,测试该C/C复合材料与40Cr钢配副时的摩擦磨损行为,并对磨损表面进行SEM观察.对比研究高强石墨和光滑层结构的块状热解炭在相同条件下的滑动摩擦磨损行为.结果表明:PAN炭纤维改善C/C复合材料的摩擦磨损行为;在实验载荷范围内,与高强度石墨材料相比,含RL炭C/C复合材料的摩擦因数降低0.08～0.12;体积磨损量增幅降低;与热解炭试样相比,具有SL炭C/C复合材料的摩擦因数降低0.02～0.05,体积磨损量低0.2 mm~3左右;随着时间的延长,大部分C/C复合材料的摩擦因数基本相对稳定或呈小幅下降,而石墨、热解炭块的摩擦因数均呈不同幅度的上升;具有RL炭的C/C复合材料摩擦表面膜厚度随载荷增加而降低,具有SL炭的C/C复合材料摩擦表面较粗糙;高强石墨能形成较完整致密的摩擦膜,但磨粒磨损严重,磨屑易在摩擦膜边缘形成层状堆积;热解炭块摩擦表面磨屑堆积松散,有较多的孔洞以及热解炭层整体剥落的形貌.     

CVI炭/炭复合材料微观结构和生长模型

采用自行设计的多元耦合物理场CVI炉增密炭/炭（C/C）复合材料,用炭毡作为纤维增强体,在坯体内部设计特殊的导电发热层,使坯体内部的温度场、气体反应的中间产物浓度场、电磁场等多元物理场实现耦合,实现坯体的快速增密。采用偏光显微镜研究沉积热解炭的组织结构;用X射线衍射仪研究C/C复合材料的石墨化度和微晶尺寸;用扫描电镜观察材料断口和热解炭沉积表面的形貌;并对CVI热解炭的生长方式进行研究。研究表明：获得SL、RL和带状等多种热解炭结构;不同的结构具有不同的形貌特征,其中SL的断口平整,RL的断口呈沟槽构造;并提出前者为小分子平滑生长模型、后者为大分子锥状生长模型。     

硼酸对炭纤维及C/C复合材料导热性能的影响

在预制体炭纤维预石墨化前对其进行硼酸处理,研究硼酸对炭纤维性能,C／C复合材料导热率的影响及其作用机理。结果表明：硼酸通过高温热处理过程所分解的硼对炭纤维起到了有效的催化石墨化作用,显著提高炭纤维的石墨化性能,改善炭纤维的表面状态,从而有效地促进CVI过程中炭纤维表面沉积较高织构热解炭。通过对炭纤维以及热解炭微观炭结构的调整,硼酸的添加可有效地提高C／C复合材料的导热性能。     

多孔C泡沫预制体液相渗硅制备C/SiC复合材料研究

以多孔C泡沫为预制体,利用液相渗Si工艺制备了C/SiC复合材料。采用酚醛树脂浸渍-裂解工艺对C泡沫预制体的孔隙率进行调整,考察浸渍-裂解周期对C泡沫预制体孔隙率的影响,研究了C泡沫预制体孔隙率对C/SiC复合材料密度、力学性能、组成和结构的影响。结果表明:预制体孔隙率为72%时制备的C/SiC复合材料性能较好,其密度为2.58g/cm3、弹性模量为81.39GPa,抗弯曲强度为83.88MPa;随着预制体孔隙率的降低,复合材料的密度、弹性模量和抗弯曲强度不断降低,预制体孔隙率的降低影响液相Si充分扩散与C反应,造成复合材料内部存在大量闭孔,这是导致C/SiC复合材料性能下降的主要原因。     

C/C复合材料焊接研究现状

总结了C/C复合材料的国内外焊接现状,主要分为C/C复合材料间的焊接及C/C复合材料与钛合金、高温合金等其它材料的焊接。C/C复合材料焊接方式以钎焊为主,也有用扩散焊接和其它焊接方式。归纳了C/C复合材料焊接面临的主要问题及解决方法,同时对C/C复合材料的焊接未来发展做了展望。     

CVI C／C复合材料及其表面HA涂层成骨细胞体外响应行为对比研究

采用声电化学工艺在CVI C／C复合材料表面制备了HA涂层，分别用SEM，XPS，EDAX和XRD表征了CVI C／C和HA的表面形貌、组成和结构，同时对比了成骨细胞在其表面的粘附、增殖和碱性磷酸酶活性的表达。制备的HA涂层为球状形貌，由纳米片状晶体构成。细胞培养初期，粘附于HA涂层表面的细胞数与CVI C／C表面的细胞数无显著差别，成骨细胞在CVI C／C表面易铺展在孔的边缘，8h后粘附于HA表面的成骨细胞数显著多于CVI C／C表面。HA涂层提高了细胞的增殖能力，成骨细胞碱性磷酸酶在HA涂层表面的表达也优于CVI C／C材料。结果表明，声电化学制备的HA涂层提高了CVI C／C材料的生物活性和生物相容性，可以加速成骨细胞的粘附、增殖、分化和成熟。成骨细胞在材料表面的粘附机制是由多因素综合作用的，材料的表面形貌和生物活性在细胞粘附过程的早期发挥着重要作用。     

润滑状态对C/C复合材料摩擦磨损特性的影响

在M-2000型摩擦磨损实验机上,对3种C/C复合材料与40Cr钢配副分别在干态、水润滑、油润滑3种条件下的摩擦磨损行为进行了研究.结果表明:在3种润滑条件下,干态摩擦试样的摩擦系数最大,体积磨损最小;基体炭为树脂浸渍炭的试样在3种试样摩擦系数最高,约为0.141～0.205;水润滑时试样的摩擦系数最小,为0.05～0.10,但体积磨损最大,最高可达7.75 mm3油润滑时试样的摩擦系数和体积磨损均介于干态和水润滑之间;干摩擦时,试样的摩擦系数随着载荷增加而缓慢降低,水润滑和油润滑的摩擦系数则随着载荷的增加而先增加后减少;干态摩擦时材料表面形成了完整的摩擦膜,水润滑和油润滑条件下摩擦膜很薄且不完整;所有润滑条件下试样均以磨粒磨损或犁削磨损为主.     

混杂C／C复合材料的烧蚀性能

利用等离子体火炬为高温热源，研究了混杂C／C复合材料的烧蚀性能。结果表明：随着烧蚀区域从火焰中心到边缘的变化，材料的烧蚀特性从中心区域的以热力学烧蚀为主向靠近边缘区域的以热化学烧蚀为主过渡；碳基体和碳纤维的抗热力学烧蚀性能相当，而碳纤维的抗热化学烧蚀特性则明显优于碳基体。     

C／C复合材料的导热系数

用热物性综合测试仪测定了不同热处理温度下Ｃ／Ｃ复合材料的导热系数，通过Ｘ射线衍射石墨化度的测定及晶粒尺寸计算，分析了材料的材质。进一步讨论了热处理温度、石墨化度与导热系数之间的关系。表明试样中存在性质不同的３个组元，随热处理温度的升高，平行于碳纤维长向的导热系数值从２２００℃的１４７Ｗ／ｍ·Ｋ升高到２８００℃的１８０Ｗ／ｍ·Ｋ左右，而垂直方向从相应的４９Ｗ／ｍ·Ｋ升高到７０Ｗ／ｍ·Ｋ。     

Influence of additives on oxidation resistance of binderless C/C composite

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＣａｒｂｏｎｆｉｂｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃａｒｂｏｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅａｄｖａｎｃｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ,ｗｈｉｃｈｓｅｅｍｔｏｂｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ[14 ] .Ｂｕｔｔｈｅｉｒｏｘｉｄａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓｐｏｏｒ ,ａｎｄｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍｈａｓｎｏｔｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｓｏｆａｒ .Ｓｕｒｆａｃｅｃｏａｔｉｎｇｍａ…     

C／C复合材料抗烧蚀TaC涂层的制备

报道1种制备C／C复合材料抗烧蚀TaC涂层的新技术。用红外光谱、XRD及SEM分析和表征醇基钽膜，用XRD和SEM分析和表征TaC涂层。制备出的醇基钽是非晶态结构，在C／C复合材料上将这种凝胶铺展形成致密的多层膜。在石墨化炉中多层膜被转化为TaC涂层。在1200℃时，形成的涂层中含有TaC和Ta2O5。高于1400℃时涂层中只有TaC存在。1600℃时所形成的涂层是1种连续致密的层状结构，1400℃时所形成的涂层是1种多微孔的网状结构。     

碳／碳复合材料表面羟基磷灰石生物涂层的研究进展

综述了C／C复合材料表面HAp涂层的制备工艺研究进展，指出涂层与基体的结合是目前该材料存在的主要问题。在总结前人解决问题的基础上，提出了采用水热电沉积解决此问题的新方案。最后，展望了C／C复合材料表面HAp生物涂层的研究重点和发展趋势。     

热处理技术对C/C复合材料磷酸盐涂层抗氧化性能的影响(英文)

采用液态磷酸盐浸渍及不同的热处理技术在C/C复合材料表面制备抗氧化涂层。实验结果表明:采用1～2°C/min慢速冷却制备的材料A在700°C氧化20 h后的氧化质量损失达到47%,而采用快速气冷技术制备的材料B的氧化质量损失仅仅为0.98%。SEM形貌观察表明:材料A的磷酸盐涂层表面疏松,充满大量孔洞、裂纹,以及片状结晶、团聚的磷酸盐,而材料B的涂层致密、完整,为玻璃态。氧化实验后,材料A的涂层在8 h氧化阶段就已消耗殆尽,抗氧化能力基本消失;而材料B的涂层在8 h实验后表面涂层完整、致密,无明显损伤,在20 h实验后出现了较多的孔洞,抗氧化能力逐渐降低。