碳/碳复合材料力学性能的研究进展

本文综述了碳/碳复合材料力学性能的研究进展,包括碳纤维、基体炭、界面性能、制备工艺及工艺参数等对碳/碳复合材料力学性能的影响。同时简单介绍了当今单向碳/碳复合材料力学性能的表征手段。希望对碳/碳复合材料力学性能的研究及应用提供帮助。     

二维碳/碳复合材料力学性能影响因素的研究现状

二维碳/碳复合材料以其优秀的力学性能和热物理性能，在火箭发动机喷管、航天飞行器热防护结构等领域得到广泛应用。针对二维碳/碳复合材料的服役工况需求，国内外研究主要集焦于二维碳/碳复合材料的力学性能及其影响因素，包括碳纤维、碳基体、纤维/基体界面及致密工艺等方面。本文综述了二维碳/碳复合材料力学性能影响因素的研究现状，拟为进一步优化二维碳/碳复合材料力学性能提供参考。     

缝合工艺在碳/碳复合材料的应用

研究了不同缝合间距和不同碳布对碳/碳缝合复合材料力学性能的影响.结果 表明:在相同缝合间距下,缝合预制体的单元层厚度越薄,其碳/碳复合材料的综合性能越优异,且相比单元层性能,单元层厚度对其碳/碳复合材料的性能影响更显著;随着缝合间距变小,碳/碳复合材料拉伸强度整体呈现下降趋势,且降低幅度均增大,弯曲强度和层间强度呈现增加趋势,且增加幅度均增大.     

载气对碳/碳复合材料致密化过程及微观结构的影响

以天然气作为碳源,以H_2和N_2为载气,采用等温化学气相沉积工艺制备碳/碳复合材料。采用偏光显微镜、SEM、万能试验机等表征所制备碳/碳复合材料的微观结构、密度变化和力学性能等。研究了碳源气体与载气比例对碳/碳复合材料致密化速率和热解碳微观结构以及力学性能的影响。结果表明:载气对碳/碳复合材料的致密化速率以及微观结构有重要影响(相对于不添加载气的情况,添加H_2和N_2的混合气体后,碳/碳复合材料的最终密度从1.42g/cm~3提高到1.71g/cm~3,而密度梯度Δρ从0.15g/cm~3降到0.04g/cm~3)。H2对优化气相裂解成分,抑制致密化初期的表面结壳、促进高织构热解碳的形成有显著影响,而N_2则对抑制致密化后期的表面结壳效果显著。     

碳/碳复合材料的热压烧结制备工艺与力学性能

为制备力学性能优异、致密度高的航空航天复合材料,本文采用纤维液相浸渍的致密化方法和真空热压炭化工艺,以天然鳞片石墨为碳基体、国产T300型碳纤维为增强体、中间相沥青粉为浸渍剂,通过分别改变沥青与石墨的原料质量配比(P/G)、浸渍温度等工艺参数,制备了一系列高性能碳/碳复合材料。然后,对复合材料的弯曲强度、断裂韧性、显孔率及密度等性能进行测试,再通过扫描电子显微镜对复合材料的微观形貌进行分析。研究结果表明:当P/G为1,浸渍温度为300℃时,碳/碳复合材料表现出较好的综合性能。其中,平均弯曲强度可达360 MPa,断裂韧性为6.02 MPa·m~(1/2),已达国内先进水平。同时实际密度为1.75 g·cm~(-3),显孔率为1.7%,致密度可达94.6%。     

沉积温度对微波热解CVI制备碳/碳复合材料密度及组织结构的影响

以碳毡为预制体,N2为稀释气体,甲烷为碳源前驱体,其分压为10 kPa,滞留时间为0.15 s的工艺条件下,研究了不同沉积温度对微波热解化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)工艺制备碳/碳复合材料的致密化速率、样品的体积密度及其密度均匀性的影响,并对其组织结构进行了观察.分析了沉积温度对微波热解CVI工艺制备碳/碳复合材料的密度与组织结构的变化规律.结果表明:在微波热解CVI工艺中,随着沉积温度的降低,碳毡预制体的致密化速率及最终体积密度呈现先升后降,1100 ℃沉积制备复合材料的密度均匀性最好,并呈现从内到外逐步沉积的规律.热解碳的织构主要为中等织构.     

碳/碳复合材料等温化学气相渗透工艺模糊系统建模

等温化学气相渗透(chemical vapor infiltration，CVI)是制备陶瓷基和碳基复合材料重要的传统工艺，该工艺主要的不足之处是周期极长，因此，优化工艺参数、提高沉积效率是目前等温CVI工艺研究的重点。在实验样本的基础上，利用遗传算法来自动获取和优化模糊规则，从而建立了碳／碳复合材料等温CVI工艺模糊系统。通过系统对训练样本和测试样本的输出，可以看出：系统具有较高的精度和泛化能力。利用该系统，得到了沉积温度、纤维体积分数和沉积室压强等参数对等温CVI工艺的影响规律，对实际生产中CVI工艺的制定有指导意义。     

氧化硼抑制碳/碳复合材料的氧化

研究了用氧化硼抑制碳/碳复合材料的氧化反应。用浸渍工艺将不同量的抑制剂沉积在碳表面,由于部份抑制剂封闭了活性部位,所以降低了氧化速率。增大氧化硼含量会对氧生成一种流动的扩散阻挡层。这一保护层主要是有助于抑制效应。     

复合材料带缠绕张力参数对碳/酚醛材料层间剪切强度影响研究

目前缠绕工艺参数对制品层间剪切强度的影响研究多集中于3k碳布或高硅氧布为增强体的复合材料,而一体化复合材料喷管制品烧蚀层常采用1k碳布/酚醛材料进行制备。因3k碳布和1k碳布稀疏特性存在本质区别,将影响酚醛树脂固化过程中产生小分子挥发物的排出效率,从而导致制品性能存在差异。为揭示带缠绕张力对1k碳布/酚醛制品层间性能的影响,采用湿法预浸工艺制备1k碳布/酚醛预浸带,基于控制变量法设计缠绕参数,通过数控布带缠绕机缠绕试样环,设计层间剪切测试工装,实现对试样整环的层间剪切强度测试。结果表明,选用张力系数为20N/cm制备的试样环性能最低,平均值为16.996Mpa;张力系数在30N/cm至70N/cm范围内,制品层间剪切强度波动较为平缓,无明显变化趋势。     

碳毡自加热热解沉积致密化工艺初探

本文通过对不同尺寸、叠层层数,密度,形状和孔洞的碳毡进行自加热研究,探究了不同物性参数碳毡预制体的自加热规律,并进一步进行了自加热热解沉积制备C／C复合材料的可行性研究。研究发现：预制体在加热中能维持高温,并能在预制体中形成一定的逆向温度梯度,在自加热的工艺条件下,热解沉积制备C／C复合材料工艺是完全可行的。     

碳/碳化硅摩阻复合材料的研究进展

碳/碳化硅是近年来发展起来的一种新型高性能陶瓷基摩阻材料,具有密度低,抗氧化性好,摩擦性能高且性能稳定等一系列优点,在高速列车、飞机和重型汽车等高能载制动领域具有广泛的应用前景.反应性熔体浸渗法是制备碳/碳化硅摩阻复合材料的有效途径.从碳/碳化硅摩阻复合材料的设计出发,深入分析了反应性熔体渗透过程的热力学条件,Si-C反应体系的基本特征以及动力学规律.针对短纤维模压和三维针刺等两种典型C/SiC复合材料的制备过程,对材料的微结构特征和摩擦磨损性能进行了系统论述.同时,对红外热成像、X射线透射和工业CT等先进工程检测方法在碳/碳化硅摩阻复合材料构件上的应用进行了分析.     

聚乳酸/碳复合材料研究进展

就聚乳酸/碳复合材料进行综述,尤其是对聚乳酸与碳纳米管、富勒烯、石墨烯等新型碳材料的复合研究进行了详细介绍,总结了影响聚乳酸/碳复合材料应用的技术问题,并对聚乳酸/碳复合材料今后的发展趋势进行了展望。     

韩国开发碳碳复合材料表面处理技术

正近日,韩国研究团队开发出一种碳碳复合材料表面处理技术,有望替代传统的镀铬工艺。该项技术由韩国碳融合技术院和大英工程公司共同开发,采用了电解沉积涂装工艺,可以在碳碳复合材料上呈现出鲜明的色彩。     

原位气相生长碳纳米纤维改性炭/炭复合材料研究

采用化学气相沉积(CVD)法在不同密度的炭/炭复合材料表面原位生长碳纳米纤维(CNFs),探究不同工艺参数对CNFs微观形貌的影响规律,寻求最优化工艺。以原位生长CNFs改性C/C复合材料和纯C/C复合材料为研究对象,描述了CNFs的生长机制,并分别对2种试样进行石墨化度、力学性能和导热性能的检测分析,研究CNFs增强C/C复合材料性能的改性机理。结果表明:当催化剂前驱体Ni(NO_3)_2溶液的浓度为0.10 mol/L,裂解温度为650~700℃,反应时间为30~45 min时,所制备的CNFs直径细小均匀,一般为30~60 nm,长径比大,呈网状分布,分散性好。相同密度下,CNFs-C/C复合材料的弯曲强度达到166.29 MPa,比纯C/C复合材料(131.73 MPa)提高了26.2%,弯曲性能显著提升。原位生长CNFs改性C/C复合材料的室温z轴热导率为14.50 W/(m·K),是纯C/C复合材料的1.85倍。     

三向碳/碳材料断裂判据实验研究

对复合材料的损毁有很多人进行了研究,都想寻求一点规律性供设计师们使用,然而迄今为止,无论强度理论还是断裂理论在复合材料上应用都受到了一定的限制,原因就是复合材料结构复杂,不同类型的复合材料有不同的损毁过程,即使同一种复合材料,由于各向异性的影响,各个不同方向的损毁方式也是变化多端,用一个普遍的规律把所有的复合材料的损毁过程都包括进去,简直是不可能的。研究了三向碳/碳材料在X—Y面内和Y—Z面内裂纹沿着不同方向扩展造成的损毁现象。     

聚合物/碳系填料发泡复合材料电磁屏蔽性能的研究进展

综述了聚合物/碳系填料发泡复合材料在电磁屏蔽领域应用的研究进展,重点讨论了各种碳系填料（石墨烯、碳纳米管、碳纤维）以及多组分碳系填料对发泡复合材料电磁屏蔽性能的影响及相关电磁屏蔽原理。结果表明,碳系填料的功能化、泡孔结构的调控、材料多层次结构的设计、制备工艺的优化等是改善聚合物/碳系填料发泡复合材料电磁屏蔽性能的有效途径。     

热解碳对先驱体浸渍裂解3D-C_f/SiC复合材料性能影响

以三维编织T300碳纤维为预制体,通过控制化学气相渗积(CVI)沉积时间制备厚度不同的热解碳界面相,采用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺增密制备3D-C_f/SiC复合材料,研究界面相对先驱体浸渍裂解3D-C_f/SiC复合材料性能影响。结果表明:3D-C/SiC复合材料在合适的界面相厚度下能够获得更好的增韧效果。热解碳厚度为220±20 nm时,3D-C_f/SiC复合材料弯曲强度为388.8 MPa,弯曲断口处纤维呈台阶式拔出,拔出面参齐不齐,弯曲强度最大,增韧效果最佳。     

固化温度和后处理温度对EP/碳布复合材料弯曲性能的影响

采用热压罐成型法制备了EP/碳布复合材料,研究了固化温度和后处理温度对复合材料弯曲性能的影响.结果表明,180℃固化的复合材料的弯曲强度和弯曲弹性模量高于120、150℃固化的复合材料;以180℃作为最高固化温度时,与不进行后处理相比,在180℃处理1 h后复合材料的弯曲强度得到大幅度的提高;较优的固化工艺参数为固化温...     

单向碳/碳复合材料高温拉伸行为失效机理研究

碳/碳复合材料是一种耐高温、耐摩擦的新型复合材料。为了研究碳/碳复合材料在高温环境拉伸载荷作用下的损伤和失效机理,针对有、无抗氧化涂层(以下简称"涂层")[0]_(16)单向板碳/碳复合材料,开展了700℃下轴向拉伸测试,并对相应试验件的断口进行了SEM显微观测分析。拉伸试验结果表明:有涂层单向碳/碳复合材料在700℃下的应力-应变曲线呈线性,相比于室温,700℃下有涂层单向碳/碳复合材料的拉伸强度和弹性模量均得到了强化;无涂层单向碳/碳复合材料在700℃下的应力-应变曲线呈高度非线性,相应的力学性能下降明显。显微观测结果表明:试验700℃下有涂层单向碳/碳复合材料纤维束损伤形式为纤维束内纤维拉伸破坏、基体开裂和纤维拔出破坏;无涂层单向碳/碳复合材料纤维束断口变细且呈散状分布。     

不同SiC源对Cf/ZrB2–SiC复合材料微结构和力学性能的影响EI北大核心CSCD

采用新型浆料注射/真空浸渍工艺实现了超高温陶瓷组分与碳纤维的有效复合,并结合低温(1 450℃)热压烧结实现了Cf/ZrB2-SiC复合材料的制备。研究了不同SiC源(SiC粉体和聚碳硅烷PCS)对复合材料微结构和力学性能的影响,结果表明:基于聚碳硅烷优异的流动性实现了陶瓷组分在纤维束内和束间的有效填充,并经低温热压烧结后Cf/ZrB2-PCS复合材料的相对密度为91.3%,主要归结于聚碳硅烷裂解后残留的微量无定性碳起到了表面除氧的作用而促进致密化,但该无定性碳弱化了晶界强度而导致力学性能降低。同时Cf/ZrB2-PCS复合材料表现出非脆性断裂模式且断裂功高达539 J/m^2,较Cf/ZrB2-SiCp复合材料提升高达84.6%;该复合材料断裂功的提升主要归结于裂纹偏转、裂纹分叉和纤维桥联等多种增韧机制的协同效应,大幅度改善了ZrB2基超高温陶瓷材料的损伤容限和可靠性。