三维针刺碳纤维增强SiC复合材料在加载-卸载下的拉伸行为

对T300碳纤维增强三维针刺碳纤维增强SiC(C/SiC)复合材料(纤维体积含量为30%)的单调和加载-卸载拉伸载荷下的拉伸行为进行了研究.结果表明:T300碳纤维增强三维针刺C/SiC复合材料的拉伸强度和断裂应变分别为129.6MPa和0.61%.单调和加载-卸载拉伸应力-应变曲线均为非线性变化,主要是复合材料中裂纹的扩展,界面相脱黏和滑移,以及纤维的逐步断裂和拔出所致,使得复合材料在拉伸载荷下呈非脆性破坏.卸载应力水平对卸载后的残余应变和再加载模量有较大影响.卸载应力小于80 MPa时,随着卸载应力的增加,残余应变线性增加,模量线性降低:卸载应力高于80MPa时,二者随着卸载应力的增加而呈二次函数快速变化.     

纤维束丝数对平纹编织C/SiC复合材料力学性能的影响

通过对2种丝束平纹编织碳纤维布增强SiC（C/SiC）复合材料的力学性能实验,研究了纤维束丝数（1 k和3 k）对复合材料性能的影响.实验结果表明：1 k C/SiC复合材料的拉伸模量、拉伸强度、压缩模量、压缩强度、面内剪切强度和弯曲强度分别为90.8 GPa,281.8 MPa,135.8 GPa,452.2 MPa,464.3 MPa和126.8 MPa,分别比3 k C/SiC高39%,15.8%,25%,132%,29.3%和30.2%.纤维束粗细不同是导致纤维束弯曲度和复合材料孔隙率差异的主要原因,对压缩强度的影响最大,对拉伸强度的影响最小.     

化学气相渗透2.5维C/SiC复合材料的拉伸性能

采用等温减压化学气相浸渗(isothermal low-pressure chemical vapor infiltration,ILCVI)工艺制备了在厚度方向上具有纤维增强的2.5维(2.5 dimensional,2.5D)碳纤维增强碳化硅多层陶瓷基复合材料,从而使一端封口的防热结构部件的制备成为可能.ILCVI致密化后,复合材料的密度、孔隙率分别为1.95～2.1 g/cm3和16.5%～18%.沿经纱和纬纱两个方向对2.5D C/SiC复合材料进行室温拉伸实验.结果表明:复合材料在纵向和横向的拉伸应力-应变均表现为明显的非线性行为.复合材料具有较高的面内拉伸性能,纵横向的拉伸强度分别为326MPa和145MPa,断裂应变分别为0.697%和0.705%.复合材料的拉伸断裂为典型的韧性断裂,经纱和纬纱的断裂都表现为纤维的多级台阶式断裂以及纤维的大量拔出.     

化学气相渗透法制备2维和2.5维C/SiC复合材料及其拉伸性能

采用化学气相渗透法制备了2维和2.5维碳纤维增强碳化硅(carbon-fiber-reinforced silicon carbide,C/SiC)复合材料,沿经纱(纵向)和纬纱(横向) 2个方向对2种复合材料进行了室温拉伸性能测试,并从预制体结构和原始缺陷分布的角度对比分析了两者力学性能之间的差异.结果表明:两种C/SiC复合材料均表现出明显的非线性力学行为,在经纱方向和纬纱方向上,2维C/SiC复合材料力学性能表现为各向同性,而2.5维C/SiC复合材料力学性能则表现出明显的各向异性:经纱方向上2.5维C/SiC复合材料的拉伸强度和拉伸模量(326 MPa,153 GPa)均高于2维C/SiC复合材料的(245 MPa,96 GPa),纬纱方向上的(145 MPa,62 GPa)均低于2维C/SiC复合材料的(239 MPa,90 GPa).两种复合材料的拉伸断裂行为均表现为典型的韧性断裂,并伴有大量的纤维拔出.两种复合材料中纱线断裂均呈现出多级台阶式断裂方式,但其断裂位置并不相同.2.5维C/SiC复合材料中由于经纱路径近似于正弦波,弯曲程度较大,在纱线交叉点处造成明显的应力集中,因此经纱多在纱线交叉点处断裂;而纬纱由于其路径近乎直线,应力集中现象不明显,因此纬纱断裂位置呈随机分布.2维C/SiC复合材料中经纱和纬纱由于其路径类似于2.5维C/SiC复合材料中的经纱,因此其断裂位置也多在纱线交叉点处.微观结构观察表明不同的编织结构是造成两种复合材料在不同方向上力学性能差异的主要原因.     

三维针刺C/SiC复合材料无纬布纤维方向对材料力学性能的影响

通过化学气相渗透法结合反应熔体浸渗法制备了三维针刺C/SiC复合材料,采用扫描电子显微镜观察材料的显微结构,并研究了无纬布纤维方向对材料力学性能的影响.结果表明,三维针刺C/SiC复合材料由O°无纬布层、短纤维胎网层、90°无纬布层以及针刺纤维束组成,无纬布层纤维方向对材料性能有显著影响.试样的拉伸强度和弯曲强度随着无纬布纤维方向与试样长度方向的夹角θ(0 ～45°)值的增大而减小,面内剪切强度和冲击韧性随θ角的增大而增大.     

纤维丝束大小对Mini-C/SiC拉伸性能与强度分布的影响

为了探究碳纤维丝束大小对纤维束复合材料碳/碳化硅(Mini-C/SiC)拉伸性能和强度分布的影响,采用化学气相浸渗(CVI)法制备了1k Mini-C/SiC和3k Mini-C/SiC复合材料.测试了C纤维束以及Mini-C/SiC复合材料的拉伸性能,并采用两参数Weibull分布模型分析了强度分布,同时还观察了拉伸断口形貌.结果表明:3k C纤维束表现出了明显的"聚拢效应",其拉伸性能和强度稳定性均优于1k C纤维束,而且其拉伸强度、Weibull模数、特征强度、延伸率和断裂功分别比1k C纤维束的高47％、13％、46％、54％和102％.同时,1k C纤维束发生韧性断裂,3k C纤维束发生脆性断裂.3k Mini-C/SiC复合材料的拉伸性能和强度稳定性均优于1k Mini-C/SiC复合材料,其拉伸强度、Weibull模数、特征强度、延伸率和断裂功分别比1k Mini-C/SiC复合材料提高了67％、69％、63％、92％和216％,而且两者的拉伸断裂方式均为典型的脆性断裂.纤维体积分数高是大纤维丝束复合材料3k Mini-C/SiC拉伸性能和强度稳定性优于小纤维丝束复合材料1k Mini-C/SiC的主要原因.     

低压化学气相渗透法制备2.5维SiCf/SiC复合材料

采用低压化学气相渗透法制备了具有和不具有热解炭界面层的2.5维连续SiC纤维增强的SiC复合材料(SiCf/SiC).SiC纤维的体积分数为30%和41%.所制备复合材料的气孔率为20%左右.当纤维为30%时,沉积有0.1 μm热解炭界面层的复合材料的弯曲强度由未加热解炭界面层的232MPa增加到328MPa,而且材料由灾难性断裂转变为非灾难性断裂.在同一制备条件下,纤维体积分数为41%的SiCf/SiC比30%的SiCf/SiC具有更高的气孔率.纤维为41%时,热解炭界面层厚度为0.1 μm的SiCf/SiC的弯曲强度只有244MPa,但是它具有更高的韧性和更长的纤维拔出长度.     

纤维热处理对C/C-SiC复合材料剪切强度的影响

对T300碳纤维在真空环境下,在600、900、1200、1500℃进行热处理,用液硅熔渗反应法(liquid silicon infiltration,LSI)制备了不同微观组织结构的C/C-SiC复合材料。采用光电子能谱分析了热处理对纤维表面结构的影响,用光学显微镜和扫描电子显微镜对材料微观形貌进行了观察分析。采用双槽口剪切法(DNS)测试了C/C-SiC复合材料层间剪切强度(interlaminar shear strengh,ILSS),并分析了纤维热处理对材料剪切性能影响的微观机理。结果表明：碳纤维经热处理后,表面化学成分发生变化,氧含量显著降低,改变了碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced resin matrix composite,CFRP)先驱体中纤维/树脂界面结合强度,从而在CFRP裂解后形成了具有不同微观结构的C/C预制体,通过液Si对不同微结构的C/C预制体进行熔渗,获得具有不同微观结构的 C/C-SiC复合材料;DNS 测试发现碳纤维热处理能够有效改善 C/C-SiC复合材料的层间剪切强度,主要是由于纤维经热处理后制备的C/C-SiC复合材料中,SiC基体相分布较均匀并包裹在碳纤维周围,导致纤维/基体界面结合强度高。经1500℃热处理纤维增强的C/C-SiC复合材料,其剪切强度为34 MPa,与未处理的相比,ILSS提高了33%。     

碳纤维增强尼龙6复合材料的研究

研究了尼龙6的相对黏度对碳纤维增强复合材料的力学性能及其结构的影响。结果表明:碳纤维增强尼龙6复合材料的力学性能随尼龙6的相对黏度增加大而降低。碳纤维的质量分数为15%时,相对黏度为2.7的尼龙6的复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别为179.6和11014 MPa;而相对黏度为2.0的尼龙6复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别为220和14521MPa,分别提高了22.5%和31.8%。扫描电镜表明:碳纤维在不同尼龙6基体的复合材料中分散都比较均匀,复合材料断裂为纤维拔出断裂方式。     

二维C/(BC_x–SiC)_n复合材料的高温层间剪切性能(英文)

采用双槽口剪切法(double-notched shear,DNS)研究了二维(two dimensional,2D)碳纤维增强碳化硼-碳化硅[2DC/(BCx-SiC)n]复合材料的高温层间剪切性能,用扫描电子显微镜观察断口形貌。结果表明:在25～1200℃范围内,温度对2DC/(BCx-SiC)n复合材料的层间剪切强度有明显影响,在900℃时材料的层间剪切强度最高可达40.0MPa,分别比25℃和1200℃的高约13%和8%,略高于700℃的。此外,C/(BCx-SiC)n的层间剪切强度始终高于C/SiC的强度,且2种材料的层间剪切强度随温度变化规律相似。断口分析表明:层间剪切失效发生在基体内部或基体/纤维界面上,而纤维并没有受到损伤。     

针刺炭纤维预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响

采用6K炭纤维无纬布/网胎交替叠层及12K炭纤维无纬布/网胎交替叠层,在针刺工艺,致密化、热处理工艺完全相同的情况下,制备了密度为1.8g/cm3的热解炭/树脂炭双元基体的两种C/C复合材料产品,考察了针刺预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响.结果表明,两种C/C复合材料的热学（垂直方向导热系数）、电学性能及石墨化度基本相当;而针刺6K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料的拉伸、弯曲、压缩、层间剪切强度分别为127MPa,189MPa,263MPa,24.6MPa;其平行方向导热系数为54.6W/m＆#183;K,比常规针刺12K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料相应提高了38％,32.2％,32.8％,38.9％,21％,彰显了细化针刺预制体结构单元对C/C复合材料力学性能的显著影响.     

Hysteresis loops of carbon fiber-reinforced ceramic-matrix composites with different fiber preforms

The hysteresis loops of C/SiC ceramic-matrix composites (CMCs) with different fiber preforms, i.e., unidirectional, cross-ply, 2D and 2.5D woven, 3D braided, and 3D needled at room temperature have been investigated. Based on fiber slipping mechanisms, the hysteresis loops models considering different interface slip cases have been developed. The effects of fiber volume fraction, matrix cracking density, interface shear stress, interface debonded energy, and fibers failure on hysteresis loops, hysteresis dissipated energy, hysteresis width, and hysteresis modulus have been analyzed. An effective coefficient of fiber volume fraction along the loading direction (ECFL) was introduced to describe fiber preforms. The hysteresis loops, hysteresis dissipated energy and hysteresis modulus of unidirectional, cross-ply, 2D and 2.5D woven, 3D braided and 3D needled C/SiC composites have been predicted.     

Comparison of the mechanical hysteresis of carbon/ceramic-matrix composites with different fiber preforms

The mechanical hysteresis of four ceramic matrix composites with different carbon fiber preforms, i.e. needled C/SiC, 2D C/SiC, 2.5D C/SiC, and 3D C/SiC, was investigated and compared during cyclic reloading-unloading tests. An effective coefficient of the fiber volume fraction in the direction of loading (ECFL) was defined to characterize fiber architectures of the preforms. It is shown that an increase in permanent strain and a decrease in stiffness with the applied stress were strongly affected by the ECFL. The thermal residual stress (TRS) and ultimate tensile strength of the composites are predicted theoretically related to the ECFL, and then validated by experimental results and microstructural observations. The predicted results not only demonstrate good agreement with experimental measurements, but also explain why differences in the composite ECFL result in substantial variations in TRS.     

Fabrication of 2D C/C-SiC composites using PIP based hybrid process and investigation of mechanical properties degradation under cyclic heating

2D C/C-SiC composites were fabricated using PIP process by repeated impregnations of porous C/C composite preforms with polycarbosilane followed by pyrolysis. Effect of cyclic heating on flexural and shear strength of these composites was studied by exposing the test specimens to oxyacetylene flame for 20 s and cooling by a blast of air. The cyclic heating tests were repeated up to five times. Average flexural and shear strength of the as fabricated composites were about 330 MPa and 14.5 MPa respectively. After five heating and cooling cycles, average flexural and shear strength were reduced to 120 MPa and 5.5 MPa respectively. SEM, XRD, EDAX and XPS studies were also carried out to investigate the causes of strength reduction. Oxidation started preferentially at carbon matrix through the cut ends of the weft fibers. Oxidative damage due to repeatedly heating cooling was found to be much smaller in through-thickness direction due to passive oxidation of SiC matrix while severe damage was observed parallel to the fabric layers.     

二维C/(BCχ-SiC)n复合材料的高温层间剪切性能

采用双槽口剪切法(double-notchcd shear,DNS)研究了二维(twodimensional,2D)碳乡纤维增强碳化硼-碳化硅[2DC/(BCx-SiC)]复合材料的高温层间剪切性能,用扫描电子显微镜观察断口彤貌.结果表明:在25～1200℃范围内.温度对2DC/(BCx-SiC)n复合材料的层间剪切强度有明显影响,在900℃时材料的层间剪切强度最高可达40.0MPa,分别比25℃和1200℃的商约13%和8%,略高于700℃的.此外,C/(BCx-SiC)n的层间剪切强度始终高于C/SiC的强度,且2种材料的层间剪切强度随温度变化规律相似.断口分析表明:层间剪切失效发生在基体内部或基体/纤维界面上,而纤维并没有受到损伤.     

界面类型对三维Nextel 720纤维增韧莫来石陶瓷基复合材料力学性能的影响

采用化学气相渗透工艺在Nextel 720纤维表面制备PyC和PyC／SiC两种涂层，然后以正硅酸乙酯和异丙醇铝作为先驱体，以先驱体浸渗热解法制备三维Nextd 720纤维增韧莫来石陶瓷基复合材料，比较分析了两种涂层复合材料的力学性能和断裂模式。结果表明：具预先涂覆PyC的复合材料中纤维与基体直接接触，发生烧结形成强结合界面，复合材料脆性断裂，三点抗弯强度仅56MPa。PyC／SiC涂层则演化为间隙／SiC复合界面层，SiC成为阻滞纤维与基体接触的阻挡层，间隙保证了纤维拔出，复合材料韧性断裂且三点抗弯强度高达267．2MPa。