C/C复合材料微观结构的CT分析

C/C复合材料具有复杂的内部微观结构,含有很多孔洞和裂纹,这些孔洞和裂纹对C/C复合材料的宏观性能有重要的影响.本文用高精度Micro-CT对C/C复合材料的内部结构进行了观测,发现使用Micro-CT能够获得无损的原位的C/C复合材料的内部微观结构特征.通过观测发现在C/C复合材料的内部,纤维与基体界面上存在大量的脱层和裂纹,而在基体内部存在大量的空洞,而纤维束内部的裂纹和空洞非常少见.在观测的基础上对C/C复合材料内部的脱层、裂纹和孔洞进行了统计分析,获得了它们尺度大小的概率分布函数,为进一步研究C/C复合材料的性能提供重要的依据.     

沥青基C／C复合材料氧化性能影响因素分析

综述了影响沥青基C／C复合材料氧化性能的一些宏观和微观因素及交互作用。分析表明：沥青浸渍剂的组分与性能及热处理温度影响沥青基C／C复合材料的宏观结构和微观结构,使复合材料具有不同的抗氧化性能;不同类型与织构的纤维其抗氧化性能也不相同,亦影响C／C复合材料抗氧化性能。     

载气条件对C/C复合材料CVI致密化效率及性能的影响研究

以天然气为碳源前驱体、N₂作为载气,采用等温、等压化学气相渗透(CVI)工艺,对初始密度为0.42g/cm³的预制体针刺毡进行致密得到C/C复合材料,本文研究了载气条件对C/C复合材料的致密化效率、微观结构及性能的影响。研究结果表明,沉积温度1050℃、沉积压力4KPa条件下,沉积120h后送N₂(天然气与N₂的比例为5∶1),300h致密化后C/C复合材料的密度可达到1.46g/cm³,表观和内层的密度差异仅为0.07g/cm³;复合材料表面可看到明显的预制体孔隙,未出现结壳情况;弯曲强度可达到107.8MPa,断口形貌以假塑性断裂为主,纤维与热解碳之间结合良好;在1000℃下垂直纤维方向的最大热膨胀系数仅为0.925×10^-6/℃,说明复合材料具有优异的热力学性能。     

湿热环境对AC318/S6C10-800复合材料拉伸性能的影响

拉伸性能是复合材料层合板的基本力学性能,研究湿热环境对玻璃纤维复合材料拉伸性能的影响可以为复合材料工程应用提供重要参考。开展了不同湿热环境下的AC318/S6C10-800复合材料拉伸性能研究,分析了环境对AC318/S6C10-800复合材料弹性模量及拉伸强度的影响。研究结果表明,低温干态环境下强度性能数据相对室温环境略高,70℃湿态环境下强度性能最低,随着试验温度的升高,0°拉伸强度、90°拉伸强度基本呈线性下降趋势。研究结果为AC318/S6C10-800复合材料工程应用提供参考。     

“三明治”C/C复合材料及其摩擦磨损性能

通过化学气相渗透法(CVI)制备出一种新型的"三明治"结构的C/C复合材料。其两侧是纯网胎结构的功能层,主要承担摩擦功能;中间为承担结构作用的结构层,与传统针刺毡结构一致。系统研究了材料的微观组织结构特征及其摩擦磨损性能。结果表明:"三明治"C/C复合材料各个区域的热解炭都为粗糙层结构;刹车性能较传统三维针刺结构C/C复合材料的摩擦性能稳定;在摩擦试验过程中,摩擦面能够形成一层连续均匀的薄膜,使材料在刹车过程中具有较稳定的摩擦系数并能够有效降低材料的磨损率。     

摩擦参数、环境及表面状况对C/C复合材料摩擦学性能的影响分析

影响C/C复合材料摩擦性能的因素较多,本论文综述了国内外的研究现状,评价了摩擦参数、环境及表面状况对C/C复合材料摩擦摩损性能的影响。就能量、转速、压力、湿度、温度、气氛、表面粗糙度和润滑条件等因素展开阐述。C/C复合材料的摩擦摩损是多种因素综合作用的结果,在材料性质确定的情况下,合理的摩擦参数设计、环境条件和摩擦的表面状况能优异地发挥C/C复合材料的摩擦摩损物性。但对于各因素的影响程度,还有待进一步的研究。C/C复合材料在摩擦领域得到了广泛的应用,但有必要进一步扩大摩擦优势,提高摩擦稳定性,降低摩损,尤其是高温氧化摩损。     

多晶硅炉热场用C/C复合材料的硅化腐蚀失效机理

以2D叠层炭布为增强体的炭/炭（C/C）复合材料作为多晶硅炉用热场盖板,对其在硅液/硅蒸汽共同作用下的硅化腐蚀失效机理进行了研究。通过多功能密度测试仪、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）分析了硅化作用对C/C复合材料致密度、微观结构及物相组成的影响,并对侵蚀后的C/C复合材料失效机理进行了分析。结果表明：硅化侵蚀后的C/C复合材料致密度高,存在大量的Si元素,生成了大量的β-SiC,且微观缺陷较多,层间开裂严重,呈现脆性断裂模式。理论分析发现,高温下单位摩尔质量的热解炭和单位摩尔质量的硅发生反应生成单位摩尔质量的SiC后,总体积膨胀约为单位摩尔热解炭体积的6.3倍,不同物相间的热失配导致热应力集中,引起C/C复合材料变形开裂失效,裂纹产生的扩散通道加剧了硅液/硅蒸汽对C/C复合材料的硅化侵蚀作用。     

C/C复合材料SiC-MoSi2-WSi2抗氧化涂层的制备及性能研究

为提高C/C复合材料的高温抗氧化性能,以聚碳硅烷(PCS)浸渍裂解法和Si,Mo,W粉浆料刷涂反应法在C/C复合材料表面制备SiC-MoSi2-WSi2复合涂层,借助X射线衍射仪、扫描电镜等分析手段,对涂层的微观形貌、组织结构及物相进行分析研究,优化涂层制备工艺,考察了涂层的高温抗氧化性能,分析了抗氧化机理.制备的SiC-MoSi2-WSi2复合涂层厚度200 μm左右,主要由SiC,MoSi2,WSi2构成.1500℃氧化试验结果表明复合涂层的静态氧化失重率较SiC单层涂层降低50％以上,较大地改善了C/C复合材料的抗氧化性能.     

限域变温强制流动CVI工艺制备C／C复合材料的组织及力学性能特点研究

分析了采用限域变温强制流动CVI工艺制备C/C复合材料的组织及力学性能的特点,结合C/C复合材料的组织形成规律和组织对性能的影响规律,详细研究了在同一工艺条件下所获得的具有不同组织和不同力学性能的C/C复合材料的力学性能及组织分布规律,并从微观组织结构的角度对力学性能的变化规律给予解释。     

C/C复合材料ZrB2-SiC涂层的微观结构及烧蚀性能研究

采用包埋法在密度为1.63g/cm~3的C/C复合材料上制备了不同ZrB_2含量的ZrB_2-SiC复相陶瓷涂层,考察了不同配比包埋粉料对涂层微观结构和抗烧蚀性能的影响。结果表明,当包埋粉料中ZrB_2质量分数为50%时,涂层ZrB_2含量最多,氧乙炔烧蚀60s时,其线烧蚀率、质量烧蚀率最低,分别为5.3×10~(-4) mm/s和2.1×10~(-3)g/s;在烧蚀过程中,SiC氧化产物SiO_2发生了相变,形成玻璃态,吸收大量热量。玻璃态的SiO_2相包裹着ZrO_2相,使得在烧蚀过程中,有效降低了烧蚀火焰冲击对ZrO_2造成的损失,ZrO_2导热系数低,是一种优异的热障材料,从而降低了复合材料烧蚀率。     

炭/炭复合材料的热物理性能

综述了炭／炭复合材料的热物理性能及其影响因素。炭／炭复合材料热导率的大小由炭纤维的类型、取向、体积分数以及基体的结构类型决定，热处理工艺也对它有很大的影响。炭／炭复合材料的热导率随温度升高一般先升高后降低。炭／炭复合材料在低温时具有负热膨胀系数，影响其这一性能的因素除了坯体结构和基体     

炭/炭复合材料的摩擦磨损性能及应用

论述了炭／炭复合材料的特点，结合该材料在飞机刹车盘中的具体应用，讨论了炭／炭复合材料在不同环境气氛下的摩擦磨损行为及其影响因素，并阐明了炭／炭复合材料的研究现状和尚需解决的问题。     

新型炭纤维/泡沫炭预制体的制备及致密化研究

由炭纤维/酚醛树脂经过发泡、固化和炭化制备出4种不同炭纤维含量(3%,7%,10%和15%)的泡沫炭作为制备炭/炭复合材料新型预制体,通过等温化学气相沉积对预制体进行致密化处理。研究了炭纤维含量对预制体微观结构、致密化过程及力学性能的影响。结果表明:炭纤维含量增加,使预制体产生更多的微裂纹,并有更多的炭纤维裸露在泡沫炭韧带外,有助于提高化学气相沉积的沉积速率。炭纤维/泡沫炭预制体炭/炭复合材料压缩强度随着预制体中炭纤维含量的增加而增加,当炭纤维体积分数为10%时,压缩强度达到峰值,为43MPa。     

轴棒法C／C复合材料微观结构及性能分析

采用轴棒法4D预制体、煤沥青为前驱体,经过常压、高压相结合的液相浸渍一炭化的致密工艺,制备出高密度轴棒法C／C复合材料。研究了轴棒法C／C复合材料的微观结构及其对轴向室温、高温（2800℃）拉伸破坏形式的影响。结果表明：轴棒法C／C复合材料轴向增强体采用炭棒,出现了一个特殊的界面,即炭棒与基体的“间隙”,主要原因是炭棒内部结合较强和纤维、基体的热膨胀系数不匹配而引起的;间隙的存在,使得轴棒法C／C复合材料的轴向室温、高温拉伸破坏形式出现较大差异,室温拉伸由于界面结合强度弱而引起的炭棒完整的拔出,未起到纤维应有的增强作用;高温拉伸却由于受热膨胀,间隙愈合,界面结合变强,试样从有效部位断裂,纤维增强作用明显提高。     

结构炭/炭复合材料力学性能及微观结构研究

采用四向编织、快速化学气相渗透致密化新工艺制备了炭／炭复合材料,其弯曲强度达３２０ＭＰａ。分析研究了这种材料的力学性能特征。利用ＳＥＭ和高分辨ＴＥＭ分析了基体炭、炭纤维／基体灰界面的精细结构,发现炭纤维呈单根被基体炭包围,基体现灰呈层片状,为二维有序的乱层石墨结构;在炭纤维与基体炭之间存在着过渡相,这一过渡相厚度的约几十纳米,随着与炭纤维之间距离的增大,它们之间形成的夹角由小变大,这一过渡相即为炭     

炭纤维/热解炭+Al2O3复合材料的微观结构研究

为提高炭／炭复合材料的隔热性能,设计出了Ａｌ２Ｏ３粉末和纤维＋炭布缠绕预制体结构。采用快速化学气相沉积新技术制备出了炭纤维／热解炭＋Ａｌ２Ｏ３复合材料,并采用ＳＥＭ分析、能谱分析及Ｘ射线衍射分析研究了其微观结构。实验结果表明,这种材料自表面到内部形成了有利于隔热的密度梯度,材料组织均匀,闭孔细小,分布合理,隔热性能良好     

碳/碳复合材料表面SiC/c-AlPO_4复合涂层及其抗氧化机制

采用二次包埋法和水热电泳沉积法相结合的工艺在碳纤维增强碳复合材料表面制得SiC/方石英型磷酸铝(cristobalite aluminum phosphate,c-AlPO4)复合涂层。借助X射线衍射仪和扫描电镜对复合涂层的晶相组成和显微结构进行了表征。研究了复合涂层的高温氧化性能,讨论了复合涂层氧化、失效的机理。结果表明:复合涂层具有双层结构,包埋的SiC内层主要由α-SiC,β-SiC和少量的游离硅组成,外层由c-AlPO4颗粒构成,内外层结合紧密。复合涂层在1300～1500℃范围内具有良好的抗氧化性能,其氧化激活能为117.2kJ/mol,氧化过程主要受氧在c-AlPO4层中的体扩散速率所控制;氧化气体逸出留下的孔洞是复合涂层防氧化失效的主要原因。     

基体改性对碳纤维增韧碳化硅复合材料结构与性能的影响

采用化学气相浸渗法对2D C/SiC复合材料进行基体改性,制备了二维碳纤维增韧碳-碳化硅二元基复合材料(two dimensional carbon fiber reinforced C-SiC binary matrix composites,2D C/C-SiC).2D C/C-SiC复合材料的基体为热解碳和碳化硅交替叠层的多层基体.研究了2D C/C-SiC复合材料的微观结构,比较了2DC/SiC复合材料和2DC/C-SiC复合材料的力学性能及断口形貌.结果表明:2DC/C-SiC复合材料可在基本保持2DC/SiC复合材料抗弯强度的基础上,其断裂韧性得到显著提高.基体改性的效果明显.纤维的逐级拔出是断裂韧性提高的原因.     

炭布高温预处理对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响

采用炭布叠层为坯体，经等温ＣＶＤ工艺制备Ｃ／Ｃ复合材料，并对其摩擦磨损性能进行初步探讨，结果表明，炭布高温预处理能改善Ｃ／Ｃ复合材料的摩擦磨损性能，随着刹车压力的增大，试样的磨损率增大而摩擦系数则减小。     

碳纳米管定向排列增强碳纤维/环氧树脂复合材料制备及力学性能

采用高频电场诱导法制备了碳纳米管定向有序填充的碳纤维/环氧树脂复合材料。研究了电场频率对复合材料力学性能的影响规律,对复合材料的显微形貌进行观察。结果表明:在富树脂区碳纳米管沿着电场方向存在明显的有序排列现象;高频电场诱导后复合材料的层间剪切强度最大提高28.9%,压缩强度提高28.83%,弯曲强度提升15.01%,断口粗糙度增加,树脂与碳纤维的界面结合状态改善。