纤维体积分数对炭/炭复合材料石墨化度的影响

以40％,30％及25％3种不同纤堆体积分数的针刺整体毡为坯体,经3次CVI后得到C／C复合材料;采用X射线衍射与拉曼光谱微区分析测试了3个试样在沉积态与2200,2400℃热处理的宏观与微区石墨化度,并在偏光下观察了其微观结构,分析了不同纤维体积分数的CVIC／C复合材料石墨化度不同的原因。结果表明:CVI后的热解炭为典型光滑层结构,且随着纤维体积分数的增加C／C复合材料在不同热处理温度下的石墨化度增加;热处理温度越南,石墨化度越高;纤维与光滑层热解发界面及2种不同光滑层热解发界面均发生应力石墨化,导致纤维体积分数高的试样石墨化度高。     

热解炭结构对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响

以炭纤维整体毡为预制体,采用热梯度化学气相渗透(CVI)工艺制备了2种不同结构基体炭的C/C复合材料,即粗糙层结构材料与光滑层结构材料。研究了2种不同结构基体炭的C/C复合材料在沉积态和热处理态的显微结构、热物理性能及摩擦磨损性能。研究结果表明,在沉积态,2种结构材料都产生严重的氧化磨损,提高材料的石墨化度可显著降低材料的氧化磨损;不管是在沉积态还是在热处理态,RL结构材料的刹车性能曲线都明显优于SL结构材料的刹车性能曲线,这表明热解炭的微观结构不同是造成C/C复合材料摩擦性能差异的根本原因。     

热解碳结构对炭/炭复合材料摩擦磨损性能的影响

通过控制化学气相沉积(CVD)工艺条件,得到粗糙层、光滑层、过渡层等几种具有不同微观结构的热解碳。金相观察、摩擦磨损性能的测试结果表明:热解碳的微观结构对炭/炭复合材料的摩擦磨损性能有重大影响;粗糙层结构的炭/炭复合材料摩擦因数高,热稳定性好,是一种优良的摩擦材料;光滑层结构的炭/炭复合材料摩擦因数低,磨损小,可以用作耐磨材料。     

热解炭微观结构对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响

研究了热解发光学特性分别为粗糙层结构和光滑层结构试样的摩擦磨损性能。粗糙层结构试样由于具有较高的导热系数,其传热和散热能力比光滑层结构试样的强。在300～800℃时,粗糙层结构试样的膨胀系数基本保持稳定,而光滑层结构试样的膨胀系数随温度升高递增,使刹车过程中前者摩擦因数稳定,后者摩擦性能差。利用场发射高分辨电子显微镜研究了粗糙层结构和光滑层结构试样的微观结构。结果表明;前者生长择优取向明显,生长表面光滑,在摩擦过程中形成片状的石墨结构磨屑,保持稳定的摩擦性能;后者则为低织构疏松层状结构,生长表面粗糙。在磨擦过程中形成颗粒状或大团状结构,导致摩擦性能不稳定。热解炭微观结构的差异是导致2种结构试样热性能、摩擦磨损性能差异的根本原因。     

新型浆料注射法制备C/C复合材料的显微组织及力学性能

采用浆料注射法将天然鳞片石墨粉添加到纤维预制体中,并结合化学气相渗透工艺(CVI)制备C/C复合材料。通过X射线无损检测、扫描电镜、偏光显微镜和材料力学性能测试,研究石墨浆料注射对C/C复合材料显微组织与力学性能的影响。结果表明:石墨浆料注射可将石墨引入到纤维预制体中,替代部分热解炭,并为热解炭提供新的形核位点和沉积表面,加速CVI致密化进程;且石墨的加入有利于粗糙层热解炭的形成,提高材料的可石墨化度。经80 h等温CVI制得密度为1.68 g/cm~3的C/C复合材料,抗弯强度为69.07 MPa,与传统等温CVI工艺相比,抗弯强度相近,平均增密速率提高近3倍;热解炭将纤维和石墨连成一个整体,材料表现出一定的假塑性断裂。     

炭/炭复合材料的导热性能

研究了影响炭/炭复合材料热导率的主要因素:炭纤维取向,热处理,热处理温度和CVD热解炭的显微结构.研究结果表明;在炭/炭复合材料中,影响炭/炭复合材料热导率的主要因素是CVD热解炭的显微结构;在不同CVD热解炭中,以RL结构为主的CVD热解炭,热导率最高;是否热处理对炭/炭复合材料的热导率有相当大的影响,但热处理温度的提高对炭/炭复合材料热导率的提高有限;纤维取向主要影响炭/炭复合材料不同方向上的热导率.     

炭纤维粉改性中间相沥青基泡沫炭的结构与性能

以添加聚丙烯腈基炭纤维粉的萘基中间相沥青为原料,采用高温自发泡法制备泡沫炭,研究炭纤维粉含量和不同石墨化温度对泡沫炭的微观结构、力学性能和导热性能的影响。结果表明,添加炭纤维粉可明显改善泡沫炭的压缩强度和热导率。纤维粉与沥青炭界面的应力石墨化作用可提高沥青炭的微区石墨化度,使其石墨微晶尺寸增大,从而泡沫炭的热导率得以提高。当炭纤维粉质量分数为6%时,泡沫炭的压缩强度达最高为18 MPa,石墨泡沫的压缩强度和热导率分别为8.1 MPa和83.0 W/(m·K),较未添加炭纤维粉的石墨泡沫的热导率(39.2 W/(m·K))提高一倍。     

热解炭涂层对C/C复合材料高温氧乙炔焰烧蚀性能的影响

采用化学气相沉积工艺在C/C复合材料表面制备热解炭涂层,利用扫描电镜以及能谱仪等分析手段研究涂层的结构,通过氧乙炔焰烧蚀试验考察热解炭涂层对C/C复合材料高温耐烧蚀性能的影响。结果表明:在C/C复合材料表面沉积热解炭涂层可显著提高材料的短时高温耐烧蚀性能。经过20 s的高温氧乙炔焰烧蚀后,与无热解炭涂层的C/C复合材料试样相比,涂层试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别下降26.92%和75.76%。在烧蚀中心区,热解炭涂层完全被烧蚀损耗掉;在烧蚀过渡区,涂层表现为局部烧穿;而在烧蚀边缘区,涂层表面烧蚀后形成了众多的烧蚀孔洞,呈现出蜂窝状的结构形貌。烧蚀过程中,涂层的烧蚀机制以热氧化和燃气冲刷为主。     

C/C复合材料摩擦磨损性能的研究

本文对同一种C／C复合材料，经过不同温度最终热处理后的摩擦磨损性能进行了对比研究。试验表明：随着最终热处理温度的提高，热解炭的晶粒逐渐长大，层面间距缩小，石墨化度有较大提高，从而使得C／C复合材料的摩擦表面逐渐形成薄而致密的自润滑膜，磨损量下降明显。平行纤维方向和垂直纤维方向上的导热系数均有明显上升，使得C／C复合材料刹车盘力矩稳定，峰谷比缩小，有利于制动平稳；在1800℃热处理的材料的磨损主要是由于氧化造成的，说明1800℃的热处理温度过低，对C／C复合材料的各项性能无影响。     

中厚板粗轧机工作辊辊颈断裂失效分析

采用宏观断口分析、金相检验及试件的应力拉伸试验,对轧辊辊颈断裂进行失效原因分析。结果表明,此轧辊在制造过程中出现石墨球化和孕育不良等铸造缺陷,组织中石墨出现枝晶状及少量团状石墨,导致轧辊辊颈强度明显下降,在上机使用过程中即发生断裂。     

C/C 航空刹车材料的摩擦性能与组织结构初探

研究了航空刹车用C/C复合材料基体中的不同气相沉积炭的显微组织对摩擦性能的影响，实验结果表明：CVD炭的显微组织对材料的摩擦磨损性能有着重要的影响，机体中含有典型粗糙层组织结构是材料具有良好磨擦性能的保证。     

热处理对C/C-Cu复合材料钨涂层结构和烧蚀性能的影响

采用等离子喷涂技术,在C/C-Cu复合材料表面制备钨涂层,在真空炉中进行真空热处理。研究的热处理对涂层结构和氧乙炔焰烧蚀性能的影响。结果表明:未热处理的钨涂层与C/C-Cu复合材料结合良好,钨多以扁平颗粒堆叠成膜,颗粒之间有裂纹等缺陷,其物相组成主要是W。热处理后,C/C-Cu复合材料内的铜向钨涂层渗透,涂层更加致密,但基体与涂层之间的孔隙增加、结合较松散,涂层内有WC生成。氧乙炔焰30 s烧蚀实验表明,C/C-Cu复合材料的质量损失率为5.6 mg/s,未热处理的C/C-Cu复合材料钨涂层的抗烧蚀性能好,其质量损失率为0.9 mg/s,但热处理后的C/C-Cu复合材料钨涂层的抗烧蚀性能显著降低,质量损失率达12.0 mg/s。     

Fiber-Matrix interactions in brittle matrix composites

Brittle matrix composites, including carbon-carbon (C-C) and ceramic matrix, offer a new dimension in the area of high-temperature structural materials. Fiber-matrix interactions determine the mechanism of the load transfer between the fiber and matrix and resulting mechanical properties. Composites studied in this work include a C-C composite densified with a chemical vapor infiltration (CVI) pyrolytic carbon, silicon carbide fiber-silicon carbide matrix composite, and carbon fiber-silicon carbide matrix composites densified by the CVI technique. The type of the interfacial carbon in C-C composites was found to control their mechanical properties. The presence of the compressive stress exerted by the matrix on the carbon fibers was attributed to an increase in flexural strength. The transverse matrix cracking in C/SiC composites was believed to cause a lowering in the flexural strength value. Brittle fracture behavior of SiC/SiC composites was correlated with the presence of an amorphous silica layer at the fiber-matrix interface. This invited paper is based on a presentation made in the symposium “Structure and Properties of Fine and Ultrafine Particles, Surfaces and Interfaces” presented as part of the 1989 Fall Meeting of TMS, October 1–5, 1989, in Indianapolis, IN, under the auspices of the Structures Committee of ASM/MSD.     

预制体结构对平板炭/炭复合材料增密过程的影响

以不同纤维体积分数(21％、26％、32％)、不同布毡质量比(3∶1,2∶1,1∶1)的针刺整体毡为预制体,采用化学气相渗透法(Chemical vapor infiltration,CVI)制备平板炭/炭(C/C)复合材料,研究预制体结构对CVI致密化过程的影响.结果表明:随纤维体积分数增加,整体毡的增密速率及最终密度都逐渐减小:布毡比对增密速率及最终密度影响很小.材料网胎中热解炭圆壳厚度沿材料厚度方向呈内部小、两侧大的对称分布;增加纤维体积分数或增加布毡比,材料内部的热解炭增厚程度随之减小.纤维体积分数为21％的预制体最适宜采用CVI工艺进行增密,增密80 h密度达到1.69 g/cm3,热解炭生长均匀.     

CF/CVD/树脂炭复合材料的摩擦性能

采用针刺炭纤维整体毡作为骨架，经CVD致密，树脂浸渍固化增密及炭化，石墨化后制得C/C复合材料，研究了CVD炭和树脂炭含量对摩擦性能的影响。实验结果表明：CVD炭具有典型显微组织是材料具有良好摩擦性能的保证；C/C复合材料中加入适量的树脂炭不会影响材料的摩擦性能；摩擦系数大小不一定和摩损率成对应关系。     

纤维分散对C/C-SiC复合材料力学性能的影响

利用温压-原位反应法制备短炭纤维增强C/C-SiC复合材料,研究纤维分散对复合材料力学性能的影响.结果表明: 利用分散短炭纤维制备的C/C-SiC复合材料,其抗弯强度和抗压强度分别达到56.6MPa和89.3MPa.该材料纤维之间孔隙少,纤维与基体接合界面多,弯曲时有纤维拔出,为假塑性断裂行为.压缩时无纤维拔出,为脆性断裂行为.最后,利用LI V C提出的束丝数学模型证明了纤维分散有利于提高C/C-SiC复合材料的力学性能.     

纳米SiC对C/C复合材料石墨化与抗氧化性能的影响规律

本文制备纳米SiC基体改性的SiC-C/C复合材料,利用X射线衍射技术、高分辨率透射电镜等研究SiC对碳材料的石墨化度的影响.纳米SiC能够显著促进碳基体材料的石墨化度,同时通过高分辨率透射电镜在纳米SiC颗粒周围观测到明显的石墨化结构,并且距离SiC越近,碳基体的石墨化程度越高.通过静态氧化实验研究SiC-C/C复合材料的抗氧化性能.结果表明,随着SiC加入量的增加复合材料的抗氧化性显著提高,纳米SiC在高温下生成较为均匀的SiO₂保护层,覆盖在碳材料的表面,阻碍氧气与碳材料的接触,并且SiC含量越高,形成的保护层越厚,抗氧化能力越强.