三维机织C／C复合材料的摩擦磨损性能

采用碳纤维织造了三维角联锁和三向正交2种不同三维机织物,首先采用化学气相渗透(CVI)使其致密,再采用液相树脂浸渍/碳化的补充增密技术,制备出粗糙层结构热解碳和树脂碳双元基体C/C复合材料;对该C/C复合材料进行摩擦磨损实验,采用光学显微镜、扫描电镜对三维机织物增强的C/C复合材料的摩擦面以及磨屑形貌进行观察,对其磨损机理进行分析.结果表明:三维角联锁C/C复合材料比三向正交C/C复合材料的摩擦因数低(分别为0.40和0.48),二者的摩擦性能均稳定,后者比前者磨损量小,说明Z向纤维束有利于提高摩擦因数并降低磨损量.     

CVI-PIP法制备连续纤维增韧碳化硅基复合材料的研究

CMC-SiC是航空航天等高科技领域不可缺少的材料。先驱体浸渍热解(PIP)和化学气相渗透(CVI)是制备CMC-SiC较为理想的方法。采用PIP和CVI相结合的技术制备了CMC-SiC。结果表明,制备CMC-SiC的最好工艺是初始进行短期的CVI过程,随后再进行反复的PIP循环。     

工艺参数对CVI-TaC沉积速率的影响

利用TaCl5-Ar-C3H6-H2反应体系,采用化学气相渗透(CVI)法在炭毡中沉积TaC,并研究了CVI工艺参数如气体流速、滞留时间、沉积温度、沉积压力和H2的加入等对碳化钽在炭毡中沉积速率(用炭毡质量分数的增加来表示)的影响。研究表明:CVI-TaC受表面反应控制的最大气体流速为40 cm/s,最小滞留时间为1.2 s;沉积速率与沉积温度之间的关系不符合Arrhenius方程,沉积速率随沉积温度的升高先增加后减小,在950℃时达到最大值;在1 000℃时,CVI过程受孔隙扩散所控制;沉积速率随沉积压力的升高以及H2的加入而急剧增加。     

C／C复合材料等温CVI工艺模糊神经网络建模

C／C复合材料等温CVI工艺影响因素繁多，而效率极低，造成C／C复合材料的生产周期极长、制造成本极高。基于模糊神经网络技术及遗传算法，以有限元数值模拟结果作为网络训练的虚拟样本，建立了C／C复合材料等温CVI工艺预测系统，利用该系统挖掘得到了等温CVI工艺主要影响因素，如沉积温度，前驱气体组份比与流速等，对制件密度的作用规律，为CVI工艺的综合设计与优化提供了理论依据，提高了CVI工艺的设计水平，以期达到降低C／C复合材料制造成本的目的。     

工艺对C/SiC复合材料结构与性能的影响

介绍一种化学气相渗透与先驱体浸渍裂解联用(CVI-PIP)的工艺制备碳毡增强SiC复合材料,采用SEM分析复合材料的显微结构,采用三点弯曲法测试复合材料的力学性能,结果显示在复合材料致密化过程早期,CVI工艺致密化效率明显高于PIP工艺;与完全采用PIP工艺制备C/SiC复合材料相比,采用CVI-PIP工艺可提高复合材料的致密化效率和致密化程度,复合材料残留孔隙率从18.86%下降到5.45%;相应的,C/SiC复合材料的抗弯强度与弹性模量分别从66.43 MPa和38.43 GPa增加到112.16 MPa和68.49 GPa;采用CVI-PIP联用工艺同时能够增加复合材料与其表面CVD涂层的结合性能.     

连续旋转CVI快速制备C/C复合材料

连续旋转化学气相浸渗是在CVI原理基础上发展的一种快速制备C/C复合材料的新工艺。通过底部发热体加热使石墨衬底及缠绕其上的二维C布获得了具有低、中、高三个温度区域的合理温度场 ,使微观孔隙与宏观孔隙分别在不同的温度区进行致密化。在沉积过程中反应物气体渗入的深度仅为一层 (或几层 )C布 ,突破了一般CVI法中“瓶颈”效应对沉积温度的制约 ,使沉积速度显著提高。通过实验研究了沉积温度、反应物气体中C3H6 浓度和衬底旋转线速度等对沉积速度的影响 ,以及反应物气体在反应区的停留时间与沉积温度对C3H6 转化率的影响。     

二维碳/碳-氮化硼复合材料的力学和介电性能研究

采用先驱体浸渍裂解法(PIP)和低压化学气相渗透工艺(LPCVI)制备了2DC/C-BN复合材料。研究了CVI时间对2DC/C-BN复合材料的组分、微结构、力学性能及介电性能的影响。结果表明:随着沉积时间的延长,材料的孔隙率减小,密度延长。CVI80h后,复合材料的抗弯强度及断裂韧性达到最大值,分别为113MPa和15MPa·m1/2。随CVI时间的增加,BN逐渐填充材料内部的孔隙,减少了电磁波在材料内部的反射,降低了对电磁波多次反射损耗的能力,减小了复合材料介电损耗因子。     

树脂浸渍炭化过程中C/C复合材料孔隙演化

将炭毡预制体用化学气相渗法增密至1.0 g/cm~3后,进行树脂浸渍炭化增密.用压汞法测试了树脂浸渍炭化过程C/C复合材料孔隙率及孔径的变化,并与完全开孔条件下孔隙变化规律进行了比较.在此基础上,提出了树脂浸渍炭化过程孔隙演化模型,并用分形法进行了表征.利用SEM观察了不同浸渍炭化次数下C/C复合材料的孔隙形貌.结果表明:C/C复合材料树脂浸渍炭化过程中总孔隙率呈下降趋势,而0.04-6 μm范围的孔隙呈增加趋势,浸渍炭化过程不断有闭孔孔隙形成.树脂浸渍炭化过程孔隙演化符合分形,足一种自相似的填充演化模式,和本研究提出的孔隙演化模型类似,孔隙分形维数随浸渍炭化次数呈减小趋势.首次浸渍炭化后形成了大量的裂纹型孔隙,随着浸渍炭化次数的增加,裂纹型孔隙被逐渐填充,进一步验证了孔隙自相似填充演化模型的合理性.     

C/C复合材料热梯度CVI工艺致密化过程的非稳态温度场分析

针对C／C复合材料热梯度化学气相渗透工艺（TCVI）致密化过程温度场难以用解析法求解的问题,建立了TCVI过程非稳态温度场有限元模型,给出了该过程温度场变化的分布曲线,研究了温度场变化规律及致密化效率与沉积温度的关系,数值模拟结果与实验结果吻合较好,为提高TCVI工艺致密化效率提供了理论指导．     

纳米金刚石在表面工程领域的应用

介绍了纳米金刚石的特性以及在表面工程领域的应用.综述了纳米电镀化学镀技术、纳米粘接技术、纳米薄膜气相沉积技术、纳米复合电沉积处理技术、纳米热浸镀技术、化学气相渗透技术(CVI)等的研究情况.     

Oxidation behavior of CVI,MSI and CVI+MSI C/SiC composites

The oxidation behavior of chemical vapor infiltration(CVI),molten silicon infiltration(MSI)and CVI+MSI C/SiC composites at 500-1 400℃was studied.The oxidation below 900℃increased successively for CVI,CVI+MSI and MSI composites.However,the oxidation of CVI composite above 1 000 ℃was much faster thanthat of MSI and CVI+MSI composites. As active carbon atoms produced by siliconization of fibers during MSI process were oxidized first and decreased initial oxidation temperature.The initial oxidation temperature of MSI,MSI+CVI and CVI composites was 526,552 and 710℃,respectively.New active carbon atoms were generated due to the breaking of 2D molecular chains during oxidation,so the activation energy of three C/SiC composites was decreased gradually at 500-800℃with oxidation process,exhibiting a self-catalytic characteristic.     

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。     

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.     

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。     

B、Si改性炭/炭复合材料及其摩擦磨损特性

以低密度的C/C复合坯体为预制体,分别采用反应熔渗(RMI)、化学气相沉积(CVD)、浸渍-原位反应技术对其进行陶瓷改性.结果表明:改性陶瓷分别以SiC和c-BN的形式渗入C/C复合坯体内.摩擦试验结果表明:采用RMI技术制备的C/C-SiC复合材料摩擦因数较高,高达0.3到0.9;采用CVD技术制备的C/C-SiC复合材料的摩擦因数在0.20～0.36之间;而采用浸渍-原位反应技术制备的c-BN改性C/C复合材料的摩擦因数较低,为0.10～0.20.SEM观察表明:采用RMI技术制备的C/C复合材料的摩擦表面粗糙、未形成完整的摩擦膜,而采用另两种技术制备的C/C复合材料均形成了较完整、致密的摩擦膜.     

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-Cu复合材料的组织和摩擦磨损性能

以炭纤维针刺整体毡为预制体，用化学气相渗透（CVI）、浸渍／炭化（I／C）的方法制备密度和基体炭不同的C／C多孔坯体，采用真空熔渗将熔融Cu渗入到C／C坯体中制备C／C-Cu复合材料，利用X射线衍射、金相显微镜和扫描电镜分析复合材料的组织结构，研究复合材料的摩擦磨损性能。结果表明：Cu成功地渗入C／C坯体中，并填充了坯体的孔洞和炭纤维之间的孔隙，复合材料的主要相为Cu、C及少量的TiC相，当渗剂中Ti的质量分数达到15％时，出现微量的Cu和Ti的金属化合物相；复合材料的摩擦因数随着摩擦时间的增加而逐渐增加并趋于稳定。渗剂相同时，摩擦因数和体积磨损量随着材料密度增加而增加；坯体相同时，随着渗剂中Ti含量增加，摩擦因数增加，体积磨损减小。随着外加载荷的增加，摩擦因数和体积磨损先增后减，80N载荷时均达到最大值；与J204电刷对比，同样条件下，两者摩擦因数接近，但C／C-Cu复合材料的体积磨损量远远小于J204电刷的。     

Densification Behavior and Performances of C/C Composites Derived from Various Carbon Matrix Precursors

Three types of carbon/carbon (C/C) composites were manufactured by densifying the needled carbon fiber preform through resin and pitch impregnation/carbonization repeatedly, as well as propylene pyrolysis by chemical vapor infiltration plus carbonization after the resin impregnation/carbonization. The densification behavior and performances (involving electric, thermal, and mechanical properties, as well as impurity) of the C/C composites were investigated systematically. The results show that besides the processing and testing conditions, the electric resistivity, thermal conductivity (TC), coefficient of thermal expansion (CTE), strength, and fracture, as well as impurity content and composition of the C/C composites were closely related to the fiber orientation, interfacial bonding between carbon fiber and carbon matrix, material characteristics of the three precursors and the resulting matrix carbons. In particular, the resin-carbon matrix C/C (RC/C) composites had the highest electric resistivity, tensile, and flexural strength, as well as impurity content. Meanwhile, the pitch-carbon matrix C/C (PC/C) composites possessed the highest TC and CTE in the parallel and vertical direction. And most of the performances of pyro-carbon/resin carbon matrix C/C composites were between those of the RC/C and PC/C composites except the impurity content.     

RMI法制备穿刺C/C-SiC复合材料的微结构及烧蚀性能研究

以无纬布/网胎0°/90°叠层穿刺预制体为增强体,采用化学气相渗(Chemical vapor infiltration,CVI)、树脂浸渍碳化(Polymer infiltration carbonization,PIC)与反应熔渗(Reactive melt infiltration,RMI)复合工艺制备穿刺C/C-SiC复合材料,研究其微观组织及在C₂H₂-O₂焰中的烧蚀行为。结果表明：无纬布、穿刺纤维束由CVI+PIC制备的碳基体填充而形成致密C/C区域,RMI生成的SiC主要位于网胎层中,其含量37.3wt%。复合材料表面因过量硅化而形成了SiC富集层。烧蚀距离20mm、O₂:C₂H₂=2:1时,烧蚀600s后材料X-Y、Z向线烧蚀率分别为：0.8×10^_-4 mm/s、3.6×10^_-4 mm/s,比PIP工艺制备C/C-SiC材料烧蚀率小一个数量级。烧蚀面SiC富集层保护及被动氧化作用是材料具有优异抗氧化烧蚀性能的主要原因。随烧蚀距离由20mm向10mm减小,复合材料烧蚀率先缓慢变化后快速增大,烧蚀率快速增长阶段复合材料发生主动氧化烧蚀。