碳纤维增强C—SiC梯度基复合材料研究

采用ＣＶＩ工艺均热法共沉积技术制备了碳纤维增强Ｃ－ＳｉＣ梯度基复合材料。Ｃ和ＳｉＣ的原料氛分别是Ｃ２Ｈ２ｔ ＣＨ３ＳｉＣｌ３，Ａｒ和Ｈ２分别是载流和稀释气体。基体微观结构的变化通过控制原料气体的成分配比藜得。测试了材料的力学性能、抗氧化性能和摩擦磨损性能。利用金相技术、电子探针成分分析技术、ＴＥＭ和ＳＥＭ技术观察和分析了材料的微观结构。试验结果表明，这种材料的组织结构特点是：在微观上是梯度的，即围     

(C-SiC)f/C复合材料的烧蚀性能

将SiC纤维毡与C纤维毡交替层叠, 通过针刺工艺制备(C-SiC)_f/C预制体, 采用化学气相渗透与前驱体浸渍裂解复合工艺(CVI+PIP)制备(C-SiC)_f/C复合材料, 研究(C-SiC)_f/C复合材料H₂-O₂焰烧蚀性能。利用SEM、EDS和XRD对烧蚀前后材料的微观结构和物相组成进行分析, 探讨材料抗烧蚀机理。结果表明: (C-SiC)_f/C复合材料表现出更优异的耐烧蚀性能。烧蚀750 s后, (C-SiC)_f/C复合材料的线烧蚀率为1.88 μm/s, 质量烧蚀率为2.16 mg/s。与C/C复合材料相比, 其线烧蚀率降低了64.5%, 质量烧蚀率降低了73.5%; SiC纤维毡在烧蚀中心区表面形成的网络状保护膜可以有效抵御高温热流对材料的破坏; 在烧蚀过渡区和烧蚀边缘区形成的熔融SiO₂能够弥合材料的裂纹、孔洞等缺陷, 阻挡氧化性气氛进入材料内部, 使材料表现出优异的抗烧蚀性能。     

热梯度CVI制备大尺寸C/C复合材料的致密化行为

以整体毡为纤维增强体, 采用外壁恒温控温和内壁恒温控温两种方式, 通过热梯度化学气相渗透(TG-CVI)工艺研究了大尺寸C/C复合材料的致密化行为。结果表明, 外壁恒温控温方式制备的试样密度仅为0.64 g/cm³, 呈现出两边高中间低的特点, 热解碳结构为粗糙层与光滑层相结合。而内壁恒温控温方式制备的试样密度达到0.98 g/cm³, 致密效率相比提高了73.79%, 热解碳结构为具有优异性能的粗糙层结构, 试样内部密度分布均匀。通过与外壁恒温控温相比, 内壁恒温控温方式具有较高的温度和合适的温度梯度, 致密化行为符合理想致密化模型, 能够实现大尺寸C/C复合材料由内至外的正向密度增长, 致密均匀, 致密效率高, 且碳结构优异。     

SiC晶须增强AIN基复合材料的高温氧化行为

研究了热压ＡＩＮ－ＳｉＣｗ复合材料在１２００℃～１４００℃的氧化行为，分析了晶须掺量对复合材料氧化产物，氧化过程及强度的影响，结果表明，复合材料的氧化符合抛物线规律，氧化产物为Ａｌ２Ｏ３莫来石及铝硅酸盐玻璃相，晶须掺量的变化对复合材料的氧化并无显著影响。     

微观组织结构对C/C复合材料力学行为的影响

采用快速化学液相气化渗透法制备了2D-C/C复合材料,沉积温度为1200-1250℃, 系统压力约0.1MPa.利用偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了不同沉积温度制备的基体热解碳的微观组织结构及断口形貌.实验结果表明,1200℃沉积的基体热解碳中粗糙层组织占大多数,其弯曲强度较高、韧性较低; 1250℃的基体热解碳呈现为光学各向异性程度不同的光滑层/粗糙层交替层状组织,其弯曲强度较低、韧性较高,具有非脆性断裂行为.不同微观结构的材料具有不同的强度及断裂模式,除了纤维/基体间界面结合强度不同外,不同温度沉积得到的热解碳微观结构的不同引起裂纹在不同微观结构碳层内的扩展阻力也会不同.此外,裂纹在光滑层/粗糙层界面处的偏转会导致断裂面的高低不平,从而使后者韧性增强.     

高性能制动系统用炭纤维增强炭和SiC双基体(C/C-SiC)复合材料

C/C-SiC制动材料具有密度低、耐高温、制动平稳、摩擦因数高、磨损少和环境适应性强等优点,是一种能满足高速高能载制动的高性能轻质材料。本文以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法制备C/C多孔体,然后熔融渗硅制得C/C-SiC材料;研究了C/C-SiC材料的组织结构、力学性能及其失效模式、摩擦磨损性能及机理,同时介绍了中南大学研制的C/C-SiC制动材料的应用现状。     

C/C-SiC复合材料熔融渗硅制备工艺

C/C-SiC复合材料具有许多优异的性能,如高比强度、高比模量、优良的高温性能、高热导率以及低热膨胀系数等.与其它制备工艺相比,采用熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的工艺具有操作简单、周期短、成本低等优点.综述了目前熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的研究状况.     

Modeling of Nonlinear Mechanical Behavior for 3D Needled C/C-SiC Composites Under Tensile Load

This paper established a macroscopic constitutive model to describe the nonlinear stress–strain behavior of 3D needled C/C-SiC composites under tensile load. Extensive on- and off-axis tensile tests were performed to investigate the macroscopic mechanical behavior and damage characteristics of the composites. The nonlinear mechanical behavior of the material was mainly induced by matrix tensile cracking and fiber/matrix debonding. Permanent deformations and secant modulus degradation were observed in cyclic loading-unloading tests. The nonlinear stress–strain relationship of the material could be described macroscopically by plasticity deformation and stiffness degradation. In the proposed model, we employed a plasticity theory with associated plastic flow rule to describe the evolution of plastic strains. A novel damage variable was also introduced to characterize the stiffness degradation of the material. The damage evolution law was derived from the statistical distribution of material strength. Parameters of the proposed model can be determined from off-axis tensile tests. Stress–strain curves predicted by this model showed reasonable agreement with experimental results.     

C/C-SiC复合材料高温防护研究进展

C/C-SiC复合材料具有高比强度、高比模量、高热导率、低热膨胀系数和优异的高温抗氧化性能等特点,是新一代的耐高温陶瓷基复合材料,已经被广泛地用作热结构和热防护材料、制动材料以及空间光学系统零部件等。近年来,随着高超声速飞行器和返回式航天运输工具的快速发展,飞行器面临着更多的有高热流、高压气流以及高速粒子冲蚀的环境,这对C/C-SiC复合材料的高温防护技术提出了更高的要求。C/C-SiC复合材料高温防护的研究主要集中在纤维涂层改性、基体改性和高温防护涂层等3个方面,综合近几年国内外的研究报道,从上述3个方面综述了C/C-SiC复合材料高温防护技术的研究进展,总结了各种高温防护技术的制备方法,比较了3种高温防护技术的特点,最后对C/C-SiC复合材料高温防护技术的发展趋势提出了一些见解。     

Modeling Loading/Unloading Hysteresis Behavior of Unidirectional C/SiC Ceramic Matrix Composites

The loading/unloading tensile behavior of unidirectional C/SiC ceramic matrix composites at room temperature has been investigated. The loading/unloading stress–strain curve exhibits obvious hysteresis behavior. An approach to model the hysteresis loops of ceramic matrix composites including the effect of fiber failure during tensile loading has been developed. By adopting a shear-lag model which includes the matrix shear deformation in the bonded region and friction in the debonded region, the matrix cracking space and interface debonded length are obtained by matrix statistical cracking model and fracture mechanics interface debonded criterion. The two-parameter Weibull model is used to describe the fiber strength distribution. The stress carried by the intact and fracture fibers on the matrix crack plane during unloading and subsequent reloading is determined by the Global Load Sharing criterion. Based on the damage mechanisms of fiber sliding relative to matrix during unloading and subsequent reloading, the unloading interface reverse slip length and reloading interface new slip length are obtained by the fracture mechanics approach. The hysteresis loops of unidirectional C/SiC ceramic matrix composites corresponding to different stress have been predicted.     

熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的研究进展

综述了熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的国内外研究和应用现状,重点分析了碳纤维预制体和C/C多孔体的制备,以及熔融渗硅过程对C/C-SiC复合材料性能和结构的影响,介绍了C/C-SiC复合材料作为热结构和摩擦材料在航空航天和先进摩擦制动系统中的应用,提出了C/C-SiC复合材料制备过程中存在的问题和今后研究的重点.     

硅含量对C/C-SiC复合材料性能的影响

以炭布、环氧树脂和硅粉为原料,采用温压-原位反应法制备了炭纤维增强的碳化硅复合材料(2D C/C-SiC),考察了硅粉含量对材料结构和性能的影响.实验结果表明:随着硅粉含量的增加, 材料的密度和石墨化度呈明显增加的趋势,材料的相对密度却逐渐减小,材料的弯曲强度呈现下降的趋势,但对剪切强度影响不大.在2100℃硅化处理后,材料的石墨化度由未添加硅时的21.7%增大为添加35%(质量分数,下同)时的45.2%,添加的硅与炭纤维和树脂炭反应后形成了SiC,沿炭纤维分布,材料中均不再含有自由的硅单质;当硅含量达到30%以上时,在纤维周围还有一些富碳的SiC颗粒存在.     

热处理温度对C/C-SiC摩擦材料组织结构的影响

以短切炭纤维为增强相,采用温压-原位反应法制备C/C-SiC材料,研究了热处理温度对C/C-SiC材料组织结构的影响,以及Si(1)-C原位反应机理.结果表明:试样中硅粉均匀分布于素坯内部,Si-C原位反应只需Si近程扩散即可.Si粉熔化后迅速在就近的炭源表面铺展,并与之反应生成SiC.Si(1)-C反应相对于Si(s)-C反应速度更快,反应更完全.温度越高,生成的SiC也就越多,残留Si相应减少.1500 ℃热处理后复合材料的SiC含量达到62.7%,残留Si仅为1.4%.     

开孔对平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料力学行为的影响

通过拉伸、压缩和疲劳实验结合断口显微观察并与光滑试样进行对比,研究开孔对平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料力学行为的影响.结果表明:开孔试样的拉伸行为和光滑试样一样表现为非线性,拉伸强度降低11.8%,拉伸破坏应变降低54.3%;开孔试样的压缩行为与光滑试样不同,低应力时表现为线性,应力增大到一定程度时由于裂纹闭合效应较为明显,开始表现出明显的非线性,压缩强度降低12.2%,压缩破坏应变降低54.9%;开孔试样的疲劳极限约为其极限拉伸强度的88%,与光滑试样相同;开孔试样在拉伸、压缩和疲劳载荷作用下都具有较小的应力集中系数,对开孔敏感性较小;开孔试样断口一般从孔中间穿过,破坏首先发生在试样孔边应力集中最严重的地方,断口方向与孔边初始缺陷有关.     

碳/铝复合材料的腐蚀行为

本文研究了用Na—K法制得的C/Al复合材料的腐蚀行为,并与用CVD法制得的C/Al复合材料进行了比较,指出:两种材料在蒸馏水及3.5%盐水介质中浸渍14天后,均发生了严重的腐蚀;表面粗糙给腐蚀带来不利影响;长期空气暴露将导致前种材料发生缺陷部位(晶界、C—Al界面等)腐蚀。      

C/C复合材料不同基体炭的微观结构

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪对C/C复合材料不同基体炭的微观结构进行了研究。结果表明:不同基体炭在偏光显微镜下呈现出不同的光学活性度,其平均光学活性度依次由普通沥青炭、热解炭的光滑层、热解炭的粗糙层、中间相沥青炭逐渐增强;在SEM下,普通沥青以"葡萄状"结构为主,热解炭分为块状和"皱褶状"片层状结构,中间相沥青炭为形状各异的片层条带状结构;在HRTEM下,中间相沥青炭的晶格条纹排列规整,是一种长程有序的晶体结构,晶化程度很高。XRD分析表明,材料B(中间相沥青基C/C复合材料)的石墨化度最高,层间距最小,材料D(热解炭基C/C复合材料)次之。     

A Multi-interlayer LMAS Joint of C/C-SiC Composites and LAS Glass Ceramics

Porous C/C-SiC composites were prepared through a two-step chemical vapor infiltration process,and a multi-interlayer joint of Li20-MgO-Al_2O_3-SiO_2(LMAS) was applied to join C/C-SiC composites and lithium aluminum silicate(LAS) glass ceramics by means of a vacuum hot-pressing technique.Plenty of SiC whiskers were generated in the pores of low-density C/C composites during chemical vapor deposition process,which is essentia! to form a zigzag interface structure between C/C-SiC substrate and the LMAS interlayer.The average shear strength of the LMAS joint was improved from 12.17 to 19.91 MPa after changing the composites from high-density C/C composites(1.75 g/cm~3) with a CVD-SiC coating to the C/C-SiC composites with a low density(1.48 g/cm~3).The improvement of the joint strength is mainly attributed to the formation of the inlay structure at the SiC-C/C and SiC-LMAS interfaces.     

CVI-GSI工艺制备C/C-SiC复合材料的组成结构与力学性能

采用密度为1.0g/cm~3的C/C素坯,联合化学气相渗透(CVI)和气相渗硅(GSI)2种工艺制备C/C-SiC复合材料,研究CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度对CVI-GSI C/C-SiC复合材料物相组成、微观结构及力学性能的影响。结果表明:随着CVI C/C-SiC复合材料中间体密度的增大,CVI-GSI C/C-SiC复合材料C含量增多,残余Si含量减少,SiC含量先增多后减少,CVI-GSI C/C-SiC复合材料的密度先增大后减小;随着CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度由1.27g/cm~3增加到1.63g/cm~3时,得到的CVI-GSI C/C-SiC复合材料的力学性能先升高后降低。当CVI C/C-SiC复合材料密度为1.42g/cm~3时,制得的CVI-GSI C/C-SiC复合材料力学性能最好,其弯曲强度为247.50MPa,弯曲模量为25.63GPa,断裂韧度为10.08MPa·m~(1/2)。     

金属基复合材料的微屈服行为

金属基复合材料 (MMC)的微屈服行为有其特殊性 ,主要表现在基体中的热残余应力水平和位错组态与宏观屈服阶段显著不同 ,因而表现出的力学行为也不同。本文综述了金属基复合材料微屈服行为的宏观表现和微观特性 ,并对其研究发展进行了概述 ,指出了有待深入研究的问题     

3DC/C复合材料的弯曲行为

采用三点弯曲方法测试了化学气相浸渗法(CVI)工艺制备的三维编织碳/碳复合材料(3DC/C复合材料)的性能,借助于偏光显微镜和扫描电镜研究了材料的组织结构和断口形貌,分析了密度及编织结构对材料性能和断裂模式的影响.结果表明:材料密度对弯曲强度、模量影响很大,并随试样密度的增加,3DC/C复合材料的材料的破坏模式从"假塑性"向"脆性"模式转化,"假塑性"破坏模式表现出纤维束间的剪切破坏,"脆性"破坏模式表现出纤维束的拉伸断裂.