化学气相浸渗2DCf/(SiC-C)复合材料的微观结构与强韧性

采用等温等压化学气相浸渗法(ICVI)制备了二维碳纤维增韧碳化硅碳二元基复合材料(2D Cf/(SiC-C)).利用扫描电镜(SEM)和背散射电子成像(BSE)研究了其基体的微观结构,并与二维碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(2D Cf/SiC)比较了室温力学性能和断口形貌.结果表明:2D Cf/(SiC-C)复合材料的基体是由SiC与热解碳(PyC)组成的多层结构,PyC基体层分布均匀而连续,且与SiC基体层结合紧密.纤维束内部PyC基体层较厚的2D Cf/(SiC-C)复合材料具有较高的强韧性,其拉伸强度、断裂应变、断裂韧性和断裂功分别比2D Cf/SiC复合材料的提高了3%、142%、22%和58%.SiC与PyC组成的多层基体使2D Cf/(SiC-C)复合材料的纤维在拔出过程中发生了两次集中拔出,且第一次集中拔出的纤维对复合材料的强韧性起主要作用.     

化学气相浸渗2D Cf/(SiC-C)复合材料的微观结构与强韧性

采用等温等压化学气相浸渗法(ICVI)制备了二维碳纤维增韧碳化硅碳二元基复合材料(2D C_f/(SiC-C)).利用扫描电镜(SEM)和背散射电子成像(BSE)研究了其基体的微观结构, 并与二维碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(2D C_f/SiC)比较了室温力学性能和断口形貌.结果表明：2D C_f/(SiC-C)复合材料的基体是由SiC与热解碳(PyC)组成的多层结构, PyC基体层分布均匀而连续, 且与SiC基体层结合紧密.纤维束内部PyC基体层较厚的2D C_f/(SiC-C)复合材料具有较高的强韧性, 其拉伸强度、断裂应变、断裂韧性和断裂功分别比2D C_f/SiC复合材料的提高了3%、142%、22%和58%.SiC与PyC组成的多层基体使2D C_f/(SiC-C)复合材料的纤维在拔出过程中发生了两次集中拔出, 且第一次集中拔出的纤维对复合材料的强韧性起主要作用.     

碳纤维上原位生长碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响

以碳毡为基底原位生长了碳纳米管（CNTs）,借助化学气相渗透制备了CNTs-C/C复合材料。研究了催化剂含量对碳纳米管生长的影响以及不同含量碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响。结果表明：催化剂对CNTs产量影响较大,且含量越多,生成的CNTs量越大;原位生长CNTs引入的催化剂会导致CNTs-C/C复合材料弯曲性能变差;CNTs的加入改变了热解碳的沉积行为,诱导了球状和锥状小尺寸热解碳的形成,减少了微裂纹的出现。适量CNTs能提高C/C复合材料的弯曲强度和模量,并改善材料的断裂行为。     

电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能

采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs), 借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体, 制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明: EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征, 该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率, 诱导了高石墨微晶堆垛高度(L_c)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(L_a)热解炭的形成; EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量: 当CNTs含量为0.74wt%时, 复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa, 比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%; 继续提高CNTs含量, 复合材料弯曲强度降低, 这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关; 同时, EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂, 复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。     

内部硅化法制备低成本C/SiC复合材料

采用内部硅化法制备了低成本C/SiC复合材料,通过三点弯曲法表征了复合材料的强度,采用X射线衍射(XRD)分析了基体组成,通过扫描电镜(SEM)研究了纤维/基体界面和复合材料断裂面的微观结构.结果表明,纤维表面沉积CVD-SiC保护涂层能够有效保护碳纤维不被硅侵蚀,调整硅粉和酚醛树脂配比使C∶Si摩尔比等于10∶ 9,可消除SiC基体中的残余自由硅.研制的低成本2D C/SiC复合材料的弯曲强度和剪切强度分别达到247MPa与13.6MPa.2D C/SiC复合材料的断裂行为呈现韧性破坏模式,在断裂面存在大量的拔出纤维,复合材料的断裂韧性(KIC)达到12.1MPa·m1/2.     

BN/SiC复合界面层对SiC纤维和PIP-Mini复合材料力学性能的影响

采用化学气相渗透(CVI)工艺, 在SiC纤维表面沉积BN和BN/SiC复合界面层, 对沉积界面层前后纤维的力学性能进行了评价。采用聚合物浸渍裂解(PIP)工艺进行致密化, 制得以原纤维、BN界面层和BN/SiC界面层纤维增强的三种Mini-SiC_f/SiC复合材料, 研究其微观结构和拉伸性能。结果表明: 采用CVI工艺制得的界面层厚度均匀、结构致密, 其中BN界面层中存在六方相, 晶体尺寸为1.76 nm; SiC界面层结晶性较好, 晶粒尺寸为18.73 nm; 沉积界面层后SiC纤维的弹性模量基本保持不变, 拉伸强度降低。与SiC_f/SiC相比, PIP工艺制备的SiC_f/BN/SiC和SiC_f/(BN/SiC)/SiC-Mini复合材料所能承受的最大拉伸载荷和断裂应变明显提升, BN界面层起主要作用。由断面形貌分析可以看出, SiC_f/BN/SiC和SiC_f/(BN/SiC)/SiC复合材料的纤维拔出明显, 说明在断裂时消耗的能量增加, 可承受的最大载荷增大。     

碳纳米管对碳/碳复合材料压缩力学性能影响

以0、5%、10%、15%和20%(质量分数)5种不同碳纳米管(CNTs)含量的全网胎针刺整体毡为预制体,经化学气相渗透方法增密后,制备出CNTs-C/C复合材料。借助万能试验机测试样品的压缩力学性能,并采用显微镜(PLM)和扫描电镜(SEM),研究了样品的微观组织结构和断口形貌。结果表明,添加纳米管后,有利于改善热解炭结构,同时提高C/C复合材料的压缩强度,且C/C复合材料的压缩强度随着CNTs添加量的增多而增大。当CNTs含量为20%(质量分数)时,复合材料的平行压缩强度为185.02 MPa,垂直压缩强度约200 MPa,相比于未添加CNTs,材料的压缩强度分别提升了36.66%和17.67%。未添加CNTs,复合材料以"假塑性"方式断裂,添加CNTs后,材料出现脆性断裂,且随CNTs含量的增加,脆性断裂方式更加明显。     

碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料研究

制备了碳纳米管(CNTs)/碳纤维(CF)/环氧树脂(EP)三元复合材料。研究了CNTs含量对复合材料层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量的影响,并采用场发射扫描电镜分析了CNTs在基体树脂中的分散情况。结果表明:复合材料性能的变化源自于CNTs在基体树脂中的分散状态。当CNTs含量为0.2%(wt,下同)时,复合材料剪切强度和弯曲强度达到最大值,分别为99.2MPa和1811.4MPa,但其弯曲模量下降了8.7GPa。当CNTs添加量达到1%时,其弯曲模量达到135.9GPa,较未加入CNTs时提高了11.1%,层间剪切强度和弯曲强度分别降低了5.5MPa和359.5MPa。     

C/SiC复合材料的动态力学性能及微观结构分析

对三种不同短切碳纤维体积含量(16%、21%、24.8%)的C/SiC复合材料利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置进行了常温下的冲击力学试验,并利用扫描电子显微镜(SEM)对试件破坏后的断口进行扫描。实验结果表明:C/SiC复合材料试件动态单轴抗压强度随应变率的增加而增大,表现出较强的应变率效应。在各个复合材料试件的断口均有明显的纤维拔出,随着碳纤维体积含量的增加,断口处被拔出的纤维数量显著增多,且拔出后的长度也相对较长,说明试件制备过程中短切碳纤维与碳化硅基体的结合较紧密,增韧效果也就越理想,由此可以推断纤维拔出是C/SiC陶瓷基复合材料的主要吸能和增韧机制。     

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。     

Microstructure and mechanical properties of carbon fiber reinforced multilayered (PyC–SiC)n matrix composites

Carbon fiber reinforced multilayered (PyC–SiC)_n matrix (C/(PyC–SiC)_n) composites were prepared by isothermal chemical vapor infiltration. The phase compositions, microstructures and mechanical properties of the composites were investigated. The results show that the multilayered matrix consists of alternate layers of PyC and β-SiC deposited on carbon fibers. The flexural strength and toughness of C/(PyC–SiC)_n composites with a density of 1.43 g/cm³ are 204.4 MPa and 3028 kJ/m³ respectively, which are 63.4% and 133.3% higher than those of carbon/carbon composites with a density of 1.75 g/cm³. The enhanced mechanical properties of C/(PyC–SiC)_n composites are attributed to the presence of multilayered (PyC–SiC)_n matrix. Cracks deflect and propagate at both fiber/matrix and PyC–SiC interfaces resulting in a step-like fracture mode, which is conducive to fracture energy dissipation. These results demonstrate that the C/(PyC–SiC)_n composite is a promising structural material with low density and high flexural strength and toughness.     

纤维表面涂层对SiC(f)/SiC复相陶瓷力学性能和界面结构的影响

报道了化学气相浸渍（CVI）工艺制备的SiC（f）/SiC复相陶瓷中纤维表面涂层对复合材料力学性能和显微结构的影响。SEM观察表明：C或B N表面涂层改变了SiC（f）/SiC复相陶瓷中纤维与基体间的强界面结合,使断裂过程中的界面解离和纤维拔出大大增加,与此同时材料的断裂韧性和断裂功明显提高。说明C或BN纤维表面涂层能够大大地改善SiC（f）/SiC复相陶瓷的脆性断裂行为模式。高分辨电镜的观察证实在CVI过程初期,纤维表面首先发生石墨界面相的沉积,该界面相具有明显的层状晶格条纹,而纤维表面C涂层为无定型态。     

SiCp/MoSi2原位反应高温热压复合工艺的研究

运用乙醇湿法混合和氩气保护原位反应高温热压方法制备了不同配比的SiCp/MoSi2复合材料,研究了原位生成的SiC颗粒对MoSi2基体材料显微结构和室温力学性能的影响.结果表明:原位反应高温热压制备SiCp/MoSi2的工艺是可行的,反应生成的适量SiC颗粒细化了基体晶粒,改善了其力学性能;与该工艺下制备的纯MoSi2相比,含40vol%SiCp的SiCp/MoSi2复合材料室温抗弯强度提高了260%,含50vol%SiCp的SiCp/MoSi2复合材料室温断裂韧性提高了50%;该种工艺的强化机制为细晶强化和弥散强化,韧化机制为细晶韧化.     

加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料疲劳剩余强度的影响

为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。      

界面涂层与基体对先进CVI-SiC/SiC复合材料性能的影响

对含有几种典型界面结构和SiC纳米线的CVI-SiC/SiC复合材料的弯曲性能和断裂韧性进行了比较研究. 研究表明: 界面涂层对SiC/SiC的力学性能至关重要, 120nm厚的碳界面涂层使材料的强度与韧性都增加一倍; 在用140nm厚的SiC层将该碳层分为更薄的两层, 形成C/SiC/C多层界面涂层时, 材料的强度没有明显的变化, 而断裂韧性则略有提高. 对基体中弥散分布有SiC纳米线的SiC/SiC的力学性能研究表明, SiC纳米线具有非常高的强化效率, 使SiC/SiC复合材料具有更高的强度和韧性.     

原位反应热压烧结SiC/MoSi_2复合材料的力学性能研究

采用原位反应热压烧结工艺成功制备了不同SiC体积分数的SjC/MoSi2复合材料,研究了SiC/MoSi2复合材料的室温抗弯强度、断裂韧性随SiC体积分数变化的规律,分析了SiC/MoSi2复合材料的强韧化机理.结果表明,SiC的加入显著提高了MoSi2基复合材料的室温力学性能,SiC/MoSi2复合材料的抗弯强度和断裂韧性均优于纯MoSi2,并且随着SiC体积分数的增加而增大;SiC/MoSi2复合材料的强化机制主要是弥散强化和细晶强化,韧化机制主要是微裂纹增韧.     

CNTs/Mg-9Al复合材料微观组织、力学及导热性能EI北大核心

研究了CNTs的加入对Mg-9Al镁基复合材料时效行为的影响,探讨了时效处理过程中微观组织、力学性能及导热性能的演变规律。结果表明:添加的CNTs增大了基体合金中铝元素的固溶度,并在时效过程中限制晶界的迁移,在二者共同作用下,促进基体中连续β-Mg_(17)Al_(12)相的析出,且随着CNTs含量的增加,连续析出的比例增大;与基体呈共格关系的杆状连续析出相能够有效地阻碍位错运动,提高复合材料的力学性能,其中峰时效态0.4CNTs/Mg-9Al复合材料的屈服强度、抗拉强度、热扩散系数和热导率分别为275 MPa,369 MPa,34.5 mm^(2)/s和68.4 W/(m·K),相较于时效前Mg-9Al合金分别提升了17%,23%,43%和45%。