细编穿刺碳/碳复合材料等离子火炬高温烧蚀性能研究

采用等离子火炬作为高温热源，研究了细编穿刺碳／碳复合材料高温烧蚀性能。研究结果表明：随着烧蚀区域从火焰中心到边缘的变化，材料的烧蚀特性从中心区域的以热力学烧蚀为主向靠近边缘区域的以热化学烧蚀为主过渡；碳基体和碳纤维的抗热力学烧蚀性能相当，而抗热化学烧蚀和抗氧化性，碳纤维则明显优于碳基体。     

碳/碳复合材料高温抗氧化涂层研究进展

介绍了碳／碳复合材料抗氧化涂层的基本要求和近年来抗氧化涂层的研究进展，讨论了目前抗氧化涂层中存在的主要问题。对于碳／碳抗氧化涂层的研究方向，也作了简要的阐述。     

涂层碳/碳复合材料氧化机理的研究

通过高温等温氧化实验,对自制涂层碳/碳复合材料的氧化机理进行了研究.研究结果表明,涂层碳/碳复合材料的等温氧化可分为4个阶段.氧化初期,涂层的表面开始氧化,氧化失重是一个受氧气和涂层的化学反应控制,表现为氧化增重;氧化中期,氧化失重受玻璃质的形成速度和蒸发速度控制,表现为缓慢的氧化失重,氧化失重与时间的关系为直线型;随后,涂层上出现裂纹的形成和愈合过程,涂层深层被氧化,表现为较快的氧化失重;最后,涂层被局部破坏,基体被部分氧化,氧化失重直线上升.     

微结构对碳/碳复合材料界面性能的影响

通过理论模型和界面顶出实验分析了微观结构对碳/碳复合材料界面性能的影响机制。使用高分辨Micro-CT系统获得C/C复合材料界面的微观结构特征,并对界面的微观结构特征进行统计分析,得到界面微观结构尺度分布的概率密度函数。对C/C复合材料的界面层建立力学分析模型,计算获得C/C复合材料界面力学性能,在计算过程中引入界面微观结构的随机性统计分布,获得C/C复合材料界面力学性能的分布规律。设计纤维束顶出实验,测试分析C/C复合材料的界面力学性能。将力学分析模型的计算结果与界面顶出实验获得的实验结果进行对比分析,表明通过模型计算获得的界面性能的均值和离散度与实验获得的结果具有较好的一致性。      

碳／碳复合材料的高温蠕变研究

综述了外对碳／碳复合材料及碳纤维的高温的高温蠕变及蠕变机理的研究情况。     

碳/碳复合材料ICVI工艺的研究进展

综述了碳/碳复合材料等温CVI制备工艺的最新研究进展,重点介绍了致密化过程和热解碳的形成机理,并展望了今后的发展趋势.     

硅酸铝纤维/酚醛树脂复合材料高温隔热性能研究

目的考察硅酸铝纤维/酚醛树脂复合材料的烧蚀性能、高温隔热性能,同时寻求一种有多重不同隔热材料的密闭体系在高温环境下含有化学热效应的热传导过程的数值解决方法。方法将硅酸铝纤维/酚醛树脂层压复合材料用于密闭体系隔热,利用酚醛树脂高温热分解吸热的特性实现材料主动抗高温隔热的目的。用2 cm厚的硅酸铝纤维/酚醛树脂板材考察其烧蚀隔热性能。制备多层隔热材料的密闭体系进行火烧试验,火烧试验过程测试耐高温隔热材料背面温度以考察材料的隔热情况。对密闭体系包含化学热的多重隔热体系作出"等效热效应"的假设,建立体系的偏微分方程热传导模型,利用Matlab软件对模型进行数值求解,通过数值求解结果与试验测试温度的对比,验证计算结果的准确性。结果 2 cm厚的硅酸铝纤维/酚醛树脂复合材料在敞开体系经120 min单面烧蚀,其背面温度保持在140℃以下且无破坏痕迹;火烧试验中测得的无机耐高温隔热材料热分解吸热延长了其热穿透时间,密闭体系热传导模型数值解与试验结果最大偏差为37%。结论硅酸铝纤维/酚醛树脂复合材料具有良好的耐烧蚀和高温隔热性,热等效假设在解决具有化学热效应的隔热体系的传热问题具有合理性和实用性。     

碳/碳复合材料的室温和高温双轴拉伸

研制的框架、导轨、连杆式双轴拉伸装置,在普通试验机上即可实现双轴拉伸。验证了装置的可靠性,探索了室温和高温下可用的试样形状。碳/碳复合材料室温双轴拉伸结果可靠,高温双轴拉伸温度已接近1300℃。     

两种抗氧化碳/碳复合材料的高温氧化行为

用恒温热重法测定了表面经化学气相渗 SiC 的碳布层叠和碳毡抗氧化碳/碳复合材料在1300℃、空气中的氧化失重速率,并研究其高温氧化行为。氧化动力学测定结果表明,碳布层叠和碳毡抗氧化碳/碳材料在1300℃空气中1h 的平均氧化失重速率分别为0.024和0.033g/m~2·s。两种材料的氧化失重速率随氧化时间延长而减小。研究表明,材料表面 SiC 涂层中的微裂纹缺陷作为环境中氧的快速扩散通道,使得涂层底部基体的碳发生氧化。在达到稳态后,氧化速率限制过程为反应气体和产物气体通过 SiC 涂层底部气体边界层的扩散过程。     

酚醛树脂基多孔炭的制备及应用研究进展

酚醛树脂是一种常用的活性炭碳源,其独特的优势使其受到科研工作者的青睐。由于孔结构是影响活性炭性能和应用的主要因素,孔径调控是多孔炭制备过程的关键。常用的孔径调控方法有金属催化,添加造孔剂以及模板法。通过不同的造孔方法制备的酚醛树脂基多孔炭在环保、电化学、医药催化等领域有着广泛的用途。综述了酚醛树脂基多孔炭的制备和常用的孔径调控方法以及近年来主要的应用,并对其以后的研究和应用进行了展望。     

碳/酚醛复合材料烧蚀行为预报方法

为研究用于钝头体高超声速飞行器热防护系统的碳/酚醛复合材料在典型服役环境下的烧蚀机制,首先,建立了烧蚀行为的数学模型,模型考虑了材料表面热辐射、固体相的温升吸热、基体热解反应吸热、高温热解气体引射、质量引射引起"热阻塞"效应、热解气体的温升和膨胀吸热等多种能量耗散机制,并利用有限元方法实现了数学模型的求解;然后,预报了在冷壁热流为400 kW·m-2、焓值为5 MJ·kg-1的气动热环境下碳/酚醛复合材料的烧蚀行为。结果表明:在受热过程中,厚度为20 mm的碳/酚醛复合材料碳化层的深度持续增加, 100 s时的表面温度达到1420 K,背壁温度为346 K,热解气体压力达10.3 atm,碳化层深度为7.50 mm。所得结论可为具有长时间大面积热防护需求的高超声速飞行器的热防护系统设计提供支持。      

烧蚀过程中C/C复合材料的结构演变

利用SEM和TEM考察了3D C／C复合材料在电弧加热器上烧蚀后的材料表层显微组织结构变化。发现炭纤维和基体炭中的石墨微晶经过烧蚀后都得到了明显的发展。在距烧蚀表面几个纳米的深度范围内形成了高度取向的带状石墨织构，同时，在带状织构中间也形成了许多孔洞和缝隙。在距烧蚀表面几个微米的深度形成了卷曲柱状结构，在这些柱状结构周围有许多缺陷。在纤维和基体炭的界面区域，靠近纤维一侧形成了带状织构，且织构间的缝隙变大。     

碳纤维单丝带对酚醛树脂基复合材料力学性能的增强作用

将连续碳纤维束用空气梳分散成单丝状的长带, 经60 %硝酸进行表面氧化处理后用作酚醛树脂复合材料的增强材料。用红外光谱、扫描电镜等表征复合材料的微观结构, 通过力学性能测定发现, 与连续的碳纤维束增强相比, 单丝带增强复合材料的弯曲强度提高了1 倍, 层间剪切强度( ILSS) 提高了2 倍, 但冲击强度有所降低。结果表明, 碳纤维经过表面氧化和丝束分散的处理后, 能有效地提高其与复合材料中树脂基体的结合性能。      

高温炭化处理对三维五向碳/酚醛编织复合材料拉伸性能的影响

对未经炭化和经不同温度炭化处理后的三维五向碳/酚醛编织复合材料进行了纵向和横向拉伸实验, 获得了拉伸应力-应变曲线, 并确定了材料的拉伸强度、 拉伸模量、 破坏应变和泊松比等主要力学性能, 分析了这类材料经不同温度炭化处理后拉伸力学性能的变化规律。对试件拉伸实验后的破坏断口进行了宏观和微观分析, 探讨了材料的变形和破坏机理。实验结果表明: 随炭化处理温度的增加, 三维五向碳/酚醛编织复合材料的纵向、 横向拉伸强度和拉伸模量均呈先降后升的趋势, 存在一个转折温度, 超过该温度, 材料的拉伸强度和拉伸模量从下降变为上升, 但拉伸模量的变化幅度较小; 但是, 随着炭化温度的升高, 材料的破坏应变是逐渐降低的。通过形貌观察和树脂热分解机理分析, 认为在不同的炭化处理温度下, 材料的细观组织结构演变存在明显的差异, 因此造成了材料力学性能的变化。      

碳纤维丝束结构对碳纤维/酚醛复合材料烧蚀性能的影响EI北大核心CSCD

以酚醛树脂为基体,以平纹碳布和短切碳纤维两种结构形式的碳纤维为增强剂,制备碳纤维增强的碳/酚醛复合材料。采用氧/乙炔烧蚀实验对复合材料的耐烧蚀性能进行了对比性研究,采用电子拉力试验机对复合材料的弯曲性能进行表征,采用扫描电镜对复合材料烧蚀形面进行观察,并通过固体火箭发动机对复合材料的烧蚀性能进行考核验证。研究结果表明:以这两种结构形式的碳纤维为增强剂制备的碳/酚醛复合材料,其氧乙炔质量烧蚀率的大小与碳纤维丝束的大小具有正相关的特性,碳纤维丝束越小碳纤维质量烧蚀率越低,当碳纤维增强剂处于单丝状态时,复合材料的氧乙炔质量烧蚀率达到最低为0.046 g/s,并且碳纤维的型号规格对复合材料氧乙炔质量烧蚀率的影响变小。固体火箭发动机实验表明,单丝状态下的碳纤维/酚醛复合材料的抗烧蚀冲刷性能明显优于束状碳纤维/酚醛复合材料。     

三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩性能及破坏机制

针对不同编织角、 不同纤维体积分数的三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料在不同温度下进行了纵向(编织方向)压缩和横向压缩试验 , 获得了其主要压缩力学性能 , 分析了编织参数、 温度对材料压缩力学性能的影响。对试件断口进行了宏观及扫描电镜观察 , 从宏、 细观角度研究了材料的变形及其破坏机制。结果表明 , 三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩应力2应变曲线呈现明显的非线性特征 , 且温度效应明显; 编织角和纤维体积分数是影响材料压缩性能的主要参数。三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的纵向压缩与横向压缩具有完全不同的破坏机制。      

短切炭纤维增强沥青基C/C复合材料的组织特征

利用新型、高效的模压半炭化成型工艺，在大气环境下制备出了短切炭纤维增强沥青基C／C复合材料制品，并借助光学显做镜和扫描电镜对其微观组织和断口形貌进行了观察。通过分析，解释了短切炭纤维增强沥青基C／C复合材料中炭纤维损伤的形成机制，提出了作为增强体相的短切炭纤维和焦炭颗粒与基体炭之间独特的界而结构模型。研究还表明：复合材料中明显存在着基体相和颗粒相一基体相的显微结构不仅呈层片状，而且层片状的结构好像数层桔子皮，将颗粒相包裹起来，这种“桔皮包裹”式的结构与炭纤维表面的POG结构基本相似。     

载银酚醛树脂基球形活性炭的研究

通过共溶法在酚醛树脂中加入硝酸银,经球化、炭化和活化得到了载银球形活性炭。采用电感耦合等离子体质谱仪、X射线衍射、扫描电镜以及氮气吸附等手段进行表征。研究表明:加入银对活化过程具有一定的催化作用,提高了活化烧失率,使孔结构得到一定的发展,但中孔率变化不大。而同时加入聚乙二醇和硝酸银,不仅可提高活性炭的比表面积,还可显著改善其中孔的发育,进而得到具有杀菌消毒性能的球形中孔活性炭。     

Preparation and microstructural evolution of carbon/carbon composites

Carbon/carbon (C/C) composites with characteristic matrix-crack pattern are key intermediate materials for preparation of carbon/silicon carbide (C/C–SiC) composites. The C/C composites were prepared by pyrolyzing carbon fiber/phenolic resin preform. The change of density, open porosity, mass loss and specially the microstructural evolution of the composites during pyrolysis at 200–900 °C was analyzed, which provided important information for preparation of C/SiC composites by infiltration of silicon. An increasing number of regular spacing cracks were formed above 400 °C. After pyrolysis at 900 °C, the pore volume was 0.17 cm³/g, and the pores in the radius range of 2.44–122.19 μm occupied 81% of the pore volume.