碳/碳复合材料高温动态拉伸试验技术研究

为了满足碳/碳复合材料和高温动态拉伸试验需求,将大电流加热装置应用于旋转盘式霍普金森拉杆装置,以实现试验所需高温环境加热试样,并辅以水冷装置构成升温系统,同时使用红外测温装置检测和采集系统温度,共同构建碳/碳复合材料的高温动态拉伸试验系统,并采用数值分析模拟不同试样参数对温度均匀性的影响,确定试样尺寸参数。基于所得系统获取了碳/碳复合材料在室温~1 300℃的高温动态拉伸应力-应变曲线。试验结果表明,随温度上升,试样的破坏应变和应力均呈下降趋势。建立的高温动态拉伸试验系统可为开展碳/碳复合材料高温动态拉伸力学性能提供试验技术支持。

三维四向碳/碳复合材料力学性能预测与试验验证

针对三维四向碳/碳复合材料力学性能预测问题,基于参数传递多尺度分析方法建立微结构模型,并结合细观力学方法实现了基本力学性能的预测。首先在微观尺度采用随机扰动算法构造出纱线体积代表单元(RVE)模型,预测得到纤维束有效性能参数。同时,采用观察试验法构建三维四向碳/碳复合材料细观RVE模型。最后通过均匀化理论准确预测了复合材料弹性性能参数,并讨论了纱线填充因子对三维四向碳/碳复合材料弹性性能参数的影响,开展了相关试验。结果表明:建立的多尺度有限元模型的拉伸模拟预测结果与试验结果误差在5.5%左右;复合材料弹性性能参数对纱线填充因子的敏感度各不相同。

考虑编织角动态变化的3维编织碳/碳复合材料高温剩余刚度模型

为研究3维编织碳/碳复合材料在高温环境下的疲劳特性,建立了一种编织角与循环数相关的编织角动态变化模型,将其引入考虑温度的单向复合材料剩余刚度模型中,根据应力、编织角的变化以及温度等因素的影响,建立了3维编织复合材料高温疲劳剩余刚度模型。在700℃的大气环境下,对添加抗氧化涂层的3维编织碳/碳复合材料进行了拉-拉疲劳试验,获取了剩余刚度、剩余强度以及试验段长度等参量。结果表明:在700℃下3维编织碳/碳复合材料在拉-拉疲劳加载初期的剩余刚度显著提高,然后保持稳定,在接近疲劳寿命时突降;剩余强度经105循环后比初始强度提高了19.75%;在疲劳过程中的迟滞回线面积随着循环数的增加逐渐增大;高温剩余刚度模型对700℃下剩余刚度试验数据拟合度较高,且通过编织角动态变化模型求得的不同循环数下编织角模拟值与试验值的误差小于5%。

碳/碳复合材料的致密化工艺综述

碳/碳(C/C)复合材料是新材料领域重点研究和开发的一类战略性高技术材料。随着C/C复合材料在多个应用领域的不断发展,与之相关的致密化工艺也在发展中逐步深化,多种致密化工艺的混合发展和应用也成为材料领域的研究热点。本文综述了C/C复合材料制备过程中所采用的致密化工艺,详细分析了液相浸渍法和化学气相渗透的工艺原理,并对各种致密化工艺的优缺点进行了对比,最后分析了现有致密化工艺存在的不足,并对C/C复合材料今后的发展做了展望。

改性碳/碳复合材料疲劳试验后的断裂行为及剩余强度预测

对改性碳/碳复合材料多层板试样在应力比0.1,-1下进行一定循环周次的疲劳试验后,再进行单向拉伸试验,测得复合材料的平均剩余强度;选择疲劳后具有规整穿透型裂纹的试样,基于其裂纹形貌在Abaqus软件中建立有限元计算模型,计算得到该试样的临界应力强度因子,并以此作为断裂判据对其余试样的剩余强度进行预测,并与各试样的实测剩余强度进行对比。结果表明:试样断口上的疲劳裂纹均呈I型断裂模式,在应力比0.1,-1下的剩余强度均值分别为252.3,258.8 MPa;疲劳后具有规整穿透型裂纹的试样的临界应力强度因子为630 MPa·mm^(1/2),以此作为断裂判据得到其余试样的预测剩余强度与实测值的相对误差均小于5.5%,说明该方法预测精度较高。

基于栅极用碳/碳复合材料铺层角度的优化

离子推力器是航天器的加速装置,其栅极用碳/碳复合材料部分采用铺层方法制备而成。本文以铺层法制备栅极材料为背景,为了观察不同铺层角度对碳/碳复合材料在同等静压力的冲击下发生的结构变化和形变程度影响,通过使用T700碳纤维/酚醛预浸带为原材料制备得到2mm厚的碳/碳复合材料单向层合板,对其进行力学性能测试,并得到相关力学性能参数,从而建立有限元模型对不同铺层角度复合材料进行仿真模拟分析。最后通过仿真结果分析,在同等静压力冲击下,[0/90]9铺层结构变形程度最大,且已经发生失效,材料被破坏,而[0/45/90/-45]5铺层结构变形程度最小,且材料结构完整性较好,在此实验条件下,是最稳定的铺层结构。

旋转超声铣削碳/碳复合材料表面三维粗糙度研究

为了改善碳/碳复合材料铣削表面质量,提升其使役性能,开展了旋转超声铣削碳/碳复合材料表面粗糙度的研究。首先研究了端铣表面三维粗糙度Sa、Sq、Sku和Sdr随主轴转速、进给速度、切深和超声电流的变化规律。其次,分析了旋转超声侧铣对不同纤维切角下三维粗糙度的影响特性。最后分别从端铣和侧铣的角度讨论分析了超声振动对表面质量的改善机理。试验结果表明:施加超声场能后端铣表面粗糙度幅度参数Sa和Sq不仅降低了约20%,而且随加工参数的增加,波动性减小,变化趋势更加明显。侧铣时超声振动使得碳/碳复合材料在不同纤维切削角下的Sa和Sq减小了10%~33%。此外,旋转超声铣削表面界面扩展比Sdr在端铣和侧铣中都有较大幅度的减少,最高可达65%,有效减少了碳/碳复合材料表面的空隙和裂纹。

宽度方向切削的三维编织碳/碳复合材料拉伸试验研究

对完整的三维编织碳/碳复合材料宽度方向的两边进行切削加工,开展了试验段宽度分别为8、13、16、21、25 mm,以及试验段长度分别为2.9、4.7、10.7、15.6、25.6 mm试验件的拉伸试验,研究切削后试验段宽度、长度对三维编织碳/碳复合材料弹性模量和拉伸强度的影响.结果表明:弹性模量及拉伸强度随试验段宽度的增大而减小,拉伸强度会趋于切削强度极限;当宽度为8和25 mm时,切削后试验件的拉伸强度分别为未切削的23.33%和84.96%,弹性模量分别为未切削的67.04%和87.96%;随着试验段长度的增加,拉伸强度和弹性模量逐渐降低;当试验段长度为2.9和25.6 mm时,切削后试验件拉伸强度为未切削的91.17%和58.25%,弹性模量为未切削的94.14%和76.99%;采用指数函数对试验结果进行拟合,得到了切削后试件拉伸强度随试件宽度和长度的数值关系和演化规律.

碳/碳复合材料室温和700℃面内剪切疲劳试验

为了研究高温环境碳/碳复合材料面内剪切疲劳特性,以含防氧化涂层的[±45]4S铺层碳/碳复合材料为研究对象,开展了室温和700℃下的拉/拉疲劳试验。结果表明:碳/碳复合材料面内剪切剩余刚度变化呈横向的“S”形,对比室温环境,在700℃下碳/碳复合材料面内剪切疲劳在中期损伤时的刚度降低趋势更为明显,在室温时发生疲劳断裂的剩余刚度为初始刚度的82%,而在700℃下则降低至初始刚度的68%;在室温环境下碳/碳复合材料在33%和66%循环数后的面内剪切剩余强度分别为初始强度的95.20%和85.70%,当温度升高为700℃时,分别为96.43%和85.59%。基于损伤因子的刚度和强度表征,考虑温度、应力水平的影响,建立了碳/碳复合材料剩余刚度、剩余强度模型,较好地拟合了试验数据,高精度地获得了室温和700℃下碳/碳复合材料面内剪切疲劳剩余刚度、剩余强度理论曲线,为后续复杂碳/碳复合材料结构件疲劳寿命预测提供了重要数据。

碳/碳复合材料的发展及应用研究

碳/碳复合材料作为新型结构材料具有优异的力学性能、低热膨胀系数、耐热冲击以及耐烧蚀等优异性能,在较宽的温域范围内拥有较好的抗蠕变性能和较高的强度保留率,是新材料领域重点研究和开发的一类战略性高技术材料。本文阐述了碳/碳复合材料的优势以及综述了碳/碳复合材料的发展阶段,重点针对航空航天、光伏产业、汽车、半导体、工业领域以及生物医学等领域进行应用探索,本文认为碳/碳复合材料正从过去的双元复合逐步向多元复合的方向发展,未来碳/碳复合材料会向多功能复合材料方向发展,其应用领域也将更加广泛。

碳/碳复合材料钎焊研究现状

由于其自身因素制约,碳/碳复合材料的单独使用在一定程度上受到限制,与其他材料实现高质量连接是其发展必须解决的问题。综述了碳/碳复合材料钎焊的研究现状,目的旨在简要介绍碳/碳复合材料的发展情况、最新应用领域及碳/碳复合材料目前具有的连接方法,并着重介绍碳/碳复合材料直接钎焊和间接钎焊的方法和机理,分析了当前研究所存在的主要问题并对于其钎焊连接中存在的一系列问题提出了一些可行性的解决方法,最后对碳/碳复合材料连接的研究前景进行了展望。

含金属碳/碳复合材料滑板在高速动车组上的应用研究

浸金属碳滑板因其优异的导电性、耐磨性应用于部分300 km/h以上动车组,但在使用过程中存在崩边、掉块的现象。碳纤维以其高强度、高导电等特性,被引入碳、铜基体,形成了含金属碳/碳复合材料。研究了含金属碳/碳复合材料滑板在动车组上的应用,并与浸金属碳滑板进行了比较。结果表明:与浸金属碳滑板相比,含金属碳/碳复合材料滑板具有质量轻、抗冲击性能好的特性,在使用过程中,未出现崩边、掉块现象,使用寿命较浸金属碳滑板更长。含金属碳/碳复合材料滑板能更好地适应CR450动车组高速、大电流的使用工况。

碳/碳复合材料加筋板结构热声疲劳应力计算与寿命预估

高超声速飞行器中大量使用复合材料薄壁结构,而高温强噪声的恶劣工作条件严重影响复合材料薄壁结构的耐久性和完整性。利用有限元方法计算两边固支碳/碳复合材料加筋板在不同温度和声压级下的振动响应,得到危险点的应力响应时间历程、应力均方根值与应力功率谱密度。使用优化的雨流循环计数法对碳/碳复合材料热声疲劳动应力响应进行循环计数,分析热噪声载荷下加筋板危险点的应力响应情况,并结合线性损伤累积理论和疲劳寿命曲线预估结构的疲劳寿命。将结果与国外热声疲劳试验结果进行对比,验证了所提方案计算仿真的正确性。

碳/碳复合材料导热性能的研究

对碳/碳复合材料在不同温度下的导热性能进行了研究。研究发现了碳/碳复合材料的导热机理介于金属材料和非金属材料之间,既有声子导热,又有电子导热。在实验温度范围内,导热系数随温度升高而增大。随碳/碳复合材料石墨化程度的增大,晶体微观结构渐趋完整,石墨片层的有序度增加,材料的导热性能增强。对于高密度的碳/碳复合材料,因为晶粒间联通状态良好,热传导载体运动的路径畅通,所以导热系数高。碳纤维及围绕纤维生长的热解碳是热传导的有效通道,所以沿纤维增强方向的导热系数高。

碳/碳复合材料MoSi_2/SiC涂层在动态氧化环境下的性能研究

为了考察MoSi2/SiC防氧化涂层体系在动态氧化环境下的防护能力,对碳/碳复合材料MoSi2/SiC涂层试样在1100～1500℃下进行了高温燃气高质流冲刷环境下的氧化试验。结果表明,在1100～1500℃的燃气动态环境下,具有稳定的氧化失重速率,氧化失重曲线近似呈直线关系,氧化失重和氧化失重速率均随着氧化温度的升高而降低,表现出该涂层抗高质流冲刷和氧化的能力随温度的升高而提高,在该温度区间内,随着温度的升高,具有更优异的抗氧化和抗高质流冲刷的能力。

碳/碳复合材料表面诱导沉积生理磷灰石层

在碳／碳复合材料表面通过离子束辅助沉积技术形成一氧化钛镀层，经浓碱液处理后呈多孔网状，该氧化钦网状结构可在模拟体液中诱导沉积出生理磷灰石层，从而实现了碳／碳复合材料的仿生活化．

基于酚醛树脂的碳/碳复合材料在高温分解过程的微结构演变

采用热压成型方法制备碳／酚醛树脂预制体，再经高温碳化得到开气孔率为27％、密度约1．27g／cm^3并具有预期孔隙结构的碳／碳复合材料。研究了200～900℃预制体转化为碳／碳复合材料过程中，材料的密度、开气孔率、失重率、以及内部微观结构随温度的变化。分析了材料在高温分解过程中微观结构演变规律。结果表明，酚醛树脂主要在400～700℃大量分解，其分解速率约为其余温度范围的4倍，该温度范围失重率增加了14％、开气孔率增加了18％。在高于400℃时形成大量裂纹与孔隙，随着温度升高裂纹增多并进一步扩展，900℃碳化后形成一种连通的特征性微观裂缝网格模式。高温分解后碳／碳复合材料中总孔容约0．17cm^3／g，其中81％的孔隙半径在122．190～2．440um范围内。

国内碳/碳复合材料高温抗氧化涂层研究新进展

重点阐述国内近几年来碳/碳复合材料抗氧化涂层的研究新进展,总结碳/碳复合材料高温抗氧化涂层制备新工艺和对已有工艺的改进方法,结合碳/碳复合材料的应用背景对抗氧化涂层的发展趋势进行展望。指出目前的研究结果尚达不到严酷环境下的应用要求,下一阶段碳/碳复合材料高温抗氧化涂层将重点解决室温至1700℃全温度段和高温燃气高速冲刷环境下对碳/碳复合材料的氧化保护问题,降低涂层制备成本的同时,开发可长时间应用于1800℃的高温涂层。

碳/碳复合材料表面声电沉积/碱热处理复合工艺制备羟基磷灰石生物活性涂层研究

通过碱热处理工艺对碳/碳复合材料表面阴极声电沉积的磷酸钙生物陶瓷涂层进行处理,使其转变为磷灰石涂层,采用SEM,EDAX,FTIR,XRD等研究了涂层组成、结构和形貌的变化,并采用拉伸测试评价了涂层与基体的结合力,用SEM观察了涂层的断口形貌。结果表明:用声电沉积技术获得的片状透钙磷石涂层经碱热处理后而得到磷灰石涂层,涂层与基体形成了化学键合,且结合紧密,涂层的形貌没有显著变化,但涂层的致密度有所增加;拉伸测试表明涂层与基体的结合强度最大可达4.2MPa以上,涂层的失效部位主要在涂层内部,其失效方式为涂层的内聚破坏和界面脱粘。

中间相沥青基碳/碳复合材料的组织与性能

以3KPAN基碳纤维为增强体,以中间相沥青为基体前驱体,采用压力浸渍碳化工艺制备出2D中间相沥青基碳/碳复合材料。研究分析了材料的偏光组织结构、弯曲性能及弯曲断口形貌,结果表明:基体碳的组织结构随碳化压力的不同而变化,低压时以小域组织为主,高压时以广域流线型组织为主;材料的抗弯强度、密度随碳化压力的增加而增高,最高抗弯强度可达278MPa;断裂特征与材料的密度、界面结合状况有关,密度较高、界面结合适中时,弯曲断口以纤维断裂、纤维拔出为主,材料具有韧性断裂特征。