穿刺结构参数对C/C复合材料拉伸性能的影响

采用不同间距、不同根数的纤维束穿刺成型炭纤维预制体,经进一步化学气相沉积、沥青浸渍-高压炭化致密制备穿刺C/C复合材料。拉伸性能测试结果表明,穿刺间距2.1mm、穿刺束纤维根数为12K的C/C复合材料获得高的拉伸强度,Z向拉伸强度131.4MPa,XY向拉伸强度111.3MPa;随着穿刺间距减小、穿刺丝束纤维根数增加,Z向纤维含量增加,Z向拉伸强度明显提高。穿刺C/C复合材料1800℃真空条件下的拉伸强度与室温相当,拉伸模量低于室温,延伸率高于室温;常温拉伸断口较平整,且纤维/基体间的裂纹明显,而高温拉伸断口参差不齐,纤维及基体断面粗糙,呈现出假塑性断裂特征。

等离子喷涂成型钨基材料及薄壁构件研究

对小型固体火箭发动机喷管喉衬内衬用零烧蚀材料进行研究。采用大气等离子喷涂工艺成型难熔金属钨基薄壁构件,并进行材料性能表征。结果表明,等离子喷涂工艺成型钨材料经烧结、渗铜处理后,致密化程度提高,力学性能提升,压缩强度达750 MPa以上,通过试验条件为温度3 000～3 500 K、工作时间6.4 s、平均压强3.2 MPa的小型试验发动机热试车考核,材料烧蚀率为零。喷涂钨/烧结/渗铜材料可作为3 000 K条件下零烧蚀材料的候选。

一种C/C密封材料的设计与性能表征

设计并制备了一种C/C密封材料。该材料以针刺无纬布为预制体,依次进行了CVD炭、树脂炭和沥青炭致密,中间热处理温度为2 500℃,最终进行封孔不透性改性处理。所得材料的综合性能良好,其密度1.92 g/cm3,开孔率0.06%,肖氏硬度77,轴向压缩强度232 MPa,轴向弯曲强度158 MPa,并成功通过多次冷试和热试考核。

战术导弹固体发动机喉衬材料的发展趋势

结合战术导弹固体发动机对喉衬材料的技术需求,分析了战术导弹喉衬材料的发展趋势,喉衬材料从多晶石墨、再结晶石墨、热解石墨、难熔金属、纤维增强树脂,向C/C(碳/碳)复合材料发展,美国在高性能战术导弹中,采用多维C/C(主要是4DC/C)代替了石墨与纤维增强树脂喉衬材料,目前我国战术导弹使用了整体毡C/C喉衬材料。进一步指出针刺、穿刺C/C材料是我国战术导弹喉衬材料发展的方向。

密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70g/cm^3、1.82g/cm^3、1.89g/cm^3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能。结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低。当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高。材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势。材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数。材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大。热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82g/cm^3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力。在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计。

液氧/煤油发动机涡轮泵密封材料的研制

通过预制体、复合工艺路线及参数的选择,进行了高压补燃液氧/煤油发动机涡轮泵用高性能C/C密封材料的研制,分析了预制体、复合工艺对材料性能的影响。结果表明,以针刺无纬布为预制体,进行CVD碳、树脂碳和沥青碳致密,最高热处理温度为2 500℃,最终进行封孔处理所制备的C/C复合材料综合性能良好,其密度为1.92 g/cm3,开孔率0.06%,轴向压缩强度232 MPa,轴向弯曲强度158 MPa,肖氏硬度为77。该密封材料构件成功通过液氧/煤油发动机热试车考核,显示出了在该领域的应用前景。

炭材料热物理性能研究

炭材料宏观性能受微观组织多样性的影响表现出极强的多样性。实验制备几种模压炭材料,并对其热物理性能进行表征。结果表明,随着原材料中胶体石墨含量的增加,材料的电阻率下降,热导系数、热扩散率提高;材料的比热容、热导系数、线膨胀系数随温度升高而增大,热扩散率随温度升高而降低。研究结果还表明,用传统的石墨化度G参数表征多相炭材料石墨化度具有一定的局限性,而用G参数与衍射峰高相结合表征更能准确反映多相炭材料的石墨化特性。

纤维分布对C/C复合材料烧蚀性能的影响

采用电弧驻点烧蚀试验研究纤维分布对C/C复合材料烧蚀性能的影响,表征非均匀编织体结构C/C复合材料中不同大小结构单元、不同方向材料的烧蚀性能。结果表明,细化预制体结构单元,可以提高C/C复合材料的抗烧蚀性能;垂直燃气流方向的纤维与平行燃气流方向的纤维相比,纤维含量提高有利于材料抗烧蚀性能的提高。该结果可用于烧蚀C/C复合材料预制体结构的设计中。

化学气相反应法在C/C复合材料抗氧化处理中的应用

通过把硅蒸气渗入预制体孔隙与碳直接反应生成SiC的化学气相反应(CVR)方法,提高初始密度和预制体结构均不同的C/C复合材料的抗氧化能力,研究了C/C复合材料的密度变化与微观结构,并对其进行了氧化试验。结果表明,因CVR温度、C/C复合材料初始密度不同,抗氧化处理后的密度增加量有显著不同。针刺炭布C/C/SiC复合材料在马福炉中于1160℃经65min氧化后,其失重率仅2.6%,而密度为1.95g/cm3的同结构C/C复合材料相在同条件下失重率高达32%。

密封用炭/炭复合材料的摩擦磨损性能

针对液体火箭发动机涡轮泵密封件磨损量较大问题,在MVF-1A多功能立式摩擦磨损试验机上,以GCr15钢环为对偶件,研究低载荷高线速度(12N,2.25m/s)以及高载荷低线速度(50N,1.25m/s)工况条件下热处理温度不同时(2 250、2 400和2 500℃)对炭/炭(C/C)密封材料摩擦磨损性能的影响,采用扫描电镜观察摩擦表面形貌,利用能谱仪确定摩擦表面元素组成。结果表明:低温(2 250℃)热处理材料石墨化度程度低,弯曲强度高,摩擦因数小,线性磨损量大;随着热处理温度的升高,材料石墨化程度升高、界面结合强度弱化,弯曲强度降低;当热处理温度升高到2 500℃后,材料表面易形成完整致密的磨屑膜,磨损机制由磨粒磨损转变为粘着磨损,摩擦因数大,线性磨损量低。此外,在高载荷条件下,适当增大线速度(1.50、1.88m/s),有利于降低摩擦因数及线性磨损量。由此可知,采用高温(2 500℃)热处理的C/C复合材料具有良好抗磨性能,可较好地满足密封件使用要求。

熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料工艺参数研究

以针刺网胎无纬布为预制体,采用化学气相沉积(CVD)和树脂浸渍/炭化(IC)制成不同密度的炭/炭(C/C)多孔体,然后在温度为1650℃、1800℃时进行熔融渗硅(LSI)制备C/C-SiC复合材料。采用金相显微镜观察材料渗硅前后形貌,并结合熔融渗硅机理进行分析;研究多孔体密度、反应温度等因素对熔渗效果的影响。结果表明,低密度的C/C多孔体开孔率高,比表面积大,液态Si易于渗入,生成更多SiC,致密效率高;1800℃时进行熔融渗硅效果更好,所得材料的弯曲强度最高可达225 MPa。

天然气定向渗透制备C/C复合材料致密化研究

研究以天然气为主要碳源气体、渗透深度为60 mm、密度分别为0.20、0.56 g/cm3的整体毡和针刺无纬布预制体的致密化;144 h后,针刺无纬布试样的密度达到1.39 g/cm3;504 h后,整体毡试样密度为1.50 g/cm3,针刺无纬布试样密度为1.71 g/cm3,与丙烯沉积速率相比,至少高出1倍。利用工业CT对试样密度分布进行定性分析。结果表明,随着致密化周期的增加,整体毡试样和针刺无纬布试样的内外密度梯度减小;针刺无纬布的密度梯度比整体毡小,其最终密度接近均匀分布。偏光显微镜观察测试表明,两试样的热解炭结构均为粗糙层,随着高温石墨化(HTT)处理温度的升高,热解炭层变得平直,且炭层之间更加致密。

航空航天领域的炭/炭密封材料研究进展

将炭/炭(C/C)复合材料与石墨材料的性能进行对比分析,指出C/C复合材料是未来航空航天领域中很有前途的一种摩擦密封材料。对近年来国内外C/C复合材料的不透性、力学性能、摩擦磨损性能研究进展进行了概述,介绍了C/C密封材料制备工艺;分析了当前研究中存在的问题,提出了相关建议。

炭/炭复合材料在半导体制造行业的应用

综述了传统炭/炭复合材料和膨胀石墨基低密度炭/炭复合材料在半导体制造业直拉(CZ)法单晶硅炉中的应用。指出了在CZ单晶炉内炭/炭复合材料比石墨材料热场零部件的优势所在,并认为随着硅单晶直径的增大,炭/炭复合材料取代石墨材料将成为硅晶体生长炉热场系统的首选材料。

C/C-ZrC-Cu复合材料的微观结构与抗烧蚀性能

采用低温反应熔渗工艺,以Zr 2Cu合金为熔渗金属,在密度为(1.25±0.05)g/cm^(3)的毡基C/C复合材料中引入ZrC+Cu组分,以提高其抗氧化烧蚀性能。采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM),分析C/C-ZrC-Cu复合材料的相组成与微观结构,在氧-乙炔环境下考核材料的抗烧蚀性能。结果表明,C/C-ZrC-Cu复合材料形成了三维网络状(热解碳+ZrC+Cu)混合基体结构,热解碳可以有效防护高温金属熔体对碳纤维造成的损伤,ZrC和Cu的引入有效改善了抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀120 s后,线烧蚀率从毡基C/C复合材料的9.0×10^(-3)mm/s降低为-1.0×10^(-3)mm/s,主要归因于材料表面形成了相对完整的ZrO 2保护层和Cu的发汗冷却作用,对应的氧化烧蚀机制主要为ZrC、C等氧化引起的热氧化烧蚀和Cu熔化、挥发等引起的热物理烧蚀。

树脂基复合材料增韧研究进展

经过几十年的发展,国内高韧性树脂基复合材料的研究有了很大进展,但其在工程上的应用才刚刚开始,仍存在一些问题。基于国内外树脂基复合材料的增韧研究现状,总结了不同的增韧方法,从基体增韧、层间增韧和Z向增韧3个方面出发,归纳出不同增韧方法的机理以及优缺点。

C/C复合材料陶瓷功能涂层研究进展

C/C复合材料具有低密度、高比强、高比模、低膨胀系数等诸多优异的性能,是最为理想的高温结构材料,但在673K以上的高温有氧环境下会快速氧化,严重制约其应用。功能涂层技术是C/C复合材料高温防护最有效的方法。本文对陶瓷功能涂层体系最新进展进行了综述,指出了C/C复合材料陶瓷功能涂层研究中存在的问题。最后,提出了进一步开展功能涂层技术研究的建议。

热解炭涂层对C/C-SiC复合材料性能的影响

采用反应熔渗法(RMI)将不同密度的C/C坯体制备成C/C-SiC复合材料,利用化学气相沉积法(CVD)在C/C-SiC复合材料表面进行炭沉积形成热解炭涂层,选用HS-19A型肖氏硬度计测试其硬度,利用MM1000-II型摩擦磨损实验机测试摩擦性能,研究热解炭涂层对C/C-SiC复合材料孔隙率、硬度及摩擦性能的影响。结果表明:热解炭涂层可以有效地降低孔隙率,提高硬度,减小摩擦系数。

热处理温度对C／C复合材料摩擦磨损性能的影响

利用销一盘式摩擦磨损试验机研究了不同热处理温度制备C／C复合材料与GCrl5钢配副在油润滑务件下的摩擦磨损行为。结果表明，在油润滑条件下，材料摩擦系数低，其值在0．06～0．17范围内，磨损率在（1．03～2．56）×10^4mg／N·m范围，其中2100℃热处理的材料具有最低的摩擦系数和磨损率。在摩擦试验过程中，2000℃以上热处理的材料可以形成完整致密的摩擦膜，能起到润滑作用。结果还表明，随热处理温度的提高，材料石墨化程度提高，硬度降低，其磨损机制以磨粒磨损为主转向以疲劳磨损和粘着磨损占据主导地位。

熔融渗硅法制备C／C-SiC复合材料弯曲性能研究

以针刺网胎无纬布为预制体，通过化学气相沉积（CVD）及树脂浸渍／炭化（IC）致密工艺，制备出不同密度C／C多孔体，经2500℃高温处理，在1800℃进行熔融渗硅（LSI），制备出C／C—SiC复合材料，对其弯曲性能进行研究。结果表明：C／C多孔体密度低时，熔融渗硅致密效率高，但所得C／C—SiC复合材料弯曲强度低（185MPa）；随着多孔体密度的增大，渗入的硅含量减少时，材料界面结合强度适中，弯曲强度增大（225MPa）；随着渗入硅含量进一步减小，界面结合减弱，弯曲强度降低（197MPa），表现出显著的韧性断裂特征。