测试温度对石墨和碳-碳复合材料的微观组织及摩擦磨损性能的影响

碳-碳(C-C)复合材料是一种在高温下具有优异机械性能和耐磨特性的材料,已被广泛应用于航空发动机的密封结构。相较于石墨,C-C复合材料在高温环境下可表现出更卓越的耐磨能力。本文通过化学气相渗透和前驱体热解渗透法制备的C-C复合材料可展现出良好的摩擦磨损性能。本研究制备了C-C复合材料与石墨2种试样,并在25~450℃对它们的摩擦磨损性能进行了测试。结果表明:随着测试温度的升高,C-C复合材料的磨损量呈先上升后下降的趋势,而石墨的磨损量逐渐增大;并且C-C复合材料的摩擦系数先减小后增大再减小,而石墨的摩擦系数整体呈增大趋势。在250℃时,C-C复合材料的平均磨损率达到最大,其值为12×10^(-5)g·s^(-1),石墨的平均磨损率为15×10^(-5)g·s^(-1)。在450℃时,C-C复合材料的平均磨损率仅为5×10^(-5)g·s^(-1),石墨的平均磨损率为34×10^(-5)g·s^(-1),此条件下C-C复合材料的平均磨损率比石墨降低了近7倍,呈现了其显著的耐磨效果。

离子推力器碳基材料栅极研制与应用现状及启示

离子推力器是广泛应用于空间航天任务的电推力器之一,栅极在离子推力器中承担着引出离子并加速进而实现推力的作用,直接影响推力器性能及寿命。相比于传统钼栅,碳基栅极具有热膨胀系数低、耐离子溅射高等优势,是未来高比冲、大推力、长寿命离子推力器栅极的理想候选材料,已被国外部分先进离子推力器成功在轨应用。分析对比了不同栅极材料特性,调研总结了国内外碳基栅极研制过程及技术特点,并报道了作者近期在小口径不同构型C/C栅极与一体化C/C栅极研制方面的相关进展,最后针对我国离子电推进发展趋势,提出了后续碳基栅极研究的经验启示与建议。

碳/碳-碳化硅复合材料在高超音速射流中性能研究

为了增强高超音速飞行器的热防护性能,采用轴棒法编制、化学气相渗透工艺制备碳/碳-碳化硅(C/C-SiC)复合材料试件,将试件置于高超音速射流进行烧蚀实验,测试试件的烧蚀率和力学性能;采用X射线衍射仪分析复合材料的相组成,采用扫描电镜观察试件的微观结构并分析烧蚀机理。结果表明:试件烧蚀前后的弯曲强度分别为92 MPa和84 MPa;层间剪切强度分别为10.6 MPa和9.1 MPa;线烧蚀率为0.0474 mm/s,质量烧蚀率为0.0383 g/s;复合材料中的碳纤维以热化学烧蚀为主,基体材料受热化学和机械剥蚀双重作用。复合材料中的SiC颗粒在高温下液化、沉积,提高了试件的烧蚀性能,复合材料总体表现出较好的力学性能和耐烧蚀性能。

热解碳含量对碳/碳-聚酰亚胺复合材料性能的影响

通过化学气相渗透和浸渍-固化成型工艺制备碳/碳-聚酰亚胺复合材料。首先采用化学气相渗透法对碳毡进行热解碳的沉积,制得热解碳含量分别在7.33%(质量分数,下同),14.55%,22.00%的多孔碳/碳坯体,再经过特定的浸渍-固化工艺,依次制得碳/碳-聚酰亚胺复合材料P1,P2,P3以及未添加热解碳的对照组P0。通过SEM、线膨胀系数测试和力学性能测试,探究不同热解碳含量对碳/碳-聚酰亚胺复合材料微观形貌结构、平均线膨胀系数以及力学性能的影响。结果表明:在20~300℃的温度区间,P0,P1,P2,P3的XY向平均线膨胀系数在(0.67~0.79)×10^(-6)℃^(-1)之间,四组XY向平均线膨胀系数基本相当。P1,P2,P3的Z向平均线膨胀系数较P0依次降低41.6%,41.8%,24.1%,热解碳显著降低了材料的Z向平均线膨胀系数。P0,P1,P2,P3的XY向压缩强度依次是243.91,244.73,216.65,210.79 MPa,Z向压缩强度依次是269.22,258.80,246.68,219.20 MPa,P1压缩强度与P0相当。P0,P1,P2,P3的Z向弯曲强度依次是92.77,77.11,80.71,86.06 MPa。不同的热解碳含量对材料的力学性能影响不同,较低的热解碳含量基本保持了材料的压缩强度,而较高的热解碳含量可基本保持材料的弯曲强度。

碳-碳复合材料复合防氧化涂层材料及其制备方法

对以过渡层、阻挡层和封填层组成的复合涂层的材料及其制备方法进行了探讨。确定了液态渗硅制备ＳｉＣ阻档层，常压变温ＣＶＤ制备ＳｉＣ阻挡层和液相法制备ＳｉＷ封填层的复合涂层制备工艺。研究了制备工艺参数对复合涂层防氧化性能的影响。

碳-碳编织复合材料微结构设计与力学性能预测

通过对多向编织C/C复合材料微结构的表征,研究了其多尺度的结构特征,并对各方向纤维束以及三向缎布穿刺等三维C/C编织复合材料微观组织结构进行设计,创建不同编织材料微结构的"重复性单元块"(RUC)的有限元模型。对构造的材料微结构进行了强度、热应力的分析,预测其不同方向的弹性模量、热膨胀系数以及温度对热膨胀系数的影响等,为通过数值分析方法研究C/C编织复合材料的力学性能提供了重要手段。

碳-碳复合材料羟基磷灰石涂层腰椎融合器的生物相容性研究

目的：探讨碳-碳复合材料羟基磷灰石涂层腰椎融合器的生物相容性和融合效果。方法：在8只成年雄性杂交波尔山羊L4-5或L5-6椎间隙模拟椎间融合手术,在相应椎间隙置入自制的碳-碳复合材料羟基磷灰石涂层腰椎融合器,并以克氏针后路固定。观察记录山羊术后生命体征及双下肢活动情况;分别于术前和处死动物前进行腰椎X线检查,观察腰椎融合器的位置、融合器与上下位椎体的融合情况及上下位椎体的椎间隙;分别于术后60 d和90 d各处死4只山羊,取融合的2个椎体,分别以肉眼、光镜和电镜进行组织学观察。结果：X线检查显示,术前、术后60 d和术后90 d腰椎融合器上下位椎体间距分别为（2.32±0.31）mm、（2.41±0.43）mm和（2.40±0.44）mm;术后60 d和术后90 d,与融合器相邻的终板位置有成骨现象和融合现象。组织学观察显示,术后60 d时融合器植骨区和融合器周围有骨小梁生成;术后90 d时骨小梁排列逐渐规则,融合器周围有一层纤维结缔组织生成,结缔组织逐渐变薄,融合器中间有骨组织和纤维组织长入。结论：碳-碳复合材料羟基磷灰石涂层腰椎融合器具有较好的生物相容性和稳定性,有利于植骨融合,可作为椎间融合的内固定器材。

基于PLC控制的航空碳-碳复合材料X射线数字成像检测装置的设计与研发

航空碳—碳复合材料X射线数字成像检测装置是供航空制造业中小型关键复合材料零部件X射线检测的设备。依据被检测产品的特点,该装置设计有前后、左右、上下六个自由度,可实现旋转、倾斜等运动形式。其传动系统采用步进电机和伺服电机驱动;谐波减速机、蜗杆减速机减速;滚动轴承支承、滚动直线导轨导向;滚珠丝杠、齿轮传动的方式。控制系统采用模块化结构的PLC控制,完成具体的运动执行控制。速度调节范围为0.1～3.0m/min,定位误差≤0.2mm,电机联动误差≤1ms(一个PLC程序扫描周期),根据被检工件的检测要求实现了实时多角度、全位置X射线数字成像检测。

火焰原子吸收光谱法测定铜-钛改性的碳/碳-碳化硅复合材料中高含量铜

铜-钛改性的碳/碳-碳化硅(C/C-SiC)复合材料的主要成分为铜钛碳硅,不易被常规方法溶解。采用在800~820℃先将样品灼烧20min以消除碳的干扰,再从瓷坩埚转于刚玉坩埚中碱熔,并加入盐酸和硝酸进一步溶解样品,建立了以2.0%盐酸为测定溶液介质、火焰原子吸收光谱法测定铜-钛改性的C/C-SiC复合材料中铜的方法。研究表明,铜浓度在2~12μg/mL范围内与吸光度呈良好的线性关系,线性回归方程为y=0.015 31+0.059 66x,线性相关系数R=0.999 4,方法检出限为0.011 2μg/mL。采用方法对铜-钛改性的C/C-SiC复合材料自制样品FL-2和内控样品C6分别进行测定,结果与参考值或碘量法基本一致,相对标准偏差(RSD,n=6或12)分别为0.39%和1.1%。

面向碳-碳复合材料的激光和水射流组合制孔工艺仿真建模和实验研究

针对碳-碳复合材料在孔加工过程中容易出现撕裂、分层等缺陷的问题,提出了碳-碳复合材料的激光和高压磨料水射流组合制孔工艺。先采用激光对碳-碳复合材料进行预制孔,再利用高压磨料水射流进行切割扩孔,对水射流直接冲击制孔和激光与水射流组合工艺制孔仿真过程中碳-碳复合材料内部应力和层间位移大小进行对比分析。结果表明,利用激光与高压磨料水射流组合制孔工艺,可以有效减少碳-碳复合材料在孔加工过程中受到的应力,从而减少其出现分层的现象,改善和提高了碳-碳复合材料孔的质量。通过开展相应的实验,验证了激光与水射流组合加工工艺去除碳-碳复合材料可获得较好的制孔效果,证实了模型的正确性。

碳/碳-碳化硅复合材料制备及性能研究

为了提高航母舰载机燃气导流板的性能,对碳/碳-碳化硅(C/C-SiC)复合材料开展制备和性能研究。采用轴棒法编制预制体,采用化学气相渗透工艺制备试件。将试件在舰载机的尾流中做模拟起飞工况的飞行试验。采用电子天平和千分尺测量试件的烧蚀率,采用能谱分析测量燃烧产物的成份,采用扫描电镜观察试件烧蚀后的微观形貌的变化,并对试件的烧蚀机理进行分析。结果表明:试件的质量烧蚀率为0.0405 g/s,线烧蚀率为0.0488 mm/s;试件中SiC在高温下反应生成的SiO2在碳纤维的周围沉积,形成了包鞘结构,有效地阻滞了氧化反应向内部继续传递,从而降低了试件的烧蚀率,材料总体表现出优异的抗烧蚀性能。

粒子侵蚀对碳/碳-碳化硅复合材料烧蚀性能的影响

为研究碳/碳-碳化硅复合材料(C/C-SiC)的抗机械侵蚀性能,将C/C-SiC复合材料试件置于含粒子的射流中做粒子侵蚀试验,测定试件在不同工况下的侵蚀率;对试件侵蚀后的表面和内部的微观形貌分别采用扫描电镜(SEM)和微CT进行观察,并分析损耗机理。结果表明:复合材料在含粒子时的线侵蚀率是不含粒子时的烧蚀率的2.24倍,含粒子的质量侵蚀率是不含粒子的烧蚀率的1.8倍,粒子侵蚀对试件的消耗起到了决定性的作用;复合材料在机械侵蚀作用下发生脆性破坏。

碳/碳-碳化硅复合材料在再入飞行环境中性能研究

为了研究碳/碳-碳化硅复合材料在再入飞行环境中的性能,采用化学气相渗透的方法制备碳/碳-碳化硅复合材料试件,将试件置于再入模拟环境中进行飞行试验,测量试验台热等离子体射流场的工作参数,并分析碳/碳-碳化硅复合材料的性能。结果表明,在等离子体发生器的出口处,射流场的热动力学参数呈抛物线分布;复合材料在不同区域的烧蚀形貌有很大的差异,烧蚀率和烧蚀机理不同:驻点区以气化反应消耗为主,其线烧蚀率为0.0373 mm/s,质量烧蚀率为0.0363 g/s,其他区域为氧化反应和裂解共同作用的结果,其烧蚀率逐渐降低。

碳-碳复合材料热传导性的应用

位于美国马萨诸塞州[Chelmstord的一个Triton系统公司推出低温-碳，一种新型碳．碳（C-C）复合材料，其特点是在板端的热扩散方面，能增加热传导性。该材料由体积分数70％的石墨片组成，但不同于沥青基碳纤维复合材料，

在2000℃尚可保持强度的碳-碳复合材料弹簧正式投产

碳-碳复合材料的专业生产厂家阿克罗斯公司,开发了兼有高强度、高模量和轻量特性的碳-碳复合材料弹簧,并正式提供产品。不锈钢或陶瓷制的弹簧.在高温领域强度会劣化,而本开发产品从常温至2000℃高温仍可维持60kgf/mm(588MPa)的强度,在高温下具有优良的弹簧特性。

多向细编碳／碳复合材料界面力学性能测试与表征

本文用自制装置研究了多向细编Ｃ／Ｃ复合材料纤维束性能，分析了工艺过程的影响。同时用界面微脱粘实验技术研究了Ｃ／Ｃ复合材料界面性能，给出了相应的理论模型和界面应力分布，提出了由界面脱粘力，纤维、基体和复合材料性能表征界面剪切强度的方法，为Ｃ／Ｃ复合材料优化设计提供了定量参数。结果表明：织物结构、织物编织工艺以及织物／基体复合对纤维的强度影响很大，降为原始纤维的２０％左右，对模量影响小。不同界面层次，纤维／基体的界面结合情况和界面剪切强度不同，Ｚ向纤维束中纤维／基体结合好，具有最高的结合强度，ＳＥＭ观察证实有大量基体碳在纤维上枝联。

全国最大碳-碳复合材料生产基地在长沙建成

不久前，随着南方搏云新材料公司暮云厂区一期工程竣工，南方搏云的生产能力，一下子增长了11倍，长沙一跃成为国家高性能纤维复合材料最重要的产区。

碳-碳复合材料在太阳能领域的应用

湖南南方搏云新材料有限责任公司（以下简称“南方搏云”）成立于2006年7月3日，主营业务为：研发、生产、销售新型碳-碳复合材料制品及其相关设备，并致力于将新型碳-碳复合材料应用于太阳能光伏产业。目前，南方搏云生产的碳-碳复合材料产品已应用于氢化炉热场、直拉单晶热场、多晶铸锭炉热场、太阳能电池镀膜等贯穿整个产业链的各个领域。

碳／碳复合材料表面沉积SiC的形态和成分

在ＰＡＮ碳布和沥青基体碳的Ｃ／Ｃ复合材料表面涂复了ＳｉＣ。用ＣＨ４和Ｎ，为载气的ＳｉＣｌ４作原料，用Ｈ２为稀释气，在两种气体混合比和三种温度下化学气相沉积ＳｉＣ涂层。分析表明，涂层的主要元素有Ｃ，Ｓｉ、Ｃｌ和微量Ｃａ。电镜观察表明，涂层中Ｃ原子含量为６２％时呈菜花状或云团状，而当Ｃ／Ｓｉ比接近于１时，表面呈菠萝状。

碳／碳复合材料中的立方石墨初探

在研究碳／碳复合材料的晶体结构中发现了非六方石墨结构，通过对比Ｘ射线衍射的特征峰、衍射角、衍射强度及碳／碳复合材料的理论密度，初步证实了非六方石墨即为立方石墨，并说明了立方石墨的存在，可使碳／碳复合材料的石墨化程度提高，致密性增加。