软硬混编预制体增强沥青基4D-C/C材料的拉伸破坏行为

以X-Y平面依次铺设炭纤维束、Z向穿插炭棒的4D软硬混编为预制体,采用沥青液相常压、高压浸渍/炭化-石墨化循环致密工艺制备4D-C/C复合材料。通过该材料Z向(炭棒方向)的拉伸实验,测定其拉伸性能和力学行为,并采用SEM分析试样表面及断口形貌。结果表明:宏观上拉伸试样以炭棒整体拔出的形式破坏;细观尺度上,试样表面形成了与载荷方向垂直的贯穿性裂纹,裂纹以2 mm左右的距离呈等间距分布;材料进一步的破坏过程中,基体裂纹在X-Y向纤维束中呈线性扩展,快速分割了基体材料,使4D-C/C复合材料的拉伸破坏演变为1D-C/C复合材料的破坏模式,由于炭棒与基体炭界面结合弱,炭棒以拔出方式失效和破坏。

基于多维度建模的碳/碳软硬混编预制体孔隙分析与单胞模型

为探究碳/碳软硬混编预制体在压实过程初始和最终密实2个阶段中孔隙分布及变化,解决成型后孔隙率无法预测的问题。基于碳/碳软硬混编预制体成型工艺构建一种三维四向孔隙模型,在无压缩载荷和施加压缩载荷2种工况下,从单胞模型的xoy平面和xoz平面2个维度、4个方向观测孔隙;从介观和微观2个尺度研究载荷下纤维形态与截面形状变化对单胞孔隙的影响,建立了纤维尺寸截面变化与孔隙率映射关系,提出影响孔隙率的尺寸系数,使预制体最终孔隙率具有可设计性;通过单胞孔隙模型计算得到预制体在压实阶段最小孔隙率。利用万能拉伸试验机对不同尺寸的预制体进行压实致密实验,得到不同尺寸预制体所受压缩载荷与高度变化曲线,揭示了预制体高度与孔隙率的关系并得到压实致密阶段最小孔隙率。实验结果表明最小孔隙率与理论模型误差小于3%,验证了软硬混编单胞孔隙模型表征预制体孔隙率的正确性。

软硬混编预制体增强沥青基4D-C/C材料弯曲行为

以z向穿插炭棒、x-y向铺层纤维束法编织的软硬混编4D炭纤维预制体为增强体，采用沥青液相浸渍／炭化法制备了4D—C／C复合材料，研究了材料z向（炭棒方向）高温弯曲行为及损伤机理。结果表明：在室温～2100℃范围，随着温度的升高，4D—C／C复合材料z向弯曲强度呈现先增加后减小的趋势。在室温～1800℃时弯曲强度呈现增加的趋势。1800℃后随着温度升高弯曲强度开始逐渐降低，但当温度达到2100℃时其弯曲强度仍比室温下稍高。在室温一2100℃范围，随着温度的升高，软硬混编预制体增强沥青基4D—C／C复合材料。向弯曲断裂应变一直呈增加的趋势，而弯曲弹性模量总体呈减小的趋势。室温下4D—C／C应力一应变曲线几乎为线性关系，高温下4D—C／C复合材料z向弯曲破坏更加趋向于非线性的破坏模式。损伤表征结果表明，随着温度的升高，材料破坏时的最大损伤逐渐增加。