碳纤维复合材料编织-针刺预制体成形质量研究

编织-针刺复合成形技术可实现大厚度回转形复合材料预制体一体化成形。为研究编织-针刺复合材料预制体成形质量,试制了不同K数纱线、编织角度的编织-针刺预制体以及作为对照组的机织-针刺预制体。考虑背面针刺纤维束形貌以及基布损伤提出通过用预制体纤维束细长率χ_(f)定量表征针刺纤维束形貌。结合实际针刺预制体剥离曲线的变化特点,采用有效剥离曲线内所有波峰和波谷的平均值来对层间剥离强力进行描述。结果表明,试样纱线K数为6K时,编织-针刺预制体平均细长率相较机织-针刺预制体提升7.2%,编织-针刺预制体纤维束形貌更理想。当纱线K数由6增加至12时,机织-针刺预制体背面纤维束平均细长率提升了78.9%,编织-针刺预制体却减少了30.6%,其原因在于编织-针刺预制体刺针作用位置处纱线被挤开,增大了纤维束投影面积。编织-针刺预制体在层间剥离强力指标方面优势显著,各试样相较机织-针刺预制体提升38.0%以上,12K纱线编织-针刺预制体层间剥离强力比6K纱线大78.3%,且随着编织角由30°增加至60°,编织-针刺预制体平均剥离强力减少46.6%。

炭纤维针刺预制体增强C/SiC复合材料的制备与性能研究

以炭纤维复合网胎针刺织物为预制体,采用"化学气相渗透法+先驱体浸渍裂解法"(CVI+PIP)混合工艺,制备了C/SiC陶瓷复合材料;研究了针刺预制体的致密化效率以及复合材料的微观结构和力学性能,并与目前常用的三维编织C/SiC复合材料和预氧丝针刺织物增强C/SiC复合材料进行了对比.结果表明,针刺预制体的致密化效率明显高于三维编织预制体,在相同致密工艺条件下,炭纤维针刺织物增强复合材料和预氧丝针刺织物增强复合材料的密度分别达到2.08和2.02g/cm^3,而三维编织预制体增强复合材料的密度仅为1.81g/cm^3.炭纤维针刺复合材料的力学性能高于预氧丝针刺复合材料,弯曲强度和剪切强度分别达到237和26MPa.

不同针刺预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

在斜纹碳布/碳纤维网胎、无纬布正交/碳纤维网胎针刺圆筒预制体的基础上,通过在其结构中增加角度缠绕连续纤维,设计和研制了新型结构针刺预制体,并对比研究了不同针刺预制体结构对圆筒C/C复合材料力学性能的影响。结果表明,无纬布正交铺层针刺C/C复合材料的层剪、轴向拉伸强度都高于斜纹碳布增强针刺C/C材料,其中轴向拉伸强度达到157.0 MPa,提高了83.0%;其层剪、轴向拉伸强度均有所提高,其最大分别可达到11.68和179.0 MPa,分别提高了22.6%和14%。

针刺预制体参数对C/C复合材料力学性能的影响（英文）

通过针刺与化学气相沉积分别制备碳纤维预制体与碳基体,获得针刺C/C复合材料。研究了针刺密度、针刺深度、网胎面密度等预制体成型工艺参数对C/C复合材料力学性能的影响,并探讨了预制体体积密度与C/C复合材料力学性能关联关系。结果表明,针刺密度在20~50针/cm2之间时,C/C复合材料拉伸强度先增后减,而层间剪切强度一直上升;针刺深度在10~16 mm之间时,拉伸强度和层间剪切强度随针刺深度的提高而增加;网胎面密度在100~300 g/m2之间时,拉伸强度和层间剪切强度随网胎面密度的提高而降低;当只改变针刺密度、针刺深度、网胎面密度其中一个成型参数时,拉伸强度和层间剪切强度受预制体密度影响显著,预制体密度可作为预测C/C复合材料力学性能的一个宏观成型参数。

RTM成型针刺预制体增强糠酮树脂烧蚀复合材料性能研究

以炭布/炭网胎叠层针刺预制体为增强体,糠酮树脂为基体,采用RTM工艺制备出表面质量良好的复合材料,对复合材料的力学及烧蚀性能进行测试分析。结果表明,制备的复合材料具有良好的力学性能特别是层间剪切强度,高达66.3MPa;氧-乙炔线烧蚀率为0.0368mm/s,质量烧蚀率为0.0865g/s,烧蚀性能较好。

针刺预制体分层对燃烧室C/C-SiC热防护结构的影响

开展了针刺预制体分层对吸气式发动机燃烧室C/C-SiC热防护性能影响的实验研究。分析了针刺预制体制作过程中出现预制体分层的原因,指出缠绕张力大小是导致制体分层的因素。通过比较有分层和无分层两种情况的实验结果,发现预制体局部存在的分层,造成了C/C-SiC热防护结构在热防护实验中出现结构破坏,说明由于预制体分层会引起C/C-SiC热防护结构存在局部层间结合力弱以及局部区域存在SiC基体聚集区,从而严重影响C/C-SiC热防护的结构完整性。为了避免出现针刺预制体分层,提出了在预制体制作过程中控制环向纤维缠绕张力的大小和均匀性,并在其完成初步致密化后进行CT检测,发现可能存在的分层,并指出预制体密度大小与预制体是否存在分层有一定的关联性,应通过实验结果和检测结果的统计分析,确定合理的预制体密度大小范围。提出从宏观上预制体密度指标作为评定预制体是否存在分层的判据。

碳纤维针刺预制体增强TDE-85树脂材料细观研究

制备了一种针刺结构碳纤维织物增强的环氧树脂基复合材料,所制备的复合材料面内拉伸强度为121 MPa,水平剪切强度为14 MPa,压缩强度为290 MPa,其中水平剪切强度离散度较大,表现了碳纤维针刺预制体Z向纤维引入量的不确定性。

石英纤维准三维结构针刺预制体性能分析

本文研究了预制体内部结构对石英纤维准三维针刺预制体力学性能的影响,力学性能包括:X-Y向拉伸强度、Z向连接强度、T型剥离强度。研究表明:全网毡针刺结构、单层织物/网毡针刺结构、双层织物/网毡针刺结构预制体X-Y向拉伸强度递增;含织物预制体Z向连接强度和T型剥离强度递减。针刺成型工艺过程中短纤维迁移是Z向性能提高的关键。合理设计针刺预制体内部结构,可优化石英纤维针刺预制体X-Y向和Z向的各项性能。

一种高性能复合纤维针刺预制体的制备技术

针刺技术是预制体的自动化成型技术,现国内企业掌握的只是碳纤维的针刺技术,而不同纤维因为性能的不同,而导致针刺技术也有所不同。本文介绍了碳纤维与预氧丝纤维复合针刺的制备技术,按此技术可进行不同纤维的复合针刺,拓展复合材料的应用领域。

预氧丝纤维针刺预制体的制备方法

本文采用自行研制的全自动多功能针刺设备和新型技术生产的预制体,经现代化高科技碳/碳沉积工艺得到的产品具有收缩率小,含碳量高、不分层、耐磨性能强、耐高温、抗幅射、抗腐蚀、质量轻等优良性能,并且大大降低了生产时间与制作成本。

基于X射线原位拉伸的三维针刺预制体增强纳米孔酚醛复合材料的微观损伤演化

纤维布/网胎交替叠层针刺是一种低成本、易成型的立体织物制造技术,但是针刺的随机性会给材料的损伤演化、力学分析和性能预测带来极大的挑战。本文以纤维布/网胎交替叠层针刺增强的纳米孔树脂基防隔热复合材料为例,采用原位拉伸X射线Micro-CT技术,揭示了复合材料在轴向拉伸载荷下的损伤演化过程。并采用纤维中心线自动跟踪算法对采集的三维图形数据化处理,量化分析了纤维在拉伸过程中的角度偏转。最后基于Micro-CT重构的三维结构,建立了高精度的有限元分析模型,并进行了轴向拉伸行为分析。结果表明:复合材料中的损伤始于材料的最外层,其中网胎层中的微裂纹主要产生于针刺位点处的局部富树脂区域,而纤维布层中的微裂纹主要源于纤维束中紧密排布的纤维之间;纤维布可以通过阻隔裂纹向材料内部继续扩展的方式,提升材料的韧性;在轴向拉伸载荷下,材料中的纤维会一致地向外部发生偏转,表现出负泊松比的性质,避免了断口处的“颈缩”现象;有限元分析与实验结果吻合良好。本文的研究方法和结果可为三维复杂结构材料的微观断裂分析、性能预测与结构优化提供参考。

炭纤维针刺预制体的发展与应用

针刺预制体具有生产周期短、成本低、层间强度高、可设计性强等优点，其在高温复合材料的应用日益成熟。本文综述了国内外在针刺炭纤维预制体的成型技术、性能、应用方面的研究现状，分析了国内外差距，并对国内针刺预制体发展方向提出建议。

针刺预制体成型参数与C/C复合材料多目标力学性能响应模型研究

基于响应曲面法,采用Design-expert系统研究了预制体针刺成型参数与C/C复合材料多目标性能的相关性,构建了响应曲面数学模型。分析结果表明,针刺C/C复合材料的抗拉强度、剪切强度、压缩强度、增强预制体体密度、抗拉强度与剪切强度比值各响应模型的显著性水平P均小于0.05,且各复相关系数平方和均大于0.82,模拟值与实测值吻合程度较高,可应用于针刺C/C复合材料各项目标性能的设计与预测。当针刺密度为12.18针/cm^2、针刺深度11.68mm、网胎面密度90.55g/m^2时,增强预制体体密度可达0.42g/cm^3,针刺C/C复合材料的综合力学性能最佳,其抗拉强度为116.49 MPa、抗弯曲强度121.84 MPa、抗剪切强度19.41 MPa、抗压缩强度160.88 MPa。

C/C复合材料拉伸强度与针刺成型参数相关性研究

采用Design-expert软件设计预制体不同针刺成型参数组合试验,研究预制体针刺成型参数对针刺碳/碳(C/C)复合材料拉伸强度的影响,并构建了响应曲面数学模型,实现对针刺C/C复合材料拉伸强度的优化与预测,其模型显著性P=0.0206,各试验实测值与预测值相对误差≤10.82%,模型具有较高的拟合度。响应曲面回归分析表明:针刺深度对拉伸强度有极显著影响,针刺密度对拉伸强度有显著影响,在本研究的针刺成型参数取值范围内,拉伸强度的预测区间为42.31~91.87 MPa。通过模型优化出的针刺成型参数组合为:针刺密度11 pin/cm^2、针刺深度11 mm、网胎面密度50 g/m2,相应拉伸强度预测值为88.62 MPa,验证值为90.71 MPa,相对误差2.36%。

烧蚀型面结构对CVI+HPIC工艺制备针刺C/C喉衬等离子烧蚀性能的影响

以碳纤维无纬布/碳纤维网胎叠层针刺预制体为增强体,经化学气相渗透(CVI)联合沥青高压碳化(HPIC)工艺制备了热解碳+沥青碳双元基针刺C/C喉衬材料,利用X射线断层扫描(μ-CT)和扫描电镜(SEM)表征了材料的微观结构,采用等离子烧蚀试验考察了针刺喉衬材料X-Y纤维铺层面(0°)、Z向针刺面(90°)以及两者间过渡层面(23°、45°和68°)的烧蚀性能。结果表明,采用CVI+HPIC组合工艺能使针刺材料达到高致密态,获得了孔隙率仅为4%的C/C材料,材料内部孔隙呈离散态分布,其中98%的孔隙为小于20μm的小孔。烧蚀结果显示,针刺C/C材料不同区域的烧蚀性能存在差异,从X-Y层面(0°)到Z向针刺面(90°),其耐烧蚀性能呈先增强后减弱的趋势,68°层面耐烧蚀性能最好,线、质量烧蚀率分别为0.056 mm/s、0.050 g/s。烧蚀面纤维的排布是影响烧蚀性能的关键因素,68°层面因形成的尖端烧蚀模式占比较高,表现出最佳的耐烧蚀性能。

液相浸渍法制备针刺C/C复合材料

以T300无纬布与PAN碳纤维网胎叠层针刺预制体,高温煤沥青为浸渍剂,采用和高压浸渍炭化相结合的液相浸渍方式制备C/C复合材料。通过对材料力学、热物理性能测试及扫描电镜下显微结构的观察分析。可以得出,引入z向网胎纤维,使材料的z向剪切及压缩、x-y向拉伸及弯曲强度较整体毡C/C材料提高。同时,材料的线胀系数表现为各向异性,而热导率各向异性程度低于整体毡C/C材料,材料的制备周期缩短。

针刺C/C复合材料拉伸强度预测的深度学习模型

针刺C/C复合材料利用针刺工艺,将炭布和网胎中的面内纤维引入到铺层厚度方向,在增强层间强度的同时,针刺工艺导致针刺C/C复合材料成品中针刺位置的分布具有显著的随机性,即使在针刺密度和针刺深度相同的条件下,针刺C/C复合材料中不同针刺位置的分布,也会对其拉伸强度等力学性能造成很大的影响。利用有限元(FEM)数值模拟的方法,基于一种针刺C/C复合材料的实验数据,通过高通量计算,获得了100000个相同针刺密度、针刺深度和不同针刺位置分布的有限元模型及其对应的拉伸强度,揭示了针刺C/C复合材料中不同针刺位置分布对其拉伸强度影响的细观机理。随后,利用深度学习算法训练了预测模型,可以对任意针刺位置分布所对应的复合材料的拉伸强度进行预测,从而为优化针刺C/C复合材料中针刺位置的分布提供理论工具。

无纬布/网胎叠层针刺C/C材料的制备及性能

以无纬布/炭纤维网胎叠层针刺预制体为增强体,经化学气相渗透(CVI)联合沥青浸渍/高压炭化(HPIC)方法制备了针刺C/C材料,研究了该材料的热力学性能,并与整体毡C/C材料进行了对比。结果表明:针刺C/C材料室温及2 800℃下轴向拉伸强度分别为24.50 MPa和52.88 MPa,较整体毡C/C材料分别提高了138%和170%,且拉伸破坏模式为假塑性。针刺C/C材料热物理性能优于整体毡C/C材料,1 000℃轴向热膨胀系数仅为1.409×10-6/℃,相比降低了64%。针刺C/C材料优异的机械强度和良好的热物理性能为其在固体火箭发动机中的应用奠定了基础。

针刺炭纤维预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响

采用6K炭纤维无纬布/网胎交替叠层及12K炭纤维无纬布/网胎交替叠层,在针刺工艺,致密化、热处理工艺完全相同的情况下,制备了密度为1.8g/cm3的热解炭/树脂炭双元基体的两种C/C复合材料产品,考察了针刺预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响.结果表明,两种C/C复合材料的热学（垂直方向导热系数）、电学性能及石墨化度基本相当;而针刺6K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料的拉伸、弯曲、压缩、层间剪切强度分别为127MPa,189MPa,263MPa,24.6MPa;其平行方向导热系数为54.6W/m＆#183;K,比常规针刺12K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料相应提高了38％,32.2％,32.8％,38.9％,21％,彰显了细化针刺预制体结构单元对C/C复合材料力学性能的显著影响.

非织造异型预制体三维针刺机的设计

针对异型曲面预制体的三维针刺自动化织造关键技术需求,设计了一种可以生产高品质碳纤维异型预制体的异型预制体三维针刺机,其由针刺部件、随动针梁部件、旋转托网板部件、进料部件及机架等组成,可以实现自动化针刺异型曲面预制体制品,并且通过更换托网板的形状可以针刺出不同形状的封闭或不封闭曲面预制体制品。