基于单颗金刚石划擦的单向C_(f)/SiC复合材料去除机理

为研究单向C_(f)/SiC复合材料划擦去除机理,采用单颗金刚石磨粒开展准静态划擦试验,分析不同压痕载荷下划擦材料的声发射信号变化,结合SEM形貌分析材料的去除行为和划擦去除机理。试验结果表明:声发射信号强度随着压痕载荷增加而增强,相同参数下SB方向信号值更大,信号波动更剧烈。结合声发射信号与SEM形貌分析,得出材料在不同方向的划擦去除行为,材料以脆性去除为主,SA方向纤维以拉伸断裂和纤维拔出为主,SB方向纤维主要断裂方式为弯曲断裂和剪切断裂。根据SEM形貌分析,阐述去除行为的形成过程,即解释材料划擦去除机理。

三维编织C_(f)/Al复合材料T型件振动疲劳性能

采用真空压力浸渗法制备的三维编织C_(f)/Al复合材料具有良好的力学性能,在航空航天等领域的应用上具有较大潜力。本工作以三维编织C_(f)/Al复合材料为研究对象,对其在不同加载应力下进行振动疲劳实验,并观察疲劳实验后其断口处的微观结构。结果表明:加载应力越大,达到疲劳稳定阶段时T型件的固有频率降幅百分比也越大,即对T型件内部结构的破坏也越显著;对不同加载应力下的疲劳数据进行拟合,绘制S-N曲线,得到T型件振动疲劳损伤演变规律的数学模型,可用于预测三维编织C_(f)/Al复合材料的疲劳寿命;对实验后T型件进行断口处的宏观和微观分析,发现实验后的T型件呈现典型的脆性断裂特征。

C_(f)/SiC复合材料铣削特性的三维有限元分析及试验验证

碳纤维增强碳化硅(C_(f)/SiC)复合材料具有高强度、耐磨损和各向异性等特点,导致材料加工非常困难。本文开展了聚晶金刚石(PCD)刀具铣削C_(f)/SiC复合材料的三维有限元仿真和试验,研究了复合材料的切削特性;研究了加工参数对切削力的影响,以及不同纤维切削角下的材料去除机理。通过用户自定义的子程序在ABAQUS/CAE软件中建立了有限元切削仿真模型,仿真分析了加工参数对切削力的影响,并开展了验证试验。结果表明,有限元仿真和试验得到的X和Y方向的切削力具有良好的一致性。随着切削速度的增加,切削力降低;随着每齿进给量的增加,切削力升高。当沿着纤维方向进行切削时,刀具刃口的应力最小;随着纤维切削角的增大,刃口应力升高。本文可为C_(f)/SiC复合材料切削特性研究提供指导。

TiB_(2)纳米涂层改性碳纤维增强Mg基复合材料的微观结构及力学性能

采用新颖的溶胶-凝胶与碳热还原相结合的方法,对M55J连续碳纤维(Cf)表面进行TiB_(2)纳米涂层改性。首先,制备了掺杂五硼酸铵(NH_(4)B_(5)_(O8)的)TiO_(2)溶胶(0.2 mol/L)(Ti与B的物质的量比为1∶2),然后将其均匀涂覆到C_(f)表面。XPS分析表明,经1350℃烧结120 min后,C_(f)表面涂层发生原位反应并生成了TiB_(2)。采用压力浸渗法分别制备了体积分数为40%和50%的Cf增强镁基(C_(f)/Mg)复合材料,其抗弯强度分别达到720 MPa和870 MPa。然而,对比实验表明Mg基体不能浸渗到无涂层的C_(f)预制体中。HRTEM分析表明,厚度为20~30 nm的界面层由TiB_(2)和少量的TiC、TiO_(2)纳米颗粒组成。C_(f)表面的TiB_(2)纳米涂层可以改善C_(f)与Mg基体之间的润湿性,提高C_(f)/Mg复合材料的力学性能。

压力−速度因素对C_(f)/PF-Cu复合材料载流摩擦磨损性能的影响

采用模压法制备了一种新型的炭纤维混杂铜网增强树脂基复合材料(C_(f)/PF-Cu复合材料),并在销盘式载流摩擦磨损试验机上进行了试验。在电流分别为0 A和50 A条件下,研究压力(p)−速度(v)因素(简称pv因素,数值分别为5、10、15、20、25、30和35 MPa∙m/s)对C_(f)/PF-Cu复合材料载流摩擦磨损性能的影响。结果表明:在非载流条件下,摩擦因数随pv值的增加呈逐渐下降趋势,质量磨损率则呈缓慢增加趋势,变化均非常小。在载流条件下,摩擦因数随pv值的增加变化不大,而质量磨损率则变化剧烈;当pv值在15~35 MPa∙m/s范围时,质量磨损率随pv值的增加而急剧增加。在载流摩擦磨损过程中,随着pv值的增加,摩擦磨损机制逐渐由磨粒磨损转变为黏着磨损,在pv值达到35 MPa∙m/s时则表现为显著的氧化磨损和熔融喷溅。

200NC_(f)/SiC复合材料推力器研制

为了研制C_f/SiC复合材料推力器,对C_f/SiC复合材料物理性能进行了试验研究,测试了C_f/SiC复合材料在空间复杂环境下的适应性及力学性能;采用化学气象沉积法制备抗氧化涂层;采用自动缠绕成型工艺制备C_f/SiC复合材料喷管;采用Ti-Ni复合钎料进行了高温钎焊试验,获得了最优的钎焊工艺参数,完成了C_f/SiC复合材料与金属铌的钎焊连接;制备了试验样机并进行了热试车考核。结果表明,C_f/SiC复合材料在经历各种空间环境后,仍可保持良好的力学性能,涂层具有较好的抗氧化能力。热试车过程中,稳态试车室压平稳,脉冲工作时,推力器响应迅速,脉冲一致性好;燃烧效率达到设计要求,钎焊缝结构完好,C_f/SiC复合材料喷管无明显烧蚀,热试车圆满成功。

基于深度学习的平纹C_(f)/SiC复合材料原位拉伸损伤演化与断裂分析

为揭示平纹C_(f)/SiC复合材料的拉伸损伤演化及失效机理,开展了X射线CT原位拉伸试验,获得材料的三维重构图像,利用深度学习的图像分割方法,准确识别出拉伸裂纹并实现其三维可视化。分析了平纹C_(f)/SiC复合材料损伤演化与失效机理,基于裂纹的三维可视化结果对材料损伤进行了定量表征。结果表明:平纹C_(f)/SiC复合材料的拉伸力学行为呈现非线性,拉伸过程中主要出现基体开裂、界面脱黏、纤维断裂及纤维拔出等损伤;初始缺陷易引起材料损伤,孔隙多的部位裂纹数量也多;纤维束外基体裂纹可扩展至纤维束内部,并发生裂纹偏转。基于深度学习的智能图像分割方法为定量评估陶瓷基复合材料损伤演化与失效机理提供了有效分析手段。

激光辅助高速微车削C_(f)/SiC陶瓷基复合材料切削力影响因素试验研究

C_(f)/SiC陶瓷基复合材料作为一种新型耐高温材料,在航空航天领域具有广泛的应用前景,但难加工特性带来了新的挑战。采用激光辅助高速微车削机床在C_(f)/SiC陶瓷基复合材料上进行外圆切削加工,以主切削力F_(z)为目标,优化C_(f)/SiC陶瓷基复合材料的切削参数。分别采用单因素试验与多因素正交试验研究工件转速n、切削深度a_(p)、进给速度v_(f)与功率密度q对x、y和z 3个方向切削力的影响规律,通过方差分析法指出各加工参数对F_(z)影响的主次顺序及最优参数组合。试验结果表明:与常规高速微车削相比,激光辅助高速车削技术能够改善各个方向切削力大小,切削力最大降低81.436%;各试验因素对F_(z)的影响从大到小依次为q>n>a_(p)>v_(f);最优加工参数组合为:q=400 W/mm^(2),n=4 000 r/min,a_(p)=20μm,v_(f)=20 mm/min时,F_(z)最佳为1.831 N。

料浆刷涂针刺法制备C_(f)/C-ZrB_(2)复合材料及其力学性能

以天然石墨粉、ZrB_(2)粉末、醇溶性酚醛树脂粉末及炭纤维毡、炭纤维无纬布为原料,采用料浆刷涂、针刺、温压固化、高温碳化工艺,结合化学气相沉积工艺,制备C_(f)/C-ZrB_(2)复合材料。通过阿基米德排水法测试密度及孔隙率,采用扫描电镜分析及力学性能测试等手段,研究料浆固含量对C_(f)/C-ZrB_(2)多孔坯体中基体粉末分布的影响,以及对C_(f)/C-ZrB_(2)复合材料力学性能的影响。结果表明:料浆固含量增加,坯体中基体粉末分布的均匀性提高,材料力学性能随浆料固含量的增加呈现先升后降的趋势,当料浆固相体积分数为15%时,材料抗弯强度达到121.86 MPa。

2.5D机织C_(f)/Al复合材料热残余应力与热变形细观力学分析

采用细观力学数值模拟与热性能实验结合的方法,研究2.5D机织C_(f)/Al复合材料降温热变形行为和热残余应力分布。根据解析法计算的纱线轴/横向热膨胀性能和纱线空间分布结构,建立复合材料细观力学有限元模型,计算得到的宏观热应变-温度曲线与热变形实验曲线吻合较好。复合材料制备后经纱和纬纱主要处于残余压应力状态,且纬纱表现出较高的残余应力水平;基体合金则主要处于残余拉应力状态,最大拉应力出现在经纱界面处并导致经纱与纬纱之间的区域出现局部界面脱粘,降低热残余应力是改善复合材料力学性能的重要技术手段。

浆料注射法制备C_(f)/SiC-ZrC复合材料的力学和抗氧化性能

以SiC粉和ZrC粉为原料,配制固含量体积分数为30%的水基陶瓷浆料,分别采用浆料注射法和真空浸渍法将浆料引入到密度为0.2 g/cm^(3)的碳纤维预制体中,结合化学气相渗透和反应熔渗工艺制备C_(f)/SiC-ZrC复合材料。观察分析素坯和C_(f)/SiC-ZrC复合材料的形貌与组织结构,测定复合材料的密度、开孔率、抗弯强度和抗氧化性能等。结果表明,相比真空浸渍法,浆料注射法能一次将SiC粉和ZrC粉均匀引入碳纤维预制体中,坯体体积一次填充率为37.3%。注射法制备的复合材料平均密度为2.91 g/cm^(3),中心和外层的抗弯强度相差较小,分别为41.12 MPa和43.90 MPa,材料的断裂方式均表现为假塑性断裂。样品在空气中氧化120 min后,表面形成较连续致密的氧化层,氧化趋于平衡稳定,表现出较好的抗氧化性能。

树脂基多孔碳孔结构对C_(f)/SiC复合材料连接性能的影响

连接技术是实现大尺寸以及复杂构型C_(f)/SiC复合材料制备及工程化应用的关键技术。本工作使用酚醛树脂作为碳源,通过反应连接法实现了C_(f)/SiC复合材料的稳定连接,研究了多孔碳坯的体积密度和孔径对接头连接性能和微观结构的影响,讨论了惰性填料含量对接头连接性能和显微组织的影响。研究表明:树脂基多孔碳素坯的体积密度和孔径分别选定在0.71~0.90 g·cm^(-3)和200~600 nm比较合适,随着多孔碳素坯孔径增加,游离硅尺寸逐渐增大;当孔径为190nm时,连接件强度最大为(125±12)MPa。添加SiC惰性填料可以明显减小多孔碳素坯的体积收缩,当SiC惰性填料质量分数为50%时,连接件强度最高达到(216±44) MPa,基本与基体材料强度相当。总体而言,本研究为实现C_(f)/SiC复合材料稳定连接提供了理论指导,对实现复杂形状或大型C_(f)/SiC复合材料的制备和工程应用具有重要意义。

快速制备C_(f)/SiC复合材料的组织与力学性能

以SiC粉末、醇溶性酚醛树脂粉末以及炭纤维毡、炭纤维无纬布为原料,采用料浆刷涂-针刺-温压固化-高温碳化工艺,在料浆中酚醛树脂的体积分数分别为10%和15%、温压固化压力分别为8 MPa和20 MPa条件下制备C_(f)/SiC多孔预制体,然后通过化学气相渗透法沉积SiC,快速制备C_(f)/SiC陶瓷基复合材料。观察和分析复合材料的形貌和组织结构,测定材料的密度、孔隙率、抗弯强度和断裂韧性等性能。结果表明:料浆中的酚醛树脂体积分数较低时,C_(f)/SiC复合材料的性能较好,并且随固化压力增加而提高。在酚醛树脂体积分数为10%、温压固化压力为20 MPa条件下得到开孔隙率为13.1%的高致密C_(f)/SiC复合材料,该材料的基体较致密,且纤维束和基体之间基本没有孔隙;当材料受到外加载荷时,通过纤维拔出、纤维脱粘和裂纹偏转来提高复合材料的强度和韧性,断裂方式为假塑性断裂,抗弯强度和断裂韧性都较高,分别为570 MPa和18.6 MPa·m^(1/2)。

3D-C_(f)/Al复合材料的微观组织与剪切性能

研究了真空压力浸渗法制备的两种3D-C_(f)/Al复合材料的微观组织,测试了在25、350及400℃时的剪切性能并分析了剪切失效机制。结果表明,三维五向与三维正交C_(f)/Al复合材料的致密度分别为97.8%和99.2%,两种复合材料都存在少量微孔缺陷,由于三维五向较三维正交结构而言,纤维束间的交织点数量多、纤维丝间的间隙小以及浸渗过程中铝液受到多个方向纤维束作用而导致的微孔缺陷要多;三维五向C_(f)/Al复合材料25、350和400℃的剪切强度分别为90.8、55.1和43.6 MPa,三维正交C_(f)/Al复合材料的则为27.3、33.7和25.2 MPa。造成两者复合材料剪切强度差异的原因主要是由于两者预制体中纤维承载方式不一样。其中,两种复合材料剪切破坏产生于“V”型口铝合金与碳纤维界面损伤处,剪切断口呈近似45°破坏,纤维束的受力变形导致两种复合材料剪切行为失效。

Cf/Al复合材料与TC4钛合金的激光诱导燃烧合成连接

采用激光诱导燃烧合成连接方法实现C_(f)/Al复合材料和TC4钛合金的可靠连接。放热中间层的燃烧合成反应为连接过程提供所需能量。结合理论计算和实验,对Ni−Al−Zr中间层的化学成分进行优化设计,并对连接接头的显微组织和力学性能进行研究。结果表明,Zr的加入轻微降低中间层的放热性,但显著提高连接质量,是实现可靠连接的关键。Ni−Al−Zr中间层与母材反应,在TC4钛合金侧生成TiAl_(3)反应层,在C_(f)/Al侧生成NiAl_(3)和Ni_(2)Al_(3)反应层。Zr含量决定接头的显微组织和剪切强度。当Zr含量为5 wt.%、连接压力为2 MPa时,接头最高剪切强度为19.8 MPa。

深冷处理对叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料组织特征和拉伸性能的影响

以M40J-6K叠层穿刺结构碳纤维为增强体,ZL301合金为基体,采用真空气压浸渗法制备叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料,研究单次深冷处理时间(6、12和48 h)、循环深冷处理次数(1、3和9次)对复合材料拉伸性能和组织特征的影响,并对拉伸性能提高的原因进行了分析。结果表明,深冷处理可以提高叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料的拉伸性能,改善组织特征。单次深冷处理可以提高复合材料的抗拉强度,而对拉伸模量的影响较小,抗拉强度以深冷处理6 h时提高幅度最大,较无深冷处理下的559 MPa提高至664 MPa,提高了18.8%;当延长处理时间至12和48 h时,抗拉强度基本趋于稳定。与单次深冷处理相比,循环深冷可以进一步提高叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料的抗拉强度和拉伸模量,3次循环深冷处理后的抗拉强度和弹性模量,较单次深冷下的676 MPa、125 GPa分别提高至706 MPa、138 GPa,分别提高了4.4%、10.4%;当继续增加深冷循环至9次时,抗拉强度和拉伸模量趋于稳定。深冷处理后叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料应力释放及状态的改变、致密度提高、晶粒择优取向、基体位错密度增高是影响复合材料宏观拉伸性能的主要原因。

Na_(2)MnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)-CQDs对Li/Na储能性能的密度泛函理论研究

Na_(2)MnPO_(4)F作为锂/钠混合离子电池的电极材料,具有低成本、无毒、高电压和价态丰富等特点,但电子电导率低、离子扩散速率慢、锰的溶解及Jahn-Teller效应,限制了其应用。基于密度泛函理论下的第一性原理,以Na_(2)MnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)和Na_(2)MnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)-碳量子点(CQDs)复合材料为研究对象,构建Na2MnPO4F、NaLiMnPO_(4)F、Na_(2)MnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)、NaLiMnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)、Na_(2)MnPO4F/Ti_(3)C_(2)-CQDs和NaLiMnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)-CQDs等6种结构模型,计算能带结构、结合能、态密度及电荷局域密度,分析复合前后材料的电子结构和性能变化。Li原子的引入,使Na_(2)MnPO_(4)F与Ti_(3)C_(2)和Ti_(3)C_(2)-CQDs的结合能分别增大1.1397 J/m^(2)和0.7866 J/m^(2),复合Ti_(3)C_(2)和Ti_(3)C_(2)-CQDs能改善Na_(2)MnPO_(4)F的导电性,且Ti_(3)C_(2)-CQDs改善效果更佳。

叠层缝合碳纤维增强铝基复合材料低速冲击及冲击后剩余压缩力学性能

以铝合金ZL301为基体,碳纤维叠层缝合织物为增强体,采用真空压力浸渗工艺制备叠层缝合碳纤维增强铝基(叠层缝合C_(f)/Al)复合材料。通过室温落锤冲击实验,研究冲击载荷及能量随时间的变化行为规律,采用光学显微镜和工业数字X射线成像系统观测其冲击损伤形貌,分析冲击损伤机理。通过冲击后压缩(CAI)实验,研究复合材料在不同冲击能量下沿经纱方向的剩余强度,观察压缩试样宏观与微观断口形貌,分析压缩失效机制。结果表明:冲击载荷作用下叠层缝合C_(f)/Al复合材料发生了显著的局部损伤,正面损伤区域出现了较明显的凹坑,而其背面出现明显的沿经向的裂纹,裂纹长度随冲击能量增加而增大,损伤模式主要表现为基体开裂和纤维断裂拔出;冲击后的经向压缩强度随冲击能量的增大而下降,压缩后的复合材料出现了从冲击裂纹端部沿纬纱方向扩展到试样边缘的横向裂纹,压缩宏观断口中纱线结构破坏严重程度随冲击能量的增加而加重,而压缩后的微观断口均呈现出纤维剪切断裂后参差不齐的形貌。

国产M50J级碳纤维/铝基复合材料的微观特征及拉伸性能研究

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维因具有高强高模的特性而在众多领域被广泛使用。近年来,我国高性能碳纤维的制备技术取得了较大突破,为促进国产高性能碳纤维在铝基复合材料领域的实际工程应用,本工作以国内研制的M50J碳纤维为增强体材料,选用ZL301为基体合金,采用真空压力浸渗法制备了纤维体积分数为45%的单向连续M50J/Al复合材料。研究了该工艺条件下M50J/Al复合材料的微观组织和界面反应程度及其在室温、350℃下的拉伸性能。结果表明:M50J/Al复合材料的平均致密度为98.86%,碳纤维在复合材料中的分布较为均匀,在基体合金中未发现明显的缩孔缩松现象,复合材料主要由C、Al以及少量Al_(3)Mg_(2)和Al_(4)C_(3)相组成,M50J与ZL301基体在界面处出现反应产物,应为脆性离子碳化物Al_(4)C_(3),其尺寸较小,呈细杆状;复合材料在室温及350℃下的平均拉伸强度分别为856 MPa和774.7 MPa,平均拉伸模量分别为204.3 GPa和197.3 GPa,从复合材料中萃取出的M50J碳纤维单丝的平均拉伸强度和模量分别为3280 MPa、447 GPa,与铝合金复合后纤维丝强度发生一定程度的下降,界面结合和微观缺陷是影响复合材料拉伸性能的主要因素。

冷却速率对C_(f)/Al复合材料组织及性能的影响

为了改善碳纤维增强铝基(C_(f)/Al)复合材料中由于碳纤维与基体间导热系数相差较大、容易在复合材料内部引起铸造缺陷的问题,采用超声振动结合顺序凝固的方法制备了连续C_(f)/Al复合材料,并详细分析了凝固方式对复合材料组织及性能的影响。建立并计算了连续C_(f)/Al复合材料的凝固模型,并对结果进行了比较。结果表明,当复合材料内部存在沿纤维轴向的温度梯度时,有利于改善复合材料中心部位产生缺陷的问题。随着冷却速率的提高,复合材料内部的缺陷位置会逐渐向远离冷却端偏移,复合材料的中心处的碳纤维周围的气孔缺陷也会随着冷却速率的提高逐渐减少直至消失。在沿纤维轴向冷却速率为5.42 K/s时,制备的C_(f)/Al复合材料比相同条件下自然冷却得到试样的强度提升了62.5%,这是因为碳纤维周围气孔缺陷的减少有利于复合材料性能的提高。