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%。

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。

添加树脂碳对针刺C/C-SiC材料熔渗行为及性能的影响

以2.5D无纬布/网胎叠层针刺预制体为增强体,采用化学气相渗透和树脂浸渍裂解法制备了密度约1.35 g/cm 3的热解碳C/C、热解碳+树脂碳C/C两种坯体,再经反应熔渗获得C/C-SiC复合材料,分析了不同碳基体组分C/C材料的熔渗特性及其微结构、拉伸性能及氧乙炔烧蚀性能的变化规律。结果表明:相比热解碳的“薄壳”型孔隙结构,树脂碳的“狭缝”型孔结构增大了液Si与碳基体的接触面积,提高了熔渗动力,获得致密度和SiC含量高的C/C-SiC复合材料,提升抗烧蚀性能,在氧乙炔火焰下经400~600 s烧蚀的线烧蚀率降低24%,但树脂碳对液Si的诱导渗透增加了骨架承载体的损伤,使树脂碳+热解碳基C/C-SiC复合材料室温拉伸强度(104±3)MPa低于热解碳基C/C-SiC的(118±3)MPa。

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.