针刺C/C复合材料多尺度损伤分析

建立带有针孔区域的针刺C/C复合材料多尺度模型,结合混合率公式和周期性边界条件,计算各组分材料的弹性力学参数和针刺单胞模型的平均弹性参数;基于协同多尺度方法,采用关键区域应力-应变放大因子实现多尺度信息传递,并结合相应的失效准则,实现针刺C/C复合材料的多尺度损伤分析。

C/C复合材料用多自由度异形针刺头装置

C/C复合材料相比传统石墨材料具有更优异的保温性能、更高的强度、更好的韧性,且不易破碎,可有效降低生产能耗、提升设备使用寿命,从而降低整个生产的成本。在编织C/C复合材料坯体时,因坯体形状、尺寸不同,现有针刺设备满足不了生产需求,为满足C/C复合材料坯体生产要求,提出了一种多自由度异形针刺头装置,该装置和现有设备同时使用,可满足不同形状、不同尺寸的编织要求,操作简单方便。

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。

PIP法制备C/SiOC复合材料的微结构演变与力学性能

碳纤维增强硅树脂衍生SiOC(C/SiOC)复合材料具有高性价比的优势,是一种应用前景良好的高温结构材料。以碳纤维针刺毡作为增强体,通过先驱体浸渍裂解(precursor infiltration pyrolysis,PIP)工艺制备C/SiOC复合材料。在首周期引入热模压交联工艺,通过优化热模压温度和压力,在不破坏针刺毡结构的前提下,有效提高了纤维体积分数和复合材料致密度,使C/SiOC复合材料的室温弯曲强度和断裂韧度分别提升至331 MPa和16.0 MPa·m^(1/2)。对C/SiOC复合材料的致密化过程的结构演变进行了分析,结果表明,基体优先填充纤维束内孔隙,复合材料的孔隙大部分集中分布在Z向纤维附近。随着制备周期的增加,复合材料的孔隙率逐渐降低,孔隙由连通孔转变为孤立孔。经过8周期“浸渍-交联-裂解”工艺,复合材料基本完成致密化。

航空刹车用C/C复合材料坯体结构的研究

为了探索降低航空刹车用C/C复合材料成本、提高性能的有效方法 ,对现役国外航空刹车用C/C复合材料的部分力学性能和热导率进行测试 ,并利用金相显微镜对其坯体结构进行观察分析 ,在此基础上 ,自制了一种针刺整体毡 ,进行CVD增密 ,并与炭布叠层坯体的结果对比。结果表明 :国外航空刹车用C/C材料的层间剪切强度和垂直方向热导率比较高 ,坯体趋向于使用针刺毡 ;针刺整体毡由无纬布和网胎交替叠层 ,经针刺而成 ,这种结构具有孔隙分布均匀、气体扩散通道多、Z向纤维含量高的特点 ,为CVD增密创造了良好条件 ;自制针刺整体毡坯体经 70 0hCVD增密 ,小样密度可达 1.81g/cm3 ,大样密度达 1.75g/cm3 ,且能继续增密 ,与炭布叠层坯体相比 。

不同预制体结构C/C复合材料轴向热力学性能分析

主要对比了编织C/C复合材料和针刺C/C复合材料的轴向热力学性能.编织C/C复合材料主要有径棒法、轴棒法、轴向穿刺三种,针刺C/C复合材料主要有炭布叠层针刺、整体毡两种.编织预制体密度较高,平均可达到0.70g/cm3以上,针刺类整体毡密度在0.20g/cm3左右,炭布叠层预制体密度在0.45g/cm3左右,均低于编织预制体.径棒法、轴棒法、轴向穿刺预制体轴向纤维含量≥19%,针刺类预制体轴向纤维含量约为5%.C/C复合材料的轴向拉伸强度、热膨胀系数与预制体编织结构、轴向纤维含量有关,编织类C/C复合材料轴向拉伸强度平均值≥40MPa,针刺类C/C复合材料轴向拉伸强度在10MPa左右.轴棒法、轴向穿刺、炭布叠层针刺、整体毡等四种C/C复合材料(RT～800℃)轴向热膨胀系数基本相当.

不同增强体C/C复合材料韧性研究

研究了编织C/C复合材料、针刺C/C复合材料和毡基C/C复合材料室温、高温的断裂韧性,以及3种不同增强体C/C复合材料的冲击韧性。研究发现,C/C复合材料的高温断裂韧性高于室温,其中针刺C/C复合材料的断裂韧性值最高。编织C/C复合材料的抗冲击性能表现出强烈的各向异性,针刺C/C复合材料抗冲击性能优于毡基C/C复合材料。

三维针刺C/C-SiC复合材料的烧蚀性能

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺,制备了三维针刺C/C-SiC复合材料,使用氧气流量和乙炔流量之比为2∶1的氧乙炔焰,研究了复合材料的烧蚀性能,烧蚀时间长达600 s;分别用扫描电镜和表面能谱,分析了烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.004 3 mm/s和0.001 4 g/s。烧蚀表面不同区域微观形貌和烧蚀机理不同,烧蚀中心以基体氧化流失、C纤维的氧化以及气流冲刷为主;在过渡区域,烧蚀是以SiC基体的氧化和气流冲刷为主;烧蚀边缘则以SiC基体的热氧化为主。C/C-SiC复合材料在氧-乙炔条件下的烧蚀机制是热化学烧蚀、热物理烧蚀和机械冲刷的综合作用。

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%。

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.

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。

三维针刺C/SiC复合材料无纬布纤维方向对材料力学性能的影响

通过化学气相渗透法结合反应熔体浸渗法制备了三维针刺C/SiC复合材料,采用扫描电子显微镜观察材料的显微结构,并研究了无纬布纤维方向对材料力学性能的影响。结果表明,三维针刺C/SiC复合材料由0°无纬布层、短纤维胎网层、90°无纬布层以及针刺纤维束组成,无纬布层纤维方向对材料性能有显著影响。试样的拉伸强度和弯曲强度随着无纬布纤维方向与试样长度方向的夹角θ(0～45°)值的增大而减小,面内剪切强度和冲击韧性随θ角的增大而增大。

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。

液体火箭发动机喷管延伸段C/C-SiC复合材料的性能

采用化学气相渗透(CVI)和液相浸渍裂解(PIP)混合工艺制备出三维针刺C/C-SiC(材料A、B)和C/C(材料C)复合材料,研究了复合材料的力学、抗热震和耐烧蚀等性能以及SiC涂层对烧蚀性能的影响,并采用扫描电子显微镜分析了材料的断裂面和烧蚀面形貌。结果表明,材料A(SiC基体含量较高)的性能较好,其弯曲强度、线烧蚀率及抗热震系数分别达到238.4 MPa、3.0×10^-3mm/s和35.3 kW/m。沉积SiC涂层后,材料A、B和C的线烧蚀率较之前分别降低33.0%、12.5%和37.5%。采用材料A+SiC涂层方案研制的喷管延伸段构件,进行780 s地面热试车考核,试车后构件结构完整。

单边切口梁法测试针刺C/C复合材料断裂韧性

采用不同切口深度和跨距的单边切口梁(SENB)法研究了针刺C/C复合材料断裂韧性,利用ABAQUS软件模拟计算材料预置裂纹尖端形成的应力大小,并观察了断口形貌。实验与模拟结果表明,SENB法测试针刺C/C复合材料断裂韧性,选取切口深度1.00 mm、跨距16 mm时,试验稳定性较好,该条件下材料断裂韧性为5.363 MPa·m1/2,离散系数仅为4.2%;受力时,裂纹源于试样预置裂纹的附近区域的孔隙、裂纹等缺陷;纤维的脱粘、桥接、断裂作用增加了扩展路径,吸收了断裂能。

碳布铺层方式对C/C-SiC薄壁喉衬性能的影响

通过CVI+PIP制备了准三维针刺C/C-SiC薄壁喉衬,预制体碳布铺层方式分别采用与喉衬内型面形状相同的仿形铺层以及与喉衬入口端角度相同30°铺层。研究了两种铺层方式对最终构件层间弯曲性能、整体承压性能以及抗烧蚀抗冲刷的影响。结果表明,构件的弯曲强度分别为205和152 MPa;水压爆破压力分别为6.5和4.9 MPa。用与材料表面夹角为30°的氧乙炔气流考查材料的抗烧蚀及冲刷性能,同角度铺层成型材料抗冲刷能力明显较好,200 s其线烧蚀率为仿形铺层成型材料的70%。

一种新型滑撬用针刺C/C复合材料制备与性能研究

研制一种新型滑撬用低成本“铺层-针刺”C/C复合材料,分析了其力学性能、热学性能和微观结构,并与现有国外滑撬用C/C复合材料进行了比较。结果表明,研制的C/C复合材料的力学性能、热性能优良,其层间剪切强度、压缩强度和冲击强度分别达到26.98 MPa、255.8 MPa和361.06 J/m,与国外同类材料相比,分别高96.4%、80.1%和262.2%,热导率提高约50%,线胀系数降低约60%以上,有效提高了抗热震性能和高温工作的可靠性。

致密化工艺对针刺无纬布C/C复合材料性能的影响

比较了两种不同工艺制备的针刺无纬布C/C复合材料。研究表明,在沥青浸渍/碳化之前对针刺预制体进行CVI预增密处理后,其C/C复合材料轴向拉伸强度提高了234%,层剪强度提高了126%;热扩散率明显升高,轴向线胀系数下降,表现出良好的综合性能。

针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳特性与失效机理

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的拉-压疲劳特性,并与其拉-拉疲劳特性进行了对比。结果表明:针刺C/SiC复合材料的拉-压疲劳强度略低于拉-拉疲劳强度;两种循环载荷下都存在迟滞现象,随着循环数的增大迟滞环不断右移,且偏斜程度和包围面积不断增大。采用扫描电子显微镜对失效试件的断口形貌和微观结构的观察表明:除了垂直于加载方向的基体开裂以及界面脱粘,拉-压循环加载下的细观失效机制还包括平行于加载方向的基体开裂以及层间的开裂。这些平行于加载方向的损伤使得纤维受力状态恶化,最终削弱了针刺C/SiC复合材料拉-压疲劳强度。

航空刹车用C/C复合材料坯体结构研究

为了探索降低航空刹车用C/C复合材料成本、提高性能的有效方法,对国外炭/炭刹车材料的部分力学性能和热导率进行了测试,并利用金相显微镜对其坯体结构进行了观察分析,在此基础上,自制了一种针刺整体毡,进行CVD增密,并与炭布叠层坯体的结果对比.结果表明:国外航空刹车用C/C材料的层间剪切强度和垂直方向热导率比较高,坯体趋向于使用针刺毡;针刺整体毡由无纬布和网胎交替叠层,经针刺而成,这种结构具有孔隙分布均匀、气体扩散通造多、Z向纤维含量高的特点,为CVD增密创造了良好条件;自制针刺整体毡坯体经700h CVD增密,小样密度可达1.81g/cm^3,大样密度达1.75g/cm^3,且能继续增密,与炭布叠层坯体相比,采用针刺整体毡可显著缩短CVD周期.