致密工艺对炭布增中2D—C／C复合材料力学性能的影响

研究了液相浸渍及化学气相法致密工艺对二维炭／炭（2D－C／C）复合材料力学性能的影响,尤其是对层间剪切强度（ILSS）的影响。结果表明：液相浸渍法增密周期短且致密效果好,但材料强度不高;而化学气相沉积（CVD）致密周期长,但材料层剪强度高;采用两种工艺联合致密,材料界面结合强度适中,且层剪强度高。     

医用炭/炭复合材料表面梯度CVD热解炭涂层的摩擦性能研究

采用医用炭/炭复合材料并通过梯度化学气相沉积法(CVD)在其表面制备热解炭涂层, 研究分析了涂层的显微结构、摩擦系数、磨损情况. 结果发现, 该热解炭涂层表面被直径约20 μm热解炭球致密覆盖, 在断口处呈现紧密、多层的热解炭. 与用沥青浸渍/炭化法制备的炭/炭复合材料相比, 在干摩擦时, 热解炭涂层样品的摩擦系数更大; 在模拟人体关节的湿摩擦时, 它的摩擦系数低; 在干摩擦和湿摩擦的情况下, 它的磨损要小很多. 这些结果表明利用梯度的化学气相沉积法(CVD)制备医用炭/炭复合材料的涂层可以提高其表面的耐磨性.     

炭/炭复合材料新型热梯度制备工艺

对传统的热梯度化学气相渗透工艺进行了改进.把高热导率(55W/(m·℃))的48k炭纤维束穿入针刺炭毡预制体中心.利用炭纤维束和炭毡预制体热导率(0.15W/(m·℃))的差异,在预制体内部产生热梯度.在900℃～1200℃下,天然气首先在预制体中心的48k炭纤维处热解,致密化沿径向由中心向外部推进,67 h后材料的密度达1.778 g/cm3.研究了炉内输入电压、电阻、致密化时间、沉积层位置等工艺参数对材料性能的影响.通过偏光显微镜和扫描电子显微镜研究了基体热解碳的微观结构,并对炭纤维体积含量为10%的炭/炭试样进行了烧蚀性能测试.     

丙烯CVI致密C/C复合材料的模拟研究

通过模拟法对丙烯化学气相渗透(cvI)制备炭/炭复合材料(C/c)的工艺过程进行研究.基于16种反应物,建立了由34个基元反应组成的均相反应模型.引用双孔隙演化模型、非均相反应模型,对整个丙烯CVI模型进行耦合模拟.模拟结果表明,CVI法C/C复合材料的密度均匀性受沉积气体滞留时间、致密温度和致密时间等因素影响;致密化过程可分为微孔隙快速致密和大孔隙致密两个阶段,丙烯初级热解产物的浓度分布与这两个阶段关系密切;其中大分子气体苯的浓度分布对CVI沉积速度和C/C复合材料密度均匀性的影响明显,当苯浓度分布最高区严重变窄时,表明致密化过程结束,致密表面将出现结壳现象.验证实验与模拟数据吻合较好.     

脉冲FCVI制备炭/炭复合材料的微观结构及力学性能

采用脉冲强制流动热梯度化学气相渗透（IFCVI）法制备了毡基炭／炭复合材料。借助偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了基体热解炭的微观组织结构及断口形貌特征；用弯曲实验测定了材料的力学性能。结果表明：采用脉冲FCVI，经1000℃～1250℃，100h致密化，2300℃热处理后，炭／炭复合材料的密度可达1．7g／cm^3，弯曲强度为125．4MPa，挠度为0．61mm。该工艺致密化速率快，所制备材料的密度分布均匀、力学性能好。研究表明，温度是影响材料组织结构的主要因素，高温条件下有利于粗糙层热解炭组织的生成，而低温有利于光滑层热解炭组织的生成，一般因沉积环境复杂多变，常得到混合型组织。     

CLVI技术制备炭/炭复合材料

利用化学液气相沉积工艺以煤油为前驱体,采用密度为0.4g/cm3的针刺炭纤维毡为预制体,10h内制备了壁厚为40mm,密度沿径向均匀分布,密度达1.70g/cm3的炭/炭复合材料盘形件.同时还阐明了用于制备炭/炭复合材料的化学液气相沉积工艺原理及工艺过程,利用偏光显微镜观察所得材料的微观组织结构属光滑层结构的热解炭.     

压力梯度CVI工艺制备2D炭/炭复合材料的弯曲断裂行为

采用三点弯曲方法测试了压力梯度化学气相浸渗法(CVI)工艺制备的2D炭／炭复合材料的性能，借助于扫描电镜研究了断口和界面形貌，分析了密度和纤维基体界面对材料力学性能的影响。结果表明，随试样密度增加，2D炭／炭复合材料的断裂模式从剪切断裂、层问分离向拉伸断裂转变。材料密度对弯曲强度和模量影响很大，但对弯曲挠度基本没有影响。揭示了影响2D炭／炭复合材料弯曲挠度的关键因素是纤维与热解炭基体界面的结合情况。     

工艺参数对炭/炭人工骨骼RPM-CVI复合成形效果的影响

作为骨替代材料,炭/炭复合材料具有其它材料无法比拟的优异性能,但采用传统的制备工艺很难得到形状复杂的人工骨骼.为了解决这一瓶颈问题,本研究提出一种新的复合材料制备技术--RPM-CVI复合成形技术.该技术将快速原型制造技术与化学气相渗透技术有机地结合起来,可以在较短的周期内制备出形状复杂的炭/炭复合材料人工骨骼.理论分析和实验研究的结果表明,预制体的孔隙结构、纤维的体积分数、树脂在模具内的流动方向、反应温度、反应气的浓度等参数对RPM-CVI工艺的成形及致密化效果有着重要影响.合理地选择工艺参数,可以提高成形效果,缩短致密化周期.     

预炭层对ZrC浸渍C/C复合材料微观结构和力学性能的影响

采用化学气相浸渗法在炭纤维表面制备出不同厚度的预炭层,以ZrOCl2溶液浸渍法将锆化物引入含预炭层的预制体中,经热处理、致密化和石墨化等工艺处理,制备出一种含预炭层的ZrC-C/C复合材料。借助X射线衍射仪、扫描电镜以及能谱等手段,对材料的微观结构进行表征,采用三点弯曲实验研究材料的力学性能,并探讨预炭层厚度对材料微观结构及其力学性能的影响。结果表明,当预炭层厚度为1.5-1.7μm时,复合材料的平均抗弯强度可达256.85 MPa,与不含预炭层试样相比,增加了67.01%;抗弯试样表现出脆性断裂模式;材料的抗烧蚀性能略有提高。     

NaY分子筛模板法合成多孔炭材料

采用NaY沸石分子筛作模板,乙酰丙酮为炭前驱体,使用液相浸渍-气相沉积工艺合成了富含微孔和中孔结构的多孔炭材料并对其进行了表征.所合成的多孔炭比表面积1351m2/g,孔容0.892cm3/g,微孔率0.63,孔径分布多在0.8nm～3.0nm之间.     

由炭布制备C／C复合材料工艺及性能的研究

为通过快速增密和低设备成本降低C／C复合材料的成本,采用中压浸渍、炭化多次循环的工艺制备了快速增密的C／C复合材料。该工艺以Z向增强的层叠炭布为增强体,不同软化点的中间相沥青和改性沥青为浸渍剂。考察了浸渍工艺,并研究了所得C／C复合材料的力学性能和断裂形貌。结果表明,中间相沥青及改性沥青等高残炭收率沥青是C／C复合材料极佳的浸渍剂,有利于快速增密。8次循环后（约2周时间）,复合材料的密度从0.84g/cm^3增至1.76g/cm^3。炭布层叠Z向增强的C／C复合材料有良好的力学性能,而且其性能随着密度的增加而提高。所得复合材料的密度达到1.76g/cm^3时,拉伸强度为87.03MPa,弯强为113.56MPa,压缩强度为199.49MPa。     

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/cm³, 而三维编织预制体增强复合材料的密度仅为1.81g/cm³. 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.     

电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能

采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs), 借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体, 制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明: EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征, 该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率, 诱导了高石墨微晶堆垛高度(L_c)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(L_a)热解炭的形成; EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量: 当CNTs含量为0.74wt%时, 复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa, 比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%; 继续提高CNTs含量, 复合材料弯曲强度降低, 这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关; 同时, EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂, 复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。     

Effects of yarn size and Z-yarn density on the interlaminar shear properties of two Z-reinforced 3D C/SiC composites

This work investigated the effects of yarn size and Z-yarn density on the interlaminar shear strength (ILSS) of two 3D C/SiC composites fabricated by chemical vapor infiltration. They were the 3D needled (3DN) composite and the 3D stitched (3DS) plain woven composite, respectively. For 3DN C/SiC, short-cut fiber lamina was confirmed as the initial facture source. Large yarn size resulted into the occurrence of 0° non-woven fiber lamina fracture source and increased the crack extending paths. The ILSS of textile preforms indicates ILSS of their composites. The existing knowledge had displayed that increasing Z-yarn density increased the ILSS of 3DN carbon fiber preform. Thus the ILSS of 3DN C/SiC increased with increasing yarn size and Z-yarn density. For 3DS C/SiC, the interlaminar region was considered as the initial fracture source and caused the matrix crack sources in the weft and warp yarn. Large yarn size alleviated SiC densification effect of preform while high Z-yarn density enhanced Z-pinning effect and SiC densification effect of interlaminar region. Thus the ILSS of 3DS C/SiC decreased with increasing yarn size and decreasing Z-yarn density.     

炭基复合材料与人骨的力学性能对比分析

选用3种炭基复合材料,分别为采用化学气相沉积（CVD）工艺和CVD/浸渍复合工艺制备的2种C/C复合材料以及采用CVD/熔融渗硅（MSI）工艺制备的C/C-SiC复合材料,通过对比分析3种炭基复合材料与人骨的微观结构和力学性能,研究了所选用的3种炭基复合材料作为新型骨折内固定材料的可行性。结果表明:3种炭基复合材料与人骨均具有纤维增强、多孔基体的微观结构形态。在力学性能方面,3种炭基复合材料的弹性模量与人骨都较为接近,其中C/C-SiC复合材料的力学性能与人骨最为接近,分别为弯曲强度213.0 MPa、剪切强度19.3 MPa、压缩强度228.1 MPa,有望成为理想的接骨板材料。CVD和CVD/浸渍工艺制备的C/C复合材料,弯曲强度分别仅为161.8 MPa和174.6 MPa,低于人骨的弯曲强度,后期可通过改进坯体结构和制备工艺等方法来使其力学性能与人骨相匹配。      

CF-CNTs多尺度增强体的制备及CF-CNTs/环氧树脂复合材料力学性能

利用化学气相沉积(CVD)法在碳纤维(CF)表面生长碳纳米管(CNTs),制备了CF-CNTs多尺度增强体,增强体与环氧树脂(EP)结合得到CF-CNTs/EP复合材料。采用场发射扫描电镜(FESEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)等方法研究了不同CVD工艺参数对CF-CNTs多尺度增强体的影响,并研究了不同CVD时间对CFCNTs/EP复合材料力学性能的影响。结果表明:沉积温度为500℃、沉积时间为10min、反应压力为0.02 MPa时,制备得到的多尺度增强体性能最好。CF-CNTs多尺度增强体较未生长CNTs的碳纤维与环氧树脂的浸润性明显提高。在CVD时间为10min时,所得CF-CNTs/EP复合材料的界面剪切强度(IFSS)最大可提高90.6%,层间剪切强度(ILSS)最大可提高24.4%。同时,在制备环氧树脂复合材料过程中碳纤维的不加捻与加捻相比,其ILSS提高了11.3%。     

THE SIZING AND HIPPING EFFECTS ON THE PROPERTIES OF 3D C/C COMPOSITES

The sizing treatment of carbon fiber has a great effect on the properties of 3D C/C composites. Sizing agents that can form a good interlayer are preferred. The quality of the interlayers determine the properties of C/C composites. Furfuryl alcohol-maleic-anhydride-ethylene-glycol resin is found to be one of the best sizing agents. This is due to its ability to form a firm layer to protect fiber from attack by a matrix precursor. Hipping is the best way to density the carbon weaving preform and to control the microstructure of matrix. Higher HIP pressure may produce more random matrix structure. The densification efficiency, e, which has been formulated from the experimental results in this work, can be used to predict the density of C/C after a given densification cycle. The combined effects of sizing and hipping improve the mechanical properties of 30 C/C composites, in particular the in toughness and flexural strength. An almost two-fold flexural strength has been obtained by this process.     

2D C/C复合材料微观结构与力学性能的研究

采用等温化学气相渗透方法,通过调整沉积工艺,制备了具有不同微观组织结构的2D C/C复合材料.利用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)结合选区电子衍射(SAED),研究了热解炭基体微观组织结构,借助万能试验机测试了材料的三点弯曲性能.结果表明:层状高织构(HT)热解炭基体占优时C/C复合材料表现为假塑性断裂;扁平片状中织构(MT)热解炭与颗粒状各向同性层热解炭(ISO)有利于提高材料的弯曲强度;HT基体与炭纤维界面结合良好,界面处不存在非HT织构,但取向角(OA)略有增大.     

树脂炭含量对C／C复合材料性能的影响

研究了密度为0.86g/cm^3的整体毡C/C坯体（CVD致密后）随着浸渍致密次数的增加,C/C复合材料的密度、开孔率、压缩强度和弯曲强度的变化规律,研究结果表明：针刺整体毡C/C复合材料随树脂8浸渍炭化致密次数的增加,密度增加值越来越小,开孔率随浸渍炭化次数增加的降低趋于缓和。随着浸渍致密C/C复合材料的密度增加,压缩强度相应增加,弯曲强度从第二次浸渍炭化后趋于稳定,同时对C/C复合材料的微观结构进行了分析。     

模压法制备C/C复合材料的研究

对模压法制备 Ｃ／ Ｃ复合材料的坯体模压工艺过程、 Ｃ／ Ｃ复合材料的致密化过程及 Ｃ／ Ｃ复合材料的结构和性能的相关性进行了研究。结果表明,物料中纤维含量及模压的温度、压力是影响初坯体成型及其密度的关键;除工艺条件外,原料的组成也是影响 Ｃ／ Ｃ复合材料致密化的重要因素;对 Ｃ／ Ｃ 复合材料力学性能研究的结果表明, Ｃ／ Ｃ复合材料的密度对材料的力学性能有很重要的影响。