叠层缝合结构C/C-SiC复合材料微观结构与弯曲性能

为了满足高超音速飞行器热结构部件材料的需求,采用化学气相沉积法(CVD)和反应熔渗法(RMI)混合工艺制备了叠层缝合C/C-SiC复合材料,研究C/C多孔体密度和熔渗温度对C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能的影响.结果表明:C/C多孔体孔径呈双峰分布,孔体积随C/C多孔体密度增加而降低.C/C-SiC复合材料由S...     

RMI法制备穿刺C/C-SiC复合材料的微结构及烧蚀性能研究

以无纬布/网胎0°/90°叠层穿刺预制体为增强体,采用化学气相渗(Chemical vapor infiltration,CVI)、树脂浸渍碳化(Polymer infiltration carbonization,PIC)与反应熔渗(Reactive melt infiltration,RMI)复合工艺制备穿刺C/C-SiC复合材料,研究其微观组织及在C₂H₂-O₂焰中的烧蚀行为。结果表明：无纬布、穿刺纤维束由CVI+PIC制备的碳基体填充而形成致密C/C区域,RMI生成的SiC主要位于网胎层中,其含量37.3wt%。复合材料表面因过量硅化而形成了SiC富集层。烧蚀距离20mm、O₂:C₂H₂=2:1时,烧蚀600s后材料X-Y、Z向线烧蚀率分别为：0.8×10^_-4 mm/s、3.6×10^_-4 mm/s,比PIP工艺制备C/C-SiC材料烧蚀率小一个数量级。烧蚀面SiC富集层保护及被动氧化作用是材料具有优异抗氧化烧蚀性能的主要原因。随烧蚀距离由20mm向10mm减小,复合材料烧蚀率先缓慢变化后快速增大,烧蚀率快速增长阶段复合材料发生主动氧化烧蚀。     

热处理对C/C-SiC接头连接强度的影响

C纤维增强C和SiC双基复合材料(C/C-SiC)的连接是其能否得到广泛应用的关键技术之一。采用硼改性酚醛树脂以及B4C和SiO2填料通过反应成形连接工艺连接C/C-SiC,研究热处理温度(300～1000℃)对连接件强度保留率的影响。结果表明,随着热处理温度的升高,强度保留率先降低,在800℃时达到最低值80.6%,然后随着温度进一步升高,强度保留率又升高,在1000℃时达到88.1%,表明连接件具有较好的耐热性能。随着热处理温度的升高,连接层相组成发生变化。连接件经过1000℃处理30min后,连接层由B4C、SiO2和玻璃碳以及无定型B2O3组成,C、Si、O和B元素分布都较为均匀,并在界面处发生了扩散,连接件断裂方式为混合断裂。     

C/C-SiC复合材料的制备及其层间剪切强度分析

采用先驱体浸渍裂解结合液硅渗透的方法制备C/C-SiC复合材料。通过X射线衍射和扫描电镜分析了材料的成分和微结构,采用压缩双切口试样法分别在室温和1600℃下测试其层间剪切强度,分析了微观剪切破坏机理。结果表明:碳纤维表面的热解碳(PyC)与液硅反应生成一层SiC,保护纤维不受残余Si的损伤。树脂碳和液硅反应生成的SiC填充了多孔C/C的孔隙。材料的高温层间剪切强度是室温下的2倍左右。室温下基体存在残余热应力,界面结合强度低,材料属于脆性断裂,高温下基体残余热应力得到释放,界面结合强度增大,基体裂纹部分闭合,该复合材料可承受更大的剪切应力。     

C／C-SiC陶瓷基复合材料刹车副摩擦性能研究

以不同孔隙率的C／C复合材料为预制体，以甲基三氯硅烷（CH3SiCl3）为反应源气，以氩气为载气，高纯氢气为稀释气体，用化学气相渗透法（CVI）制备一系列C／C—SiC复合材料。通过在MM-2000摩擦磨损实验机上的摩擦试验，对该系列材料的摩擦磨损性能进行了研究，详细分析了不同压力和摩擦环境（湿态和干态）对材料摩擦性能的影响。结果表明，在外界条件相同的情况下，随着压力的增大，材料的摩擦系数先增大后降低；随着SiC含量增加，材料摩擦磨损性能先增强后下降，SiC含量在40％左右具有最好的摩擦磨损性能。在湿态环境下材料的平均动摩擦性能明显衰退，但是当压力增大时这种衰退的影响减小。     

熔硅浸渗工艺快速制备C/SiC复合材料的非等温氧化行为

以针刺整体毡为预制体,采用化学气相沉积（CVD）增密制备C/C多孔体,用熔硅浸渗（MSI）工艺快速制备C/SiC复合材料,通过非等温热重分析研究材料低温下的氧化反应动力学和反应机理。结果表明：C/SiC材料的非等温氧化过程呈现自催化特征,氧化机理为随机成核,氧化动力学参数为l：g（A/min^-1）=8.752,Ea=169.167 kJ/mol。MSI工艺中,纤维因硅化损伤产生的活性碳原子易先发生氧化,使C/SiC材料起始氧化温度仅为524℃,比C/C材料约低100℃,且氧化产生大量的裂纹和界面,使材料在氧化初期即具有大的氧化反应速率,C/C材料则出现氧化反应速率滞后现象。     

制备工艺对C／C-SiC复合材料滑动摩擦特性的影响

分别采用熔渗硅(MSI)、前驱体裂解(PIP)技术制备4种C/C-SiC复合材料.在M2000型实验机上测试材料的摩擦磨损特性.结果表明:采用MSI制备的2种C/C-SiC摩擦因数高、不稳定,摩擦因数在0.404-0.906之间波动;随载荷增加,MSI-SiC质量分数为40.9%的材料B的摩擦因数变化幅度低于SiC质量分数18.9%的材料A的摩擦因数,但其随时间延长的波动幅度大;随时间延长和载荷增加,采用PIP制备的2种C/C-SiC材料的摩擦因数变化小,在0.08-0.14之间波动;其中,随载荷增加,PIP-SiC质量分数为18.0%的材料C的摩擦因数波动幅度稍大于SiC质量分数为6.0%的材料D的.EDAX分析表明:材料A的部分磨损表面未发现碳元素;而材料C磨损表面的碳硅摩尔比大于1,使其有足够的炭形成自润滑膜,从而降低材料的摩擦因数.SEM形貌表明:MSI技术制备的材料摩擦表而粗糙,未形成完整的摩擦膜,而采用PIP技术制备的材料摩擦表面较完整且致密.     

C／C坯体对RMI C／C—SiC复合材料组织的影响

以PAN基炭纤维（Cf）针刺整体毡为预制体，用化学气相渗透（CVI）、浸渍炭化（IC）方法制备了不同炭纤维增强炭基体的多孔C／C坯体，采用反应熔渗（RMI）法制备C／C—SiC复合材料，研究了渗Si前后坯体的密度和组织结构。结果表明：不同C／C坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC相、C相及单质Si相；密度低的坯体熔融渗硅后密度增加较多；密度的增加与开口孔隙度并不是单调增加的关系，IC处理的坯体开口孔隙度低，但渗硅后复合材料的密度增加较多；IC坯体中分布分散的树脂C易与熔渗Si反应，CVI坯体中的热解C仅表层与熔渗Si反应，在Cf和SiC之间有热解C存在；坯体密度相同时，IC处理的坯体中SiC量较多，单质Si相含量少且分散较好，而CVI坯体中SiC量较少，单质Si相的量较多；制备方法相同时，高密度的C／C坯体，渗硅后C相较多。     

CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的制备及其性能

以针刺整体炭毡为预制体,采用化学气相渗透法(CVI)增密制备C/C多孔体,然后采用反应熔体浸渗法(RMI),将Cu与Si同时熔渗进C/C坯体中制备CuxSiy改性C/C-SiC复合材料.研究CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的组织结构、力学性能和摩擦磨损性能,并与C/C-SiC复合材料进行对比.结果表明:CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的弯曲强度和冲击韧性略低于C/C-SiC复合材料的;采用30Cr钢作对偶时,CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的摩擦因数约为0.24,线磨损率小于4 μm·side-1·cycle-1,均与C/C-SiC复合材料的相近,但其摩擦表面温度降低约50 ℃;以自身材料作对偶时,CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能略低于C/C-SiC复合材料的.     

界面性能对单向碳纤维/环氧复合材料弯曲疲劳性能的影响

研究了界面改性对单向碳纤维增强复合材料疲劳性能的影响。通过以碳酸氢氨为电解质的阳极氧化和以马来酸酐为溶质进行的低温等离子体处理对碳纤维表面进行改性，观察交变载荷下复合材料界面性能退化和疲劳损伤规律。发现良好的界面粘接可以提高复合材料的抗疲劳性能，但是过强的界面粘接反而导致复合材料疲劳性能的下降。只有当材料具有合适强弱的界面时，才具有较好的疲劳性能。     

温压-原位反应法制备C/C-SiC材料的压缩性能及其破坏机理

以短炭纤维、炭粉、Si粉、树脂和粘结剂为原料,采用温压-原位反应法（WC-ISR）制备C/C-SiC制动材料,研究该材料的压缩性能及其破坏机理。结果表明：C/C-SiC制动材料的纵向压缩强度可达118.2 MPa,纵向压缩破坏表现为韧性断裂,以对角剪切破坏方式为主;横向压缩强度可达86.9 MPa,横向压缩破坏主要表现为脆性断裂,以多层复合剪切破坏方式为主。C/C-SiC制动材料的压缩性能分别随炭纤维和SiC含量的增加而增大,且炭纤维含量的影响更加显著;但随基体炭含量的增加而降低。     

Tribological properties and thermal-stress analysis of C/C-SiC composites during braking

The tribological properties and thermal-stress behaviors of C/C-SiC composites during braking were investigated aiming to simulate braking tests of high-speed trains. The temperature and structural fields of C/C-SiC composites during braking were fully coupled and simulated with ANSYS software. The results of tribological tests indicated that the C/C-SiC composites showed excellent static friction coefficient (0.68) and dynamic friction coefficient (average value of 0.36). The highest temperature on friction surface was 445 °C. The simulated temperature field showed that the highest temperature which appeared on the friction surface during braking was about 463 °C. Analysis regarding thermal-stress field showed that the highest thermal-stress on friction surface was 11.5 MPa. The temperature and thermal-stress distributions on friction surface during braking showed the same tendency.     

不同成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响与机理

采用温压-原位反应法制备C/C-SiC复合材料,研究了SiC、石墨和树脂炭成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响及其机理.结果表明:SiC在摩擦表面摩擦膜的形成过程中起骨架作用,提高SiC的含量有利于提高摩擦系数,降低磨损率;树脂炭在材料中具有粘结各成分和提高摩擦系数的作用,但其成膜性较差,易增大磨损率;石墨粉在制动过程中起润滑作用,适量石墨粉有助于形成稳定的摩擦膜降低磨损率;摩擦表面摩擦膜的形成有利于减少C/C-SiC材料的磨损率.     

高密度预制体制备炭/炭复合材料的弯曲力学性能与断裂机制

以丙烯作为碳源,氮气作为载气,采用初始密度为0.94g/cm3三维正交PAN基12K炭纤维预制体,利用自制的快速CVI炉制备基体热解炭结构为带状结构的C/C复合材料。力学性能测试结果表明,材料的弯曲断裂特征与制备过程中受到的高温热处理次数有关。从载荷-位移曲线来看,当C/C复合材料经过两次热处理时,C/C复合材料呈明显假塑性断裂特征。当C/C复合材料经过三次热处理时,载荷-位移曲线趋于稳定平滑,抗弯强度降低。从C/C复合材料断面的SEM图可以观察到材料断裂可以分为层间断裂和层内断裂,而层内断裂又因热解炭填充密度变化呈明显的分区断裂。由于热解炭和纤维含量在C/C复合材料中分布的差异,材料在不同的区域表现出不同的断裂特征,从而使得材料具备良好的弯曲强度同时具有一定的韧性特征。     

准三维C/C复合材料的层间剪切性能及其断裂机理

以炭纤维针刺毡为预制体, 采用化学气相浸渗(CVI)法或结合液相法制备了热解炭、树脂炭和沥青炭基质的准三维C/C复合材料, 研究了这些材料的层间剪切性能及其断裂机理. 结果表明: CVI基质炭比沥青基质炭更有利于C/C复合材料的层间剪切性能的提高; 剪切强度随密度增高而增大, 致密度越高, 基体支撑越强, 同时微裂纹和孔隙度就越低, 断裂裂纹不易形成或扩展, 强度性能就越好; 纯沥青基质炭试样为"突发"的脆性断裂方式, 其他基质炭试样表现为韧性断裂方式.     

C／C-SiC材料的快速制备及显微结构研究

分别以碳毡和二维碳纤维为预制体，采用化学液相气化渗入法结合熔融渗硅反应法快速制备了C／C-SiC陶瓷复合材料。对这种材料的密度和气孔率进行了表征，并通过XRD，OM和SEM等方法对其相组成、显微结构和反应机理进行了研究。结果表明：不同预制体制备的C／C—SiC材料密度和气孔率分别为～2．0g／cm^3和～1．0％。其相组成包括反应生成β-SiC以及未反应的游离Si和C。C／C—SiC中纤维被环状的沉积碳包裹，生成SiC的反应只发生在Si与沉积碳之间，纤维没有损伤。Si，C和SiC各相分布和含量因预制体的不同而有明显差异。     

Tribological characteristics of C/C-SiC braking composites under dry and wet conditions

C/C-SiC braking composites, based on reinforcement of carbon fibers and matrices of carbon and silicon carbide, were fabricated by warm compaction and in situ reaction process. The tribological characteristics of C/C-SiC braking composites under dry and wet conditions were investigated by means of MM-1000 type of friction testing machine. The influence of dry and wet conditions on the tribological characteristics of the C/C-SiC composites was ascertained. Under dry condition, C/C-SiC braking composites show superior tribological characteristics, including high coefficient of friction （0.38）, good abrasive resistance （thickness loss is 1.10 μm per cycle） and steady breaking. The main wear mechanism is plastic deformation and abrasion caused by plough. Under wet condition, frictional films form on the worn surface. The coefficient of friction （0.35） could maintain mostly, and the thickness loss （0.70 μm per cycle） reduces to a certain extent. Furthermore, braking curves are steady and adhesion and oxidation are the main wear mechanisms.