热处理工艺对Mini C/SiC复合材料拉伸性能和强度分布的影响

采用5种工艺制备了C纤维束增韧SiC陶瓷基复合材料(Mini C/SiC),研究了热处理工艺对不同制备工艺条件下Mini C/SiC复合材料拉伸性能和强度分布的影响。实验结果表明:在不进行热处理的Mini C/SiC复合材料中引入热解炭(PyC)界面相可提高拉伸性能和强度稳定性。与不进行热处理的MiniC/SiC复合材料相比,对引入PyC界面相复合材料的C纤维束和/或PyC界面相进行热处理均可提高拉伸性能。热处理温度小于等于1700℃时,先对C纤维进行热处理然后再沉积PyC界面相的MiniC/SiC复合材料,其拉伸性能最好。热处理温度为2 000℃时,先对C纤维沉积PyC界面相然后再进行热处理的Mini C/SiC复合材料,其拉伸性能最好。热处理温度对Mini C/SiC复合材料变形行为有着显著的影响,热处理温度不同时,复合材料表现出了不同的变形行为。     

电泳沉积时间对SiC_f/SiC复合材料性能的影响

针对电泳沉积结合先驱体浸渍裂解的方法制备SiC_f/SiC复合材料过程,探讨沉积时间对SiC纤维及SiC_f/SiC复合材料性能的影响规律。实验结果得出:随电泳沉积时间的延长,SiC纤维逐渐被腐蚀,致使其单丝强度下降;而在SiC纤维表面覆盖PyC涂层可以有效地保护SiC纤维,由于悬浮液中的通电作用,Py C涂层与SiC纤维的界面结合强度略有降低,纤维单丝强度随电泳时间的延长先增大后减小。5 min的电泳沉积结合9个周期的PIP得到了SiC_f/SiC复合材料最大的弯曲强度为731 MPa,随后其力学性能随着沉积时间的延长先降低后略微回升;SiC_f/SiC复合材料的热导率随沉积时间的延长先增大后减小,10 min电泳沉积得到了常温下SiC_f/SiC复合材料的最大热导率为4.658 W/(m·K)(25℃)。     

表面处理对碳纤维束拉伸性能与强度分布的影响

为了探究表面处理工艺对C纤维束拉伸性能的影响,采用化学气相沉积(CVD)制备热解炭(PyC)层和热处理以及两者相结合的方法对C纤维束进行处理,并测试了处理前后C纤维束的拉伸性能和强度分布。实验结果表明:在C纤维表面沉积PyC层降低了纤维束的拉伸性能与强度稳定性。对C纤维束进行热处理改善了纤维束的拉伸性能和强度稳定性,并在1 800℃均达到了最大值。随着热处理温度的升高,C纤维束的拉伸断裂方式逐渐由韧性断裂向脆性断裂转变。采用沉积PyC层以及沉积PyC层和热处理相结合的方式处理的C纤维束均以脆性方式断裂。     

C/SiC拉伸强度与声发射演化的关联性EI北大核心CSCD

对平纹编织C/SiC复合材料样品拉伸破坏过程的声发射进行监测,采用基于改进遗传算法的无监督聚类方法对声发射信号进行模式识别,统计分析各类声发射模式的特征及其演化过程,结合断口分析,研究了C/SiC复合材料的拉伸强度、损伤机制与声发射信号演化之间的关系.结果表明:维断裂的声发射能量能够反映纤维/基体界面结合强度;低强度C/SiC材料中存在引起应力集中的基体富集区,在加载初期基体开裂事件占比超过50%;中强度C/SiC材料由于较强的界面,纤维损伤以单丝或部分纤维断裂事件为主;高强度C/SiC材料界面结合强度适中,纤维簇断裂是主要的失效模式.     

C/SiC拉伸强度与声发射演化的关联性

对平纹编织C/SiC复合材料样品拉伸破坏过程的声发射进行监测,采用基于改进遗传算法的无监督聚类方法对声发射信号进行模式识别,统计分析各类声发射模式的特征及其演化过程,结合断口分析,研究了C/SiC复合材料的拉伸强度、损伤机制与声发射信号演化之间的关系。结果表明:维断裂的声发射能量能够反映纤维/基体界面结合强度;低强度C/SiC材料中存在引起应力集中的基体富集区,在加载初期基体开裂事件占比超过50%;中强度C/SiC材料由于较强的界面,纤维损伤以单丝或部分纤维断裂事件为主;高强度C/SiC材料界面结合强度适中,纤维簇断裂是主要的失效模式。     

PCL/CNTs复合材料的性能

以聚己内酯(PCL)和碳纳米管(CNTs)为主要材料,采用熔融共混制备PCL/CNTs复合材料。随着CNTs含量增加,以直径为10 nm的CNTs(简称CNTs10)制备的PCL/CNTs10复合材料的拉伸强度先增加后降低,以直径为5 nm的CNTs(简称CNTs5)制备的PCL/CNTs5复合材料的拉伸强度先减小后增大,断裂伸长率先降低后增加,体积电阻率逐步降低。CNTs含量相同时,PCL/CNTs5复合材料的体积电阻率小于PCL/CNTs10;CNTs5含量分别为12%和14%时,复合材料的体积电阻率分别为0.92Ω·cm和0.52Ω·cm。扫描电子显微镜分析发现,随着CNTs含量增加,复合材料表面暴露的CNTs5数量逐渐增多,当CNTs10含量≥12%和CNTs5含量≥10%时出现一定的团聚。CNTs5含量为12%的复合材料综合性能最佳,其体积电阻率为0.92Ω·cm、拉伸强度为26.4 MPa、断裂伸长率为267.7%、撕裂强度为46.0 N/cm;在3.7 V直流电压下通电12 min,可从28℃上升到36℃,20 min后达到38℃,随后温度缓慢上升,该复合材料在热敷保健和医疗器械领域具有良好的应用前景。     

纤维丝束大小对Mini-C/SiC拉伸性能与强度分布的影响

为了探究碳纤维丝束大小对纤维束复合材料碳/碳化硅(Mini-C/SiC)拉伸性能和强度分布的影响,采用化学气相浸渗(CVI)法制备了1k Mini-C/SiC和3k Mini-C/SiC复合材料.测试了C纤维束以及Mini-C/SiC复合材料的拉伸性能,并采用两参数Weibull分布模型分析了强度分布,同时还观察了拉伸断口形貌.结果表明:3k C纤维束表现出了明显的"聚拢效应",其拉伸性能和强度稳定性均优于1k C纤维束,而且其拉伸强度、Weibull模数、特征强度、延伸率和断裂功分别比1k C纤维束的高47％、13％、46％、54％和102％.同时,1k C纤维束发生韧性断裂,3k C纤维束发生脆性断裂.3k Mini-C/SiC复合材料的拉伸性能和强度稳定性均优于1k Mini-C/SiC复合材料,其拉伸强度、Weibull模数、特征强度、延伸率和断裂功分别比1k Mini-C/SiC复合材料提高了67％、69％、63％、92％和216％,而且两者的拉伸断裂方式均为典型的脆性断裂.纤维体积分数高是大纤维丝束复合材料3k Mini-C/SiC拉伸性能和强度稳定性优于小纤维丝束复合材料1k Mini-C/SiC的主要原因.     

裂解碳包覆对SiC纳米纤维增强SiC陶瓷基复合材料性能的影响

以SiC纳米纤维(SiC_nf)为增强体,通过化学气相沉积在SiC纳米纤维表面沉积裂解碳(PyC)包覆层,并与SiC粉体、Al₂O₃-Y₂O₃烧结助剂共混制备陶瓷素坯,采用热压烧结工艺制备质量分数为10%的SiC纳米纤维增强SiC陶瓷基(SiC_nf/SiC)复合材料。研究了PyC包覆层沉积时间对SiC_nf/SiC陶瓷基复合材料的致密度、断裂面微观形貌和力学性能的影响。结果表明:在1 100 ℃下沉积60 min制备的PyC包覆层厚度为10 nm,且为结晶度较好的层状石墨结构;相比于纤维表面无包覆层的复合材料,复合材料的断裂韧性提高了35%,达到最大值(19.35±1.17) MPa·m^1/2,抗弯强度为(375.5±8.5) MPa,致密度为96.68%。复合材料的断裂截面可见部分纳米纤维拔出现象,但SiC_nf/SiC陶瓷基复合材料界面结合仍较强,纳米纤维拔出短,表现为脆性断裂。     

多尺度碳/碳复合材料力学性能研究

碳/碳(C/C)复合材料在服役过程中基体热解碳(PyC)强度低、脆性大,导致基体开裂、界面层脱黏等结构失效现象频发,严重限制其在特种环境中的应用。提出利用化学气相渗透法构建碳纤维与基体间的低织构热解碳界面层,采用电泳共沉积法掺杂碳纳米管(CNTs)、碳化硅纳米线(SiCnws)于碳纤维表面,构建纳米纤维-碳纤维多尺度预制体,实现多尺度C/C复合材料的制备和改性。研究发现,CNTs&SiCnws掺杂能促进C/C复合材料的弯曲性能、层间剪切性能和面内压缩性能的改善。弯曲、层间剪切、面内压缩强度随CNTs&SiCnws含量的增加均表现为“先升高后降低”的规律,CNTs&SiCnws可诱导细化PyC结构,避免基体微观缺陷的产生,提高纤维与基体的界面结合力,达到协同增强多尺度C/C复合材料的效果。     

SiCf/SiO2复合材料的制备及界面层对其力学性能的影响

以碳化硅(SiC)纤维为增强体,采用真空浸渍法制备了2.5维连续SiC纤维增韧的SiO2基(SiCf/SiO2)复合材料,研究了SiC纤维编织体上不同的界面层对SiCf/SiO2复合材料力学性能的影响.化学气相渗透(CVI)法制备的热解碳(PyC)和PyC/SiC双层界面层分别使材料的抗弯强度由无界面层的52.2 MPa提高至67.4 MPa和180.3 MPa,但均使材料的韧性降低.用扫描电镜观察了材料的断口形貌,结果表明,PyC和PyC/SiC层不仅提高了材料的抗弯强度,而且增加了基体同纤维间的结合力,使基体有效地将载荷传递给纤维.PyC/SiC层能有效地保护SiC纤维,防止烧结过程中释放出的结晶水对纤维的损伤,有助于提高材料的力学性能.     

界面类型对三维Nextel 720纤维增韧莫来石陶瓷基复合材料力学性能的影响

采用化学气相渗透工艺在Nextel 720纤维表面制备PyC和PyC／SiC两种涂层，然后以正硅酸乙酯和异丙醇铝作为先驱体，以先驱体浸渗热解法制备三维Nextd 720纤维增韧莫来石陶瓷基复合材料，比较分析了两种涂层复合材料的力学性能和断裂模式。结果表明：具预先涂覆PyC的复合材料中纤维与基体直接接触，发生烧结形成强结合界面，复合材料脆性断裂，三点抗弯强度仅56MPa。PyC／SiC涂层则演化为间隙／SiC复合界面层，SiC成为阻滞纤维与基体接触的阻挡层，间隙保证了纤维拔出，复合材料韧性断裂且三点抗弯强度高达267．2MPa。     

电泳沉积母胶法碳纳米管/天然橡胶 复合材料的性能研究

用氢氧化钠和过氧化氢改性碳纳米管（CNTs）得到氧化CNTs(OCNTs),再用硅烷偶联剂KH-550改性OCNTs得到氮掺杂CNTs(NCNTs)。采用电泳沉积法制备CNTs/天然橡胶（NR）、OCNTs/NR和NCNTs/NR母胶后,再用机械共混法制得CNTs/NR复合材料,将其与直接采用机械共混法制得的CNTs/NR复合材料进行性能对比。结果表明：电泳沉积法能够使CNTs在NR中均匀分散,提高CNTs/NR复合材料的热稳定性;OCNTs/NR复合材料的300%定伸应力和拉伸强度最大,热稳定性最好,但生热和滚动阻力较高;NCNTs/NR复合材料的300%定伸应力和拉伸强度较大,抗湿滑性能最好,生热和滚动阻力最低,综合性能最好。     

溶胶-凝胶法制备Al_2O_3f/Al_2O_3复合材料及其性能研究

本文采用化学气相渗透法(CVI)在三维氧化铝纤维预制体上沉积热解碳(PyC)界面层,通过溶胶-凝胶法制备氧化铝纤维/PyC/氧化铝基体复合材料和无界面复合材料。通过三点弯曲实验分析其力学性能,扫描电子显微镜观察其断口微观结构。结果表明,当热解碳界面层厚度分别为0.6μm和0.8μm时,复合材料所对应的弯曲强度分别为231.3 MPa和158.2 MPa,与无界面复合材料弯曲强度55.8 MPa相比,力学性能分别提高314.5%和183.5%。通过微观结构分析发现利用热解碳界面可充分发挥连续纤维拨出、界面脱粘和裂纹偏转等增韧机制,实现材料脆韧转变。     

PU/CNTs复合材料的制备及其在室内设计中的应用

分别采用物理共混法和化学偶联法原位制备了聚氨酯(PU)/碳纳米管(CNTs)复合材料,并研究了其力学性能和抗静电性能。结果表明:采用化学偶联法制备的PU/CNTs复合材料中的CNTs分布更均匀,且复合材料的力学性能更优异;随CNTs含量增加,PU/CNTs复合材料的断裂伸长率逐渐增大,而拉伸强度和冲击强度先增加后降低;当w(CNTs)为0.4%时,复合材料的拉伸强度最高,w(CNTs)为0.6%时,其冲击强度最高;随CNTs含量增加,PU/CNTs复合材料的抗静电性能得到改善,保温性能无明显降低,是较为理想的室内设计材料。     

三维碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料的研究

采用结构为(PyC/SiC)n的多层复合模式的界面层,依次用化学气相渗透法和先驱体转化法相结合的增密工艺制备出三维Nicalon-SiCf/SiC陶瓷基复合材料.所研制的材料具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类金属材料非灾难性断裂特征.复合材料的主要性能指标为:体积密度2.42 g/cm3,弯曲强度530 MPa.     

三维针刺C/SiC复合材料的结构特征和力学性能

采用化学气相渗透法制备了在厚度方向上具有纤维增强的三维针刺碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料,复合材料的密度和气孔率分别为2.15 h/cm3和16%.三维针刺C/SiC复合材料中的针刺纤维将各层紧密结合在一起,其层间抗剪切强度显著提高,为95MPa,比二维碳布叠层C/SiC复合材料的剪切强度(35MPa)高171.4%.三维针刺C/SiC复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别为159MPa和350MPa,断裂模式为非脆性断裂,包括:裂纹扩展、偏转,碳纤维的拉伸断裂和逐步拔出.     

低压化学气相渗透法制备2.5维SiCf/SiC复合材料

采用低压化学气相渗透法制备了具有和不具有热解炭界面层的2.5维连续SiC纤维增强的SiC复合材料(SiCf/SiC).SiC纤维的体积分数为30%和41%.所制备复合材料的气孔率为20%左右.当纤维为30%时,沉积有0.1 μm热解炭界面层的复合材料的弯曲强度由未加热解炭界面层的232MPa增加到328MPa,而且材料由灾难性断裂转变为非灾难性断裂.在同一制备条件下,纤维体积分数为41%的SiCf/SiC比30%的SiCf/SiC具有更高的气孔率.纤维为41%时,热解炭界面层厚度为0.1 μm的SiCf/SiC的弯曲强度只有244MPa,但是它具有更高的韧性和更长的纤维拔出长度.     

平纹编织C/SiC单钉铆接单元的制备与拉伸行为EI北大核心CSCD

耐高温高强韧性连续碳纤维增韧碳化硅复合材料(C/SiC)是空天飞行器用热结构件的首选材料之一。C/SiC热结构件的结构复杂,其连接技术是推动该材料应用的关键。采用化学气相渗透工艺制备2D C/SiC单钉铆接单元,研究其微结构和拉伸行为,分析相应的失效机制。结果表明:2D C/SiC单钉铆接单元的显微结构具有多孔、非均匀粘接和非均匀钉孔间隙特征。铆接剪切强度平均值为157.77 MPa,超过2D C/SiC面内剪切强度。搭接界面脱粘、钉孔相互挤压和铆钉内纤维剪断是2D C/SiC单钉铆接单元的主要失效机制。孔周损伤呈现3种典型形貌,分别为孔周形貌完好、基体压溃和钉孔界面脱粘。     

三维针刺碳纤维增强SiC复合材料在加载-卸载下的拉伸行为

对T300碳纤维增强三维针刺碳纤维增强SiC(C/SiC)复合材料(纤维体积含量为30%)的单调和加载-卸载拉伸载荷下的拉伸行为进行了研究.结果表明:T300碳纤维增强三维针刺C/SiC复合材料的拉伸强度和断裂应变分别为129.6MPa和0.61%.单调和加载-卸载拉伸应力-应变曲线均为非线性变化,主要是复合材料中裂纹的扩展,界面相脱黏和滑移,以及纤维的逐步断裂和拔出所致,使得复合材料在拉伸载荷下呈非脆性破坏.卸载应力水平对卸载后的残余应变和再加载模量有较大影响.卸载应力小于80 MPa时,随着卸载应力的增加,残余应变线性增加,模量线性降低:卸载应力高于80MPa时,二者随着卸载应力的增加而呈二次函数快速变化.     

不同纳米材料填充聚四氟乙烯复合材料的力学性能研究

对不同纳米材料Si3N4、SiC、石墨、碳纳米管(CNTs)填充聚四氟乙烯(PTFE)复合材料进行了拉伸和硬度试验,观察了复合材料拉伸断面的微观结构。结果表明:几种填料均能不同程度地提高PTFE的硬度。不同填料对PTFE拉伸性能的影响不同,纳米SiC填充PTFE有较好的拉伸性能,碳纳米管的加入会使PTFE拉伸强度和断裂伸长率降幅较大,其复合材料呈脆性破坏。纳米SiC在PTFE基体中有较好的分散性,其与PTFE基体界面结合较好,而纳米Si3N4在PTFE中分散性不好,纳米石墨和碳纳米管与PTFE基体的界面结合不好。当SiC的质量分数为3%时,其综合性能最佳。