预制体尺度对C/C复合材料CVI增密过程影响的模拟研究

对不同直径圆柱预制体的CVI增密过程进行数值模拟研究,分析预制体尺度对增密过程及密度分布的影响。针对高90mm,直径分别为60、120、180mm的预制体,分别模拟CVI过程中预制体的孔隙率、密度以及孔隙平均尺寸分布和变化特征。结果显示,小直径预制体经过一段时间的沉积后密度分布较为均匀,且平均密度值很高;预制体直径较大时,沉积易发生在表面区域,导致表面区域密度较高,中心区域密度值较低,影响进一步的增密过程。     

前驱体对CVI制备C/C复合材料的影响

分别以天然气和丙烯为前驱体制备了C/C复合材料.考察了密度和密度分布,借助偏光显微镜观察了沉积炭的显微结构,研究表明,天然气制备的C/C复合材料的密度大于丙烯制备的C/C复合材料的密度;在前60h以天然气为前驱体时C/C复合材料的致密化速率比以丙烯为前驱体时低,60h后致密化速率发生逆转;以天然气为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度小,结构为单一的粗糙层;而以丙烯为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度大,结构为光滑层.     

预制体对C/C复合材料热膨胀系数的影响

以天然气为前驱气体,整体碳毡和2D针刺碳毡为预制体,采用热梯度化学气相渗积技术制备了两种C/C复合材料,其表观密度均为1.74 g/cm3。借助光学显微镜和扫描电子显微镜观察了热解碳基体的生长特征和微观形貌,采用热膨胀仪测量了两种材料的热膨胀系数(CTE),研究了由不同预制体增强C/C复合材料的CTE,解释了造成材料不同方向CTE差异的主要原因。结果表明,随着温度升高,材料A和B的CTE是逐渐升高的,且Z向CTE值均大于XY向。当两种材料在Z向的纤维体积分数接近时,随着XY方向纤维体积分数增大,材料在Z向的CTE增大,在XY向的CTE降低,两种材料在XY和Z向的CTE呈如下分布:αB-Z>αA-Z>αA-XY>αB-XY。C/C复合材料的CTE主要取决于纤维体积分数和排布、碳基体及材料中的孔隙分布情况,前者起决定作用。     

三维机织预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

本工作设计并用炭纤维织造了两种不同结构的三维预制体,即三维角联锁结构(JLS)和三向正交结构(SZJ),采用化学气相渗透(CVI)致密和液相树脂浸渍/炭化的增密工艺,制备出C/C复合材料,测试并对比分析了拉伸性能和冲剪性能.结果表明:预制体结构对C/C复合材料的力学性能有很大影响,同时决定拉伸断裂破坏模式.三向正交结构C/C复合材料的力学性能好于三维角联锁结构的C/C复合材料.     

密度梯度变化预制体对C/C复合材料氧化性能的影响

设计一种沿着厚度方向分为上中下3层结构的密度梯度变化预制体,并采用该预制体经化学气相渗透法制备了C/C复合材料。采用恒温氧化实验研究了该预制体结构对C/C复合材料的氧化性能的影响。结果表明,变密度预制体没有改变C/C复合材料的氧化模式,即氧化动力学模式和扩散模式。预制体结构的变化对氧化动力学模式没有影响,但由于变密度预制体改变了C/C复合材料内部孔隙结构的变化,阻碍了氧气在材料内部的扩散,从而提高了C/C复合材料的高温抗氧化性能。     

C/C 复合材料热梯度CVI 工艺的数值模拟研究

TCV I(热梯度CV I) 工艺是一种很有潜力的C/C 复合材料制备工艺, 它可以在较短的时间内制备出密度均匀性较高的C/C 复合材料制件。本文根据传热、传质理论及C/C 复合材料预制体的结构特点建立了TCV I 过程的动力学模型和几何模型, 在该模型的基础上利用数值模拟技术对该工艺进行了模拟和分析。模拟结果为TCV I工艺的开发和应用提供了理论依据。     

密度梯度变化预制体对C/C复合材料结构和力学性能的影响

针对常用恒密度预制体在C/C复合材料制备过程中容易表面孔隙堵塞现象,沿着厚度方向将预制体设计成密度梯度变化,并通过化学气相渗透法制备C/C复合材料。研究了密度梯度变化的预制体结构对C/C复合材料的结构和弯曲力学性能的影响。结果表明:变密度预制体改变了碳纤维在预制体内的分布,导致C/C复合材料内部孔隙结构的变化,形成了细小的闭孔,从而提高了C/C复合材料的力学性能。     

碳纤维预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响

以2D碳纤维预制体为增强体, 采用电耦合和等温化学气相渗联合工艺制备C/C复合材料, 研究不同预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响。结果表明, 不同预制体结构增强的C/C复合材料表现出不同的力学行为。对于针刺结构, 随着针刺密度由35 pin/cm ²降至25 pin/cm ², C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由60.1、119.9 MPa增大至69.5、176.8 MPa; 随着碳纱丝束由12 K变为3 K, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由69.5、176.8 MPa增大至105.5、184.4 MPa。对于12 K双向缝合结构, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别为68.1、123.7 MPa。不同碳纤维预制体结构增强的C/C复合材料力学性能的差异主要取决于长纤维的完整性、大孔的分布和数量等因素。C/C复合材料的螺栓性能由于体材料性能和加工过程中缺陷的影响, 其拉伸强度略低于其体材料, 并表现出更为明显的脆性断裂模式。     

预制体中添加碳化硼对C/C复合材料氧化特性的影响

以添加碳化硼的炭纤维针刺整体毡为预制体,经化学气相渗透、树脂浸渍/炭化补充增密制备了C/C复合材料,考察了该材料在600～900℃的氧化性能.研究结果表明:与未添加碳化硼的C/C复合材料相比,添加碳化硼不仅提高了C/C复合材料的结构完整性,而且在氧化过程中生成了B2O3保护膜或保护簇团覆盖在其表面或裸露的炭纤维上,从而有效地减缓了基体或纤维的氧化,显著提高了C/C复合材料的整体抗氧化能力.     

载气对C/C复合材料CVI热解炭显微结构的影响

在1000℃,0.5 kPa丙烯分压条件下,以N₂、H₂为载气和无载气情况下于热梯度CVI炉中制备了C/C复合材料,研究了载气特别是氢气对材料基体热解炭显微结构的影响。通过偏光显微镜测定材料不同区域CVI热解炭的消光角,分析热解炭显微结构在试样中的分布规律。结果表明: N₂在CVI过程中充当惰性角色,不影响热解炭的显微结构; H₂可以调节热解炭沉积时的微环境气氛,更有利于得到粗糙层结构热解炭。试样增密延长炭源气滞留时间,引起带状结构热解炭中显微结构的突变。借助氢气作为载气,可以实现对C/C复合材料中热解炭显微结构的更优控制。      

预制体尺度对C/C复合材料CVI增密过程影响的模拟研究

对不同直径圆柱预制体的CVI增密过程进行数值模拟研究,分析预制体尺度对增密过程及密度分布 的 影 响。针 对 高90mm,直 径 分 别 为60、120、180mm的预制体,分别模拟CVI过程中预制体的孔隙率、密度以及孔隙平均尺寸分布和变化特征。结果显示,小直径预制体经过一段时间的沉积后密度分布较为均匀,且平均密度值很高;预制体直径较大时,沉积易发生在表面区域,导致表面区域密度较高,中心区域密度值较低,影响进一步的增密过程。     

C/C复合材料等温CVI工艺Mamdani模糊系统建模

利用隶属函数表征了碳/碳(C/C)复合材料CVI工艺各主要影响因素,基于Matlab模糊逻辑工具箱,建立了C/C复合材料等温CVI工艺Mamdani模糊系统模型,分析了沉积温度、沉积时间、预制体纤维体积分数和前驱碳氢气体与稀释气体的比率对制件密度的影响。预制体纤维体积分数是直接影响材料的密度和其它性能的因素;CVI工艺受热解化学反应和前驱气体扩散两个主要过程的控制,沉积温度或前驱碳氢气体比率升高,能够加快热解化学反应速度,使沉积速率在沉积前期(t<300h)具有较高的值,但导致材料的密度梯度增大,使后期沉积极为困难。     

气体滞留时间对微波热解CVI工艺制备C/C复合材料性能的影响

以炭毡为预制体, N₂为稀释气体, 甲烷为炭源前驱体, 其分压为10kPa, 沉积温度为1100℃的工艺条件下,研究了不同的气体滞留时间(0.05、0.1、0.15、0.2s)对微波热解CVI工艺制备炭/炭复合材料的致密化速率、样品的体积密度及其密度均匀性的影响, 并对其组织结构进行了观察. 分析了气体的滞留时间对微波热解CVI工艺制备炭/炭复合材料的影响规律及组织结构的变化. 结果表明: 采用微波热解CVI工艺在1100℃90h内制备出体积密度为1.70g·cm^-3的炭/炭复合材料, 在滞留时间为0.15s时预制体呈现从内到外逐步致密的规律. 同时, 随着滞留时间的延长, 热解炭的组织结构从低织构到中等织构变化.     

三向正交预制体织造参数对C/C复合材料性能的影响

以Z向间距不同的三向正交结构预制体为研究对象,采用化学气相渗透和浸渍树脂相结合的工艺制备碳/碳(C/C)复合材料,研究织造参数对C/C复合材料微观结构和弯曲性能的影响。以三向正交预制体最小的重复结构为单元建立计算模型,获得三向正交预制体纤维含量与织造参数的关系式并进行验证,结果表明：Z向纤维间距及X,Y向纤维层间距越小,预制体纤维含量越高;Z向纤维间距越大,纤维交织处扭曲变形大,预制体孔隙结构发生变化;相同致密化工艺下,孔隙结构的变化影响C/C复合材料中基体碳的组成和分布,对基体碳形貌无影响;X,Y向纤维含量越高,Z向纤维间距越小,致密后的C/C复合材料弯曲强度越高。     

密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70g/cm~3、1.82g/cm~3、1.89g/cm~3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能。结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低。当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高。材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势。材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数。材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大。热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82g/cm~3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力。在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计。     

密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70 g/cm3、1.82 g/cm3、1.89 g/cm3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能.结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低.当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高.材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势.材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数.材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大.热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82 g/cm3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力.在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计.     

C布预制体C/C复合材料磁电阻特性研究

C布预制体C/C复合材料试样经不同温度石墨化处理后,通过X射线衍射法标定其石墨化度,研究其磁电阻特性。结果表明:随着石墨化度的提高,C/C复合材料的磁电阻增大;石墨化度对C/C复合材料磁电阻-位向关系无影响,磁电阻-位向关系是材料本身的特性,不随石墨化度、磁场强度、测量温度等因素的变化而变化,实验用材料最大磁电阻出现在90°位向处;固定磁场强度,不同石墨化度试样的最大磁电阻随测量温度(5～300K)的增加线性降低;测量温度高于5K,外加磁场小于1.2T时,磁电阻随磁场强度的增大线性增大,场强高于1.2T后,磁电阻不再随磁场强度的增加而变化;测量温度在4.2K时,磁电阻随外加磁场的变化会出现量子化平台。     

旋转CVI制备C/SiC复合材料

旋转 ＣＶＩ是在 ＣＶＩ原理基础上发展的一种制备 Ｃ／ＳｉＣ复合材料的新工艺,通过石墨衬底的旋转,使预制体的制备与基体的沉积同步进行,能有效消除一般ＣＶＩ工艺过程中存在的“瓶颈”效应．在自制的旋转 ＣＶＩ设备上实验,探索了旋转 ＣＶＩ工艺参数中 ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３（ＭＴＳ）的流量与浓度、沉积温度和Ｃ布缠绕线速度对ＳｉＣ基体沉积速度,以及沉积温度对基体结构的影响．并在低压（５ｋＰａ）、高温 （１１００℃）、 ４００ ｍＬ·ｍｉｎ^－１ Ｈ_２、 ２００ ｍＬ·ｍｉｎ^－１Ａｒ、 ＭＴＳ４０℃与Ｃ布以１．１～３．５ｍｍ·ｍｉｎ^－１的线速度连续旋转的沉积条件下,实现了单丝纤维间微观孔隙、纤维束之间以及Ｃ布层间宏观孔隙的致密化同步完成．     

微波热解CVI法制备C/C复合材料

在传统CVI工艺的基础上,提出了一种新的炭/炭复合材料沉积致密化技术-微波热解CVI工艺.该工艺采用微波炉加热炭毡预制体,预制体自身发热,并通过控制微波场强分布和热传导过程产生温度梯度,加上微波对极性分子的极化作用和对热解反应和表面沉积反应的催化作用,使预制体从中心至表面逐层快速致密.通过考察炭毡预制体经微波加热后的温度场分布和沉积样品的体积密度变化和径向密度分布,观察材料的微观结构,分析了预制体的致密化过程.结果表明:微波热解CVI工艺在1075℃～1150℃的沉积温度下,以甲烷为碳源前驱体,经90 h的热解沉积,成功制备出体积密度为1.70 g/nc3的炭/炭复合材料,平均致密化速率达到0.0189g/(cm3·h);避免了表面结壳现象,热解炭沿着纤维表面层状生长;采用该工艺制备了结构均匀、主要为中等织构的热解炭.     

遗传算法在C/C复合材料等温CVI工艺参数优化中的应用

阐述了采用基于遗传算法的数值优化技术对等温CVI工艺参数进行优化的方法和过程，并对2DC/C复合材料的ICVI工艺参数进行了优化。结果表明，该技术有助于降低实验成本，提高碳基、陶瓷基复合材料的制备效率和质量。