检索结果-南通市图书馆

作者：敬涛西安工程大学

学位级别：硕士

碳/碳(Carbon/carbon,C/C)复合材料在服役过程中,崩裂、崩块、界面脱粘现象频发,严重制约了其在空天领域的深度应用。分析认为,C/C复合材料应力承载达到碳基体应力极限时,碳基体首先发生崩裂,产生破坏性裂纹并迅速传导至碳纤维(Carbon F... 详细信息

碳/碳(Carbon/carbon,C/C)复合材料在服役过程中,崩裂、崩块、界面脱粘现象频发,严重制约了其在空天领域的深度应用。分析认为,C/C复合材料应力承载达到碳基体应力极限时,碳基体首先发生崩裂,产生破坏性裂纹并迅速传导至碳纤维(Carbon Fiber,CF)造成CF损伤,导致材料突发性失效。究其原因:一是碳基体缺乏亚微米、纳米尺度上的增强;二是碳纤维/基体界面结合状态不利于破坏性裂纹在该界面发生偏转,无法保证载荷有效传递至承载CF,强韧机制受限。本文借助电泳沉积(Electrophoretic Deposition,EPD)在CF表面共掺杂碳纳米管与碳化硅纳米线(Carbon Nanotube&Silicon Carbide Nanowire,CNTs&SiCnws)构建纳米纤维-CF多尺度预制体,借助化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)加载高织构热解碳(High Texture-Pyrolytic Carbon,HT-PyC)界面层优化碳纤维/基体界面促进CNTs&SiCnws和CF跨尺度协同强韧化C/C复合材料。通过调节CVI时间为2 h、4 h、6 h,EPD时间为1 min、3 min、5 min,进而控制HT-PyC界面层厚度及CNTs&SiCnws含量,系统的研究了CNTs&SiCnws含量、HT-PyC界面层厚度对C/C复合材料基体组织、微观结构、力学性能、氧化性能的影响,阐述了相关强韧化机制,主要结论如下:(1)随CVI时间增加,CF表面凹槽基本消失,PyC界面层取向度较高,为典型的HT-PyC,在CVI时间为6 h时,CF间出现粘联结构;随EPD时间增加,CF表面的CNTs&SiCnws含量增加,在EPD时间为3 min时,CNTs&SiCnws分布较为均匀,无明显的团聚和脱落现象。(2)CNTs&SiCnws可诱导基体PyC由单一结构转变为多层结构,在纳米纤维富集区域,形核生长点密集,可诱导形成各向同性(Isotropic,ISO)PyC,纳米纤维富集区域外,晶体、晶界尺寸明显大于富集区域,晶界交叉锁合,PyC层光学活性较高,为HT-PyC,整体呈现ISO-HT多层结构。(3)适量CNTs&SiCnws可促使晶体生长良好,减少环形裂纹,提高PyC结构有序性、完整性及石墨化度,改善基体组织的微观结构,但过量CNTs&SiCnws及厚度过大的HT-PyC界面层对基体组织的微观结构改善不明显。(4)CNTs&SiCnws为PyC生长提供了更多的形核点,但会阻碍致密化过程中碳氢气体的流通、扩散过程,进而影响PyC的渗透率,易导致基体形成“闭孔”结构,造成C/C复合材料的密度及孔隙率出现细微变化。(5)引入CNTs&SiCnws及HT-PyC界面层可实现对C/C复合材料的强韧化。对于弯曲性能,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C强度提升达74.33%,且失效形式表现为韧性断裂,强韧化改善最为显著;对于剪切性能,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C强度提升近100%,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C断裂假塑性表现最为明显,其强度提升不如前者;对于面外压缩性能,影响明显小于弯曲性能和剪切性能,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C提升较为明显,压缩强度达到269.55 MPa,较纯C/C提升24.63%。(6)CNTs&SiCnws有效减少了碳纤维/基体界面脱粘、基体环形开裂等氧气的传递通道,阻碍氧气的流通、扩散,界面层可使CF延迟发生氧化,进而提高C/C复合材料的抗氧化性能。对于静态氧化性能,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C失重率为11.28%,相比于纯C/C降低了64.46%;对于热震性能,CNTs&SiCnws会诱导碳基体形成多层结构和“闭孔”结构,该结构有利于抵抗高低温急剧变化导致的结构破坏,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C抗热震性能表现最好。

关键词：碳/碳复合材料纳米纤维多尺度预制体强韧化

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多尺度碳/碳复合材料力学性能研究

引用

合成纤维 2023年第2期52卷 13-18页

作者：张欢张一心卢晨荆云娟张亮儒陕西元丰纺织技术研究有限公司复材研发部陕西西安710038 西安工程大学纺织科学与工程学院陕西西安710048

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... 详细信息

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。

关键词： C/C复合材料多尺度预制体碳纳米管碳化硅纳米线力学性能

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