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3D打印仿生多重管状吸能结构碳纤维复合材料及其力学性能

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复合材料学报 2025年

作者：杨方鸿付韫辰钟佳明张代军信中华关博文王成博叶璐黄威北京航发北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室华中科技大学材料科学与工程学院

本文基于马蹄、骨骼等自然界生物组织的管状吸能结构启发，设计并制备了一种仿生多重管状结构的碳纤维复合材料。通过3D打印制造出具有多重管状结构的碳纤维复合材料，并引入紫外光固化技术使柔性聚氨酯树脂在管状结构中固化而形成异质... 详细信息

本文基于马蹄、骨骼等自然界生物组织的管状吸能结构启发，设计并制备了一种仿生多重管状结构的碳纤维复合材料。通过3D打印制造出具有多重管状结构的碳纤维复合材料，并引入紫外光固化技术使柔性聚氨酯树脂在管状结构中固化而形成异质界面，显著提升了材料的韧性和抗冲击能力。实验结果表明，该仿生结构材料在静态压缩测试中展现出延长的屈服阶段和优异的变形恢复能力，比强度和能量吸收密度可达130.6 [MPa/(g/cm3)]和44.6 J/g，高于传统的蜂窝吸能结构；在三点弯曲试验中表现出更长的塑性变形区域，其断裂韧性为碳纤维板的1.54倍；在冲击测试中，裂纹扩展受限于管的分布，并且通过异质界面破坏显著提高吸收能量，避免了材料发生灾难性破坏。该研究为复合材料的抗冲击设计提供了新的仿生策略，尤其在国防、航空航天等需要高韧性、高强度材料的应用领域，具有广泛的应用潜力和前景。

关键词：仿生管状结构 3D打印复合材料异质界面抗冲击性能

C/Al2O3复合材料的固体粒子冲蚀行为与磨擦磨损性能

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稀有金属材料与工程 2019年第7期48卷 2323-2329页

作者：范朝阳马青松曾宽宏国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室

以溶胶浸渍热处理技术路线制备的碳纤维布叠层缝合预制件增强Al2O3(C/Al2O3)复合材料为对象,以刚玉粉为介质,研究了复合材料的固体粒子冲蚀行为,按照GB5763-2008规定的条件研究了复合材料的磨擦磨损性能。室温下,复合材料冲蚀率随着冲... 详细信息

以溶胶浸渍热处理技术路线制备的碳纤维布叠层缝合预制件增强Al2O3(C/Al2O3)复合材料为对象,以刚玉粉为介质,研究了复合材料的固体粒子冲蚀行为,按照GB5763-2008规定的条件研究了复合材料的磨擦磨损性能。室温下,复合材料冲蚀率随着冲击角度与送粉量的增大而增加;温度升高,由于机械冲击和热冲击的双重作用,冲蚀率显著变大。在GB5763-2008规定的条件下,C/Al2O3复合材料具有稳定的摩擦系数和很低的磨损率。结合微观形貌分析,探讨了复合材料的冲蚀与磨损机理。得益于连续碳纤维的补强增韧作用,即使基体致密度低于单体Al2O3陶瓷,C/Al2O3复合材料在冲蚀和磨损时不会发生脆性断裂,使用安全性优于单体Al2O3陶瓷。

关键词：氧化铝复合材料冲蚀磨擦磨损

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第三代SiC纤维及其在核能领域的应用现状

无机材料学报 2020年第5期35卷 525-531页

作者：王堋人苟燕子王浩国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

第三代SiC纤维具有近化学计量比的元素组成和高结晶致密的特性,与第一、第二代SiC纤维相比,在耐高温、抗氧化、抗蠕变及抗辐射等性能上均有明显的提升,因此在工程应用上尤其在核能领域拥有更明显的优势和更广阔的前景。本文对第三代SiC... 详细信息

第三代SiC纤维具有近化学计量比的元素组成和高结晶致密的特性,与第一、第二代SiC纤维相比,在耐高温、抗氧化、抗蠕变及抗辐射等性能上均有明显的提升,因此在工程应用上尤其在核能领域拥有更明显的优势和更广阔的前景。本文对第三代SiC纤维的制备工艺、性能特点进行了介绍和比较,综述了第三代SiC纤维在核能领域的应用,并对其发展前景进行了展望。

关键词： SiC纤维第三代核能应用综述

熔融纺丝过程优化制备细直径碳化硅纤维及其对力学性能的影响

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无机材料学报 2018年第7期33卷 721-727页

作者：王国栋宋永才国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

强度、模量和柔顺性作为碳化硅(SiC)纤维重要的力学性能受到纤维直径大小的影响,而制备工艺中的熔融纺丝过程对纤维直径起决定作用。本工作研究了纺丝温度、纺丝压力和卷绕速度对聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)原纤维直径的影响,分析了... 详细信息

强度、模量和柔顺性作为碳化硅(SiC)纤维重要的力学性能受到纤维直径大小的影响,而制备工艺中的熔融纺丝过程对纤维直径起决定作用。本工作研究了纺丝温度、纺丝压力和卷绕速度对聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)原纤维直径的影响,分析了纺丝过程中纤维断裂的原因,并初步探究了SiC纤维直径与力学性能的关系。结果表明,在一定范围内降低纺丝温度、降低纺丝压力和提高卷绕速度均能显著减小原纤维的直径。在连续纺丝的前提下,最优纺丝工艺下得到的PCS原纤维直径为13.5μm。随着PCS纤维直径由18.3μm减小至13.5μm,SiC纤维直径则由13.8μm减小至9.5μm,而SiC纤维的强度与模量分别由1.7、181 GPa提高至2.9、233 GPa,强度分布更为集中,柔顺性得到显著提高。

关键词：聚碳硅烷熔融纺丝 SiC纤维直径

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CDC法制备纳米多孔碳研究进展

无机材料学报 2013年第10期28卷 1051-1056页

作者：段力群马青松陈朝辉国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

纳米多孔碳具有很多优良的性能,如优异的生物相容性、高导电性、高比表面积等,可应用于电极材料、吸附、分离、催化剂载体等领域。碳化物衍生碳法(Carbide-derived carbons,CDC)在制备纳米多孔碳方面具有比表面积大范围可调、孔结构和... 详细信息

纳米多孔碳具有很多优良的性能,如优异的生物相容性、高导电性、高比表面积等,可应用于电极材料、吸附、分离、催化剂载体等领域。碳化物衍生碳法(Carbide-derived carbons,CDC)在制备纳米多孔碳方面具有比表面积大范围可调、孔结构和石墨化程度精确可控、成本低、保持原有碳化物形态等优点,逐步引起了材料研究者的重视。本文从CDC工艺原理出发,重点概述了CDC工艺的最新研究进展,并介绍了其在超电容电极材料、吸附等领域中的应用情况,最后针对CDC工艺的不足,对其未来发展进行了展望。

关键词：纳米多孔碳 CDC法卤化反应刻蚀综述

连续Si-Fe-C-O功能陶瓷纤维的制备及其表面分析

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无机材料学报 2006年第1期21卷 103-108页

作者：陈志彦李效东王军国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

采用聚二甲基硅烷(PDMS)和二茂铁合成出聚铁碳硅烷(PFCS),后者经熔融纺丝、预氧化、烧成,可制得电阻率低至10-2Ω·cm、拉伸强度2．0GPa、长度>500m的连续Si—Fe-C-O 纤维．探索了连续Si-Fe-C-O纤维的制备工艺．研究了铁对纤维电阻率和... 详细信息

采用聚二甲基硅烷(PDMS)和二茂铁合成出聚铁碳硅烷(PFCS),后者经熔融纺丝、预氧化、烧成,可制得电阻率低至10-2Ω·cm、拉伸强度2．0GPa、长度>500m的连续Si—Fe-C-O 纤维．探索了连续Si-Fe-C-O纤维的制备工艺．研究了铁对纤维电阻率和β-SiC结晶的影响: 铁含量的增加有利于β-SiC晶粒的增长和电阻率的降低．XPS剖面分析表明:陶瓷纤维的表面富含碳,随着径向深度增大铁含量增加．

关键词：连续Si—Fe—C-O纤维合成电阻率 β-SiC XPS剖面分析

自由碳的脱除对SiC纤维微观结构和性能的影响

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无机材料学报 2016年第5期31卷 529-534页

作者：曹适意王军王浩王小宙国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

采用加氢烧成法脱碳,制备了不同自由碳含量的连续SiC纤维。通过元素分析、红外、X射线衍射和拉伸试验等手段对纤维的脱碳过程、元素组成、微观结构和性能进行了分析。结果表明:加氢烧成通过抑制脱H_2反应、促进脱CH_4反应而实现有效脱碳... 详细信息

采用加氢烧成法脱碳,制备了不同自由碳含量的连续SiC纤维。通过元素分析、红外、X射线衍射和拉伸试验等手段对纤维的脱碳过程、元素组成、微观结构和性能进行了分析。结果表明:加氢烧成通过抑制脱H_2反应、促进脱CH_4反应而实现有效脱碳,且氢气浓度越高,纤维中的碳含量越低。纤维芯部元素分布均匀,表明该方法可以实现均匀脱碳,但表面出现很薄的富碳层,这是纤维经氢气处理后表面吸附氧形成的富氧层在高温烧成时分解所致。自由碳的脱除引起纤维晶粒长大,密度增加,孔隙率降低,电阻率升高,拉伸强度与拉伸模量提高。近化学计量SiC纤维具有优异的综合性能。

关键词：自由碳 SiC纤维结构与性能氢气

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预氧化聚碳硅烷纤维热分解动力学及其机理

新型炭材料 2007年第2期22卷 171-176页

作者：郑春满李效东余煜玺王浩冯春祥国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室湖南长沙410073

利用动态TGA分析和Coats-Redfern模型研究了预氧化聚碳硅烷(PCS)纤维的热分解动力学,用IR、XRD、SEM和HRTEM等研究了其热分解过程与机理。结果表明,预氧化PCS纤维热分解过程为一级反应,表观活化能为19.826kJ/mol;在初始分解阶段,主要为... 详细信息

利用动态TGA分析和Coats-Redfern模型研究了预氧化聚碳硅烷(PCS)纤维的热分解动力学,用IR、XRD、SEM和HRTEM等研究了其热分解过程与机理。结果表明,预氧化PCS纤维热分解过程为一级反应,表观活化能为19.826kJ/mol;在初始分解阶段,主要为小分子PCS逸出,≡Si-H键之间以及≡Si-H与≡Si-CH3键发生了脱氢、脱CH4反应,从而导致交联程度的增加;随热分解温度进一步提高,分子的有机侧链急剧热解,分解产物从有机物转变为存在部分微晶的无机结构;热分解温度继续提高,纤维无机化结构进一步完善,β-SiC晶粒尺寸增加,纤维中出现自由碳;1250℃以上,β-SiC晶粒急剧长大,晶粒尺寸增加导致SiC纤维的力学性能下降。

关键词：聚碳硅烷热分解动力学预氧化碳化硅纤维

异质元素改性聚硅氧烷衍生SiOC陶瓷研究进展

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材料工程 2019年第7期47卷 19-25页

作者：胡智瑜马青松国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室

有机聚合物衍生陶瓷(PDCs)技术是陶瓷材料的主流制备技术之一。作为制备高性价比陶瓷材料的理想原料,聚硅氧烷(PSO)衍生SiOC陶瓷得到很好的发展。通过异质元素改性可进一步提高SiOC陶瓷的热稳定性和拓展功能特性,成为近年来的研究热点... 详细信息

有机聚合物衍生陶瓷(PDCs)技术是陶瓷材料的主流制备技术之一。作为制备高性价比陶瓷材料的理想原料,聚硅氧烷(PSO)衍生SiOC陶瓷得到很好的发展。通过异质元素改性可进一步提高SiOC陶瓷的热稳定性和拓展功能特性,成为近年来的研究热点。本文在介绍SiOC陶瓷微观结构的基础上,分别从提高热稳定性和拓展功能特性的角度,综述了异质元素改性PSO衍生SiOC陶瓷的研究现状。结合原子局部化学环境的演化行为来揭示异质元素的作用机制以及加强改性SiOC陶瓷的应用研究是后续研究需要重点关注的问题。

关键词： SiOC陶瓷聚硅氧烷异质元素改性