碳/碳复合材料表面烧蚀多尺度粗糙度模拟简

通过建立碳/碳（C/C）复合材料在宏观、微观不同尺度上的烧蚀模型,利用有限元方法分析了C/C复合材料在烧蚀过程中的体积损失、表面粗糙度以及烧蚀性能的变化规律。微观上,模拟了材料烧蚀呈现的尖笋状粗糙度形貌。宏观上,采用ALE方法,并基于实验结果通过Fortran编程控制材料表面烧蚀后退运动,建立了C/C复合材料表面烧蚀的多尺度热力耦合分析模型,并进行瞬态有限元分析。结果表明：材料烧蚀表面粗糙度程度与烧蚀速率、材料性能密切相关;并且随着材料烧蚀程度的不同,材料的表面应力也相应变化。     

编织碳/碳复合材料剪切性能测试方法研究

根据Iosipescu剪切试验原理和编织碳/碳(C/C)复合材料的微结构特征,设计了相应的夹具和试件,建立了三维碳/碳复合材料剪切性能的试验方法。利用该方法对细编穿刺C/C复合材料进行了剪切试验,得到了材料在不同方向上的载荷-应变曲线。结果表明改进的Iosipescu试验方法能有效测定编织C/C复合材料的剪切性能。通过试件的断口分析,揭示了材料在加载过程中微结构不断演化导致材料最终破坏的断裂机理,材料的τ-γ曲线也体现了明显的分段线性特征,不同材料方向的剪切性能和破坏模式也不相同。     

3D C/C复合材料的电弧驻点烧蚀及机理分析

采用电弧驻点烧蚀试验方法,测试细编穿刺毡增强体C／C复合材料的烧蚀率,并采用电子扫描显微镜观察烧蚀表面形貌。研究结果表明:在电弧驻点烧蚀试验条件下,3D C／C复合材料具有较好的烧蚀性能;C／C复合材料的烧蚀过程主要受热化学烧蚀和机械剥蚀2种烧蚀机制的共同作用,二者相互促进,以机械剥蚀为主;微观烧蚀形貌主要由热化学化蚀导致,宏观烧蚀形貌则主要是机械剥蚀所致。     

碳/碳复合材料中不同微区的基体结构

为优化碳基体结构,提高碳/碳(C/C)复合材料综合性能,针对沥青基C/C复合材料中纤维束内及纤维束间不同碳基体结构微区,利用显微Raman光谱、原位纳米力学测试、Micro-CT、扫描电镜(SEM)和压汞仪对碳基体结构进行研究。结果表明:碳基体呈片层结构沿纤维、纤维束表面取向堆积排列,在纤维、纤维束表面区域及纤维束之间碳基体中存在一定孔隙、裂纹等缺陷;纤维间基体的石墨化程度是沿着纤维表面向中心区域逐步增强,靠近纤维表面区域基体的弹性模量高于纤维间区域的弹性模量。C/C复合材料中碳基体形成过程存在渐次性和差异性,从而影响C/C复合材料综合力学性能。     

炭纤维增强树脂炭复合材料微观结构与烧蚀性能

采用金相显微镜和扫描电镜对炭纤维增强树脂炭复合材料微观结构进行分析,采用等离子烧蚀方法研究了炭纤维增强树脂炭复合材料不同方向的烧蚀性能,并对其烧蚀表面形貌进行扫描电镜观察,分析了复合材料烧蚀性能差异的原因.研究结果表明:炭纤维增强树脂炭复合材料中炭纤维和树脂炭结合较好,基体中产生了应力石墨化,材料烧蚀优先从纤维与树脂炭的界面及缺陷处开始,轴向垂直于气流方向的纤维越多,材料烧蚀率越小.     

碳/碳复合材料在半导体制造行业的应用

通过对C/C复合材料力学性、断裂性、导热性、热弯曲强度、氧化性及烧蚀性几方面性能进行详细归纳,总结出其具有其他材料不可替代的独特性能。深入解析了C/C复合材料在单晶硅制造中作为热场材料应用的可能性乃至必要性,提出C/C复合材料终将取代石墨材料成为制造大型单晶炉隔热部件的首选材料。     

C/C-SiC复合材料的表面烧蚀模型及数值模拟

基于炭基和硅基防热复合材料的烧蚀机理对C/C-SiC防热复合材料进行烧蚀分析.依据相变原理,在热传导方程和能量平衡原理的基础上,建立了一维非稳态烧蚀数值模型,模拟了C/C-SiC防热复合材料的烧蚀过程,分析结果与实验数据吻合良好.同时通过数值对比看出,在同等的烧蚀环境中,C/C复合材料的烧蚀速率最快,材料内部温度最低;...     

旋转超声铣削碳/碳复合材料表面三维粗糙度研究

为了改善碳/碳复合材料铣削表面质量，提升其使役性能，开展了旋转超声铣削碳/碳复合材料表面粗糙度的研究。首先研究了端铣表面三维粗糙度Sa、Sq、Sku和Sdr随主轴转速、进给速度、切深和超声电流的变化规律。其次，分析了旋转超声侧铣对不同纤维切角下三维粗糙度的影响特性。最后分别从端铣和侧铣的角度讨论分析了超声振动对表面质量的改善机理。试验结果表明：施加超声场能后端铣表面粗糙度幅度参数Sa和Sq不仅降低了约20%,而且随加工参数的增加，波动性减小，变化趋势更加明显。侧铣时超声振动使得碳/碳复合材料在不同纤维切削角下的Sa和Sq减小了10%～33%。此外，旋转超声铣削表面界面扩展比Sdr在端铣和侧铣中都有较大幅度的减少，最高可达65%,有效减少了碳/碳复合材料表面的空隙和裂纹。     

C/C复合材料弯曲性能数值模拟与试验验证

对C/C复合材料在弯曲载荷下的性能进行了试验研究和有限元数值模拟研究。试验中,沿两个加载方向分别测试了C/C复合材料的弯曲性能,绘制了试验件的载荷位移曲线并给出了损坏试验件的微观照片。在有限元模拟中,采用了Linde失效准则来进行模拟,预测了C/C复合材料在垂直于纤维方向上的弯曲强度。有限元模拟结果与试验结果相比,误差为3.56%。最后分析了C/C复合材料在弯曲载荷作用下的损伤破坏机理。C/C复合材料受到弯曲载荷时,发生破坏的主要原因是轴向纤维在拉伸应力下达到强度极限而破坏。纤维损伤主要出现于0度纤维层的中间部分,而基体的损伤分布情况范围较广,主要集中于上表面和试件的中间部分。     

C/C-SiC复合材料的制备及其烧蚀性能

采用料浆喷涂法将SiC粉添加到针刺碳毡中,利用化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)与前驱体浸渍裂解(precursor infiltration pyrolysis,PIP)复合工艺制备C/CSiC复合材料.借助X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)与扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察材料的微观结构,利用H_2-O_2焰烧蚀实验测试材料的抗烧蚀性能,分析其烧蚀行为.结果表明:烧蚀500 s后,SiC含量为9%的C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能显著优于C/C复合材料,其线烧蚀率降低了63%,质量烧蚀率降低了76%.烧蚀中心区,烧蚀最严重,且材料的烧蚀主要是升华和机械剥蚀,并伴有氧化.烧蚀过渡区,熔融SiO_2能够弥合材料的裂纹、孔隙等缺陷,阻挡氧化性气氛进入材料内部,使材料表现出优异的抗烧蚀性能.材料的烧蚀主要是热氧化和H_2-O_2流的剪切剥蚀.在烧蚀边缘区,烧蚀轻微,热氧化起主要作用.     

PVA辅助两步碳热还原法合成LiFePO_4/C复合材料

以Fe3+为铁源,葡萄糖和有机物聚乙烯醇PVA共同为碳源两步碳热还原法合成LiFePO4/C材料.采用XRD,SEM,LAND电池测试系统及电化学工作站等对材料的晶体结构、形貌和电化学性能进行了研究,并对PVA不同时间加入对材料性能的影响做了分析.结果表明:PVA在原料预烧之后加入,所得LiFePO4/C复合材料具有丰富的表面结构,有较小的交流阻抗和很好的充放电性能,0.1C下初始放电比容量达到了167mAh.g-1,且不同倍率下循环性能稳定.     

高导热碳/碳复合材料的制备

以中间相沥青和中间相沥青基碳纤维为原料, 采用碳布热压法、液相浸渍法制备了二维和三维高导热碳/碳复合材料, 且所制得复合材料的热导率分别高达443和340 W/(m·K). 依据碳/碳复合材料的热导率模型, 分析了不同结构特征参数对材料热导率的影响. 结果表明, 基体碳热导率、孔隙率以及界面相厚度均会在一定程度上影响材料的导热性能.     

C/C和C/C-SiC复合材料的氧化及烧蚀性能

用液相浸渍．裂解聚硅烷工艺制备了C／C-SiC复合材料，对比了C／C与C／C-SiC复合材料的氧化及烧蚀性能，用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析了氧化与烧蚀前后的微观结构及物相变化．结果表明：C／C-SiC复合材料使C／C复合材料的氧化起始温度从500℃提高到700℃；在600℃和700℃恒温氧化条件下，C／C-SiC复合材料比C／C复合材料的氧化速率分别降低38％和47％，失重率分别降低35％和47％；C／C-SiC复合材料的耐烧蚀性能优于C／C复合材料．     

C/C基体上ZrB2/SiC复合涂层的抗烧蚀性增强方法

研究高压热流场景下，在碳/碳(C/C)基体表面Zr B2/Si C复合涂层的抗烧蚀性增强方法.在等离子体喷涂Zr B2/Si C复合涂层表面，采用CH3Si Cl3–H2–Ar系统，化学气相沉积(CVD)–Si C密封层.对Zr B2/Si C涂层与CVD–Si C密封层的结构演化、烧蚀性能与烧蚀机理进行了研究.结果表明：CVD–Si C密封层增强的Zr B2/Si C复合涂层经过两个600 s循环烧蚀后，仍然具备抗烧蚀性能，表面CVD–Si C由β相向α相转化.CVD–Si C密封层填充了等离子喷涂Zr B2/Si C复合涂层的空隙，限制了氧沿着涂层裂纹和孔洞向C/C基体扩散，进而提高了抗烧蚀性.     

氧化铝纤维增强铝硅基复合材料活塞烧蚀性能

为了研究氧化铝纤维增强铝硅基复合材料活塞的烧蚀性能,对氧化铝纤维及复合材料进行了性能测试及分析.利用所建的烧蚀试验装置测试了复合材料试件的烧蚀性能,并对复合材料的烧蚀机理及烧蚀模型进行了探讨.最后通过建立活塞的有限元模型,分别对铝硅合金活塞和复合材料活塞进行了烧蚀预测计算和对比研究.结果表明:氧化铝纤维增强铝硅基复合材料具有致密的网络结构和较大的高温强度,在高温高速气流的冲击下,仍能使材料整体保持很好的结构,材料的线烧蚀量和质量烧蚀量较小;复合材料的烧蚀机制是熔化烧蚀和气流剥蚀的共同作用;所建烧蚀模型及有限元计算方法可以很好地对活塞的烧蚀进行预测,在相同工况下,氧化铝纤维增强铝硅基复合材料活塞的烧蚀量与铝硅合金材料相比非常小,是活塞理想的材料.     

Al2O3界面修饰单向纤维C/C复合材料组织结构及其力学性能

为了缓解C/C复合材料脆性,利用勃姆石溶胶对单向碳纤维预制体进行处理,在纤维表面制备了Al₂O₃涂层.使用自制的热梯度化学气相沉积(TG-CVI)设备对预制体进行致密化,得到致密的C/C复合材料.通过高温热处理进一步调节界面的结合强度和基体碳的石墨化程度.利用排水法测试复合材料的密度,万能材料试验机测试其拉伸性能,采用可视化石墨烯片层技术(VGT)对试样进行处理,使用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)分别研究复合材料的微观组织、界面和断面形貌、以及物相组成.结果表明：涂覆Al₂O₃涂层的C/C复合材料在沉积后期转变为粗糙层(RL)织构.经过高温热处理后,碳基体的石墨化程度提高,改变了C/C复合材料的断裂机制.由复合材料最初的脆性断裂向拟延性转变,延伸率提高.C₍f(Al₂O₃))/C-3样品的峰值应力达到了77.3 MPa,延伸率达到了15%.     

细编穿刺3D碳/碳复合材料双向拉伸实验研究

对细编穿刺3D碳/碳复合材料双向拉伸性能进行了实验研究,介绍了双向拉伸实验方法,自行设计制作了一套双向拉伸实验装置,采用有限元分析方法进行了十字型试件的设计.对两种不同铺层的细编穿刺3D碳/碳复合材料进行了1∶1应力状态下的双向拉伸实验,得到了材料在该种应力状态下的强度,试件初始破坏都发生在中心区.研究结果为该种材料在复杂应力状态下的强度分析奠定了基础.     

碳/酚醛复合材料体积烧蚀行为的数值模拟

为了准确掌握碳/酚醛防热复合材料的烧蚀特性和烧蚀机理,基于质量和能量守恒、材料热分解以及物性的计算方程,应用数值模拟方法计算了碳/酚醛复合材料的热响应和体积烧蚀行为.计算结果表明:烧蚀过程中碳/酚醛复合材料具有不均匀的温度场分布,在厚度方向上最大温差达到了634 K,并且加热面上基体温度比纤维温度高出了175 K;酚醛基体的平均密度几乎呈线性衰减,40 s时平均密度降低了37.8%;烧蚀过程中酚醛基体具有较大的质量损失,40 s时质量损失了0.31 g,是20 s时的2.4倍.     

硅/碳复合材料的高温热解法制备及其电化学性能

采用高温热解方法成功地合成了高容量硅/碳复合负极材料.通过X射线衍射分析、热重分析、扫描电子显微镜观察、透射电子显微镜观察、恒电流充放电测试、循环伏安法等手段研究了复合材料的性能.结果表明：硅/碳复合材料由Si、C以及少量SiO2组成;硅/碳复合材料中碳的质量分数约在39%左右;经电化学性能测试,在电流0.2 mA下,该硅/碳复合材料首次充电容量768 mAh·g-1,首次库仑效率75.6%,70次循环后可逆比容量仍为529 mAh·g-1,平均容量衰减率为0.44%.这些性能改善归因于硅/碳复合材料中碳的引进,硅表面存在的碳涂层提供了一个快速锂运输通道,降低了电池的阻抗并且充放电过程中稳定了电极的组成.     

树枝状非连续界面相对碳／铝复合材料力学性能的影响

以弹塑性力学理论,断裂力学理论及非线性有限元理论为基础,根据材料实验和观察的现象及数据,采用有限元分析方法,建立了树枝状非连续界面相有限元计算模型,分析碳／铝复合材料界面反应产物对复合材料力学性能的影响,阐述了非连续界面影响材料强度的机理,并将该界面细观的不连续结构和复合材料宏观的力学性能联系起来。