預(yù)制體孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)CVI過程及材料性能的影響.pdf

1、C/C復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能已被作為一種高性能新型材料，廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。制備C/C復(fù)合材料的CVI工藝是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題之一。 炭纖維預(yù)制體的結(jié)構(gòu)對(duì)CVI過程中氣體的傳質(zhì)和C/C復(fù)合材料的性能有著重要的影響。在充分了解預(yù)制體的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)CVI過程中氣體傳質(zhì)的影響以及預(yù)制體結(jié)構(gòu)對(duì)C/C復(fù)合材料性能的影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的應(yīng)用需要選擇和設(shè)計(jì)合適的纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)以增加致密化速度，降低制備成本和提高材料性能具有重要意

2、義。 本研究采用全網(wǎng)胎針刺、無緯布/網(wǎng)胎針刺、三維細(xì)編穿刺三種炭纖維預(yù)制體(以下分別用A、B和C代表由這三種預(yù)制體制備的復(fù)合材料)，通過壓差式CVI工藝方法制備了C/C復(fù)合材料，研究了預(yù)制體孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)CVI工藝致密化過程及基體熱解炭微觀結(jié)構(gòu)的影響；同時(shí)，測(cè)試了材料的彎曲性能、剪切性能和導(dǎo)熱性能，探討了預(yù)制體結(jié)構(gòu)對(duì)C/C復(fù)合材料力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的影響。同時(shí)建立了三維正交結(jié)構(gòu)、全網(wǎng)胎針刺和無緯布/網(wǎng)胎針刺炭纖維預(yù)制體三種炭纖維預(yù)制

3、體的孔隙結(jié)構(gòu)幾何模型和CVI工藝過程中氣體流動(dòng)傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，從理論上研究了預(yù)制體的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)CVI工藝致密化過程的影響，并對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要結(jié)論如下： (1)預(yù)制體的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和形狀是決定反應(yīng)氣體在孔隙中傳質(zhì)速率和材料最終致密度的主要因素之一。其中，材料A在單位時(shí)間內(nèi)的平均增重率最大，材料B次之，材料C最小；而當(dāng)材料A和B的致密度隨著基體的沉積達(dá)到與材料C相等后，材料B的平均增重率最大，C次之，A最??；材料C的

4、密度始終最大，B次之，A最小； (2)基體熱解炭的結(jié)構(gòu)與預(yù)制體孔隙結(jié)構(gòu)無直接關(guān)系。材料A內(nèi)沉積的熱解炭的厚度大于材料B和C；對(duì)于材料B和C，網(wǎng)胎層內(nèi)纖維四周沉積的熱解炭厚度大于無緯布層纖維束之間的熱解炭厚度； (4)復(fù)合材料A的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于材料B和C；材料A表現(xiàn)出脆性斷裂的特征，材料B和C表現(xiàn)出較好塑性和韌性，且彎曲斷裂應(yīng)力-應(yīng)變曲線和剪切斷裂應(yīng)力-位移曲線在達(dá)到最大值后均呈臺(tái)階狀下降，表現(xiàn)出分層斷裂的特征

5、；纖維束拔出、纖維拔出和纖維與基體間界面脫粘等機(jī)制有利于提高材料的斷裂韌性； (5)三種復(fù)合材料平行方向的導(dǎo)熱系數(shù)差別很小，材料C在垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)小于材料A和B； (6)建立的比滲透率物理模型和數(shù)學(xué)模型合理；氣體傳質(zhì)過程是影響熱解炭沉積速率的主要因素之一；三維正交結(jié)構(gòu)炭纖維預(yù)制體的比滲透率隨X、Y和Z三個(gè)方向纖維束直徑變化而變化；全網(wǎng)胎針刺炭纖維預(yù)制體的比滲透率開始時(shí)比較大，當(dāng)其致密度隨基體的沉積增大到與無緯布/網(wǎng)胎