鋪層針刺預制體碳碳復合材料力學性能研究 zund G3 2XL-1600-濾心台中切割加工－胡揚劭焦點新聞熱搜

成果簡介：
　　以火箭發動機噴管用薄壁碳/碳復合材料熱結構件為研究背景，設計成型了兩種不同針刺預制體，以天然氣為碳源氣體進行等溫化學氣相沉積（ICVI）制備了密度為1.65~1.70g/cm3的C/C復合材料，分別使用對比和響應曲面法研究了針刺碳纖維預制體的纖維排布方式和針刺工藝參數對材料性能的影響規律，獲得了以下研究成果：（1）針刺碳/碳復合材料綜合性能佳的纖維排布方式和性能與針刺參數的響應曲面，（2）了解了纖維排布方向與受力方向夾角對材料拉伸和彎曲斷裂機制的影響，（3）根據響應曲面方程實現了已知針刺參數的C/C復合材料性能預測，（4）建立了針刺C/C復合材料性能設計時的針刺參數設計方程，且方程具有較好的準確度。
　　成果內容提要：
　　本研究針對國內尚未建立其纖維形態、含量、分布與針刺成型工藝參數與終C/C復合材料性能之間的關聯體系這一現狀，主要進行了針刺預制體中纖維排布方式和針刺參數對C/C復合材料的拉伸、彎曲和層間剪切性能的影響等方面的研究，并分析了基體微觀結構，獲得的主要成果和新見解如下：
　　（１）采用ICVI工藝在1000℃下熱解天然氣沉積得到的PyC基體主要為光滑層結構PyC，在材料內部的大孔隙中，光滑層結構外側有少量粗糙層結構PyC。
　　（２）設計了四種不同纖維排布方式的針刺預制體，分析表明[0°/90°/-45°/+45°]纖維排布的C/C復合材料具有較為均衡的力學性能與韌性，其各向同性性能優于其他纖維排布方式，可用于制備兼具高強度、高韌性的針刺C/C復合材料。
　　（３）使用SEM研究了不同排布角度纖維在拉伸和層間剪切性能測試中的斷裂機制。發現0°纖維有利于提升材料的拉伸、彎曲性能，但不利于提升材料的層間剪切性能；±45°纖維的存在有利于造成裂紋偏轉，形成假塑性斷裂，有利于提升材料的韌性。
　　（４）采用Design-expert軟件構建針刺參數與C/C復合材料力學性能的響應曲面關系，分析得到了在一定針刺參數范圍內C/C復合材料各項性能的可設計范圍：軸向拉伸強度為44.53~91.63MPa，環向拉伸強度為41.60~86.09MPa，彎曲強度為51.17~139.98MPa，層間剪切強度為11.09~23.3MPa。
　　（５）優化發現：針刺密度為12針/cm2，針刺深度為12mm，網胎面密度為150g/m2時，C/C復合材料的綜合力學性能佳，其軸向和環向拉伸強度分別為91.5MPa和73.3MPa，彎曲強度約為125.7MPa，層間剪切強度約為21.4MPa。
　　（６）根據針刺參數對各項性能的響應面方程構建矩陣，得到了C/C復合材料的軸環向拉伸、彎曲和層間剪切性能與針刺參數之間的數學關系，使用實驗結果的數學方程進行驗證計算，在確定某一針刺參數（如網胎面密度）的情況下，所得到的其余兩個針刺參數結果誤差小于7%，可較好的反映性能與參數之間的關系。
　　研究的創新點主要包括了兩個方面：
　　（１）在纖維排布對C/C復合材料力學性能影響的研究中揭示了不同纖維排布方式C/C復合材料的破壞方式，初步為適應不同應用要求優化纖維排布方式提供了理論基礎與數據支撐；
　　（２）在針刺參數對C/C復合材料力學性能影響的研究中，采用Design-expert軟件，給予統計試驗設計方法并結合模擬驗證，采用響應曲面法構建了多目標性能與多工藝參數相關性數學模型，初步實現了C/C復合材料的性能預測與針刺預制體成型工藝參數設計。
　　本研究所得到的結果進一步完善了針刺預制體成型工藝——C/C復合材料性能相互關聯體系，并為針刺C/C復合材料的預制體設計和制備提供了技術支撐，同時，在研究中應用了多目標性能多工藝參數相關性研究方法、小尺寸試樣的均勻致密工裝，對今后相關方面的研究具有重要指導意義。
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