针刺技术在CC复合材料中的应用
针刺复合织物增强C／C复合材料结构与热性能研究
刘建军 李铁 虎 郝 志彪 李 ， ， ， 飞 嵇 阿琳 ，
７０ ２ ） １０ ５ （． １ 西北 工业 大学材料科学 与工程学 院 ， 两安 ７ ０ ７ ；． １０ ２ ２ 中国航天科 技集 团公 司四院四十三所 ， 西安
摘要 ： Ｔ３０平纹炭布和聚 丙烯 睛（ Ａ 预氧化纤维 网胎 叠层 针刺 ， 以 －０ Ｐ Ｎ） 经炭化后 制备 成准 三维结构 的 圆筒 复合 织物 。 在化学气相 沉积 至一定密度后 ， 用两种不 同工 艺制备 了 Ｃ Ｃ复合材料 。在金 相 显微镜 下对材料 的增强 结构进行 了分析 ， ／ 并对材料 热物理性 能进行 了测定。结果表 明。 网胎纤维沿径 向的针刺导入 明显增强 了材料的整体结构 ， 导入 的径向纤雏以 纤维簇 的形 式存在 ， 并不完全与层间垂直 ， 工艺过程对分布 形式影 响显著。８ ０ｏ ０ Ｃ时， 学气相沉 积（ Ｖ 和树 脂炭混合 化 Ｃ Ｄ） 基体 ， 中间经１８０ｏ ０ Ｃ高温处理的 Ｃ Ｃ复合材料其轴 向和径 向热扩散 系数 分别为 ０ ０ ４ｃ ｓ ０ ０ ６７ｃ ｓ比热容 分 ／ ．６ ｍ ／ 和 ．２ ｍ ／ ． 别为１９８ｘ ０Ｊ （ ・ 和 ２ ２ ８ｘ１ ／ ・ ） Ｃ Ｄ和 沥青炭混合基体 。 ．２ ／ Ｋ） ．７ Ｊ （ １ ０ Ｋ ；Ｖ 中间经 ２５０℃ 高温处理 的 Ｃ Ｃ复合材料 ， ０ ／
基于编织结构的针刺复合材料拉伸性能预测
2021年第4期复合材料科学与工程111 DO1：10.19936/ki.2096-8000.20210428.017基于编织结构的针刺复合材料拉伸性能预测付金毅，孙向春(北京航天长征飞行器研究所，北京100076)摘要：基于针刺石英/石英复合材料的细观结构，建立了考虑编织结构的单胞模型；引入周期性边界条件以及体素单元(Voxel)网格，建立单胞的有限元分析模型；假设针刺复合材料的非线性力学行为主要由基体产生，将针刺过程对复合材料力学性能的影响等效为复合材料基体性能的改变，使用J2塑性模型对基体性能进行修正；采用最大主应力准则、Mises应力准则以及Tsai-Wu失效准则作为各组分材料的失效判据，并将纤维束的失效模式进行区分，根据主损伤模式对相应方向的刚度性能进行折减，模拟了针刺石英/石英复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。
得到的仿真结果与试验曲线较为吻合，并且利用修正的基体本构模型，较好地表现了针刺复合材料的非线性特征。
在完成以上工作的基础上，分析了经线纬线所成角度对复合材料拉伸性能的影响，可为后续针刺复合材料的力学性能设计提供一定的理论依据。
关键词：针刺复合材料；二维编织；渐进损伤；细观力学；拉伸性能；J2塑性模型中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)04-0111-081前言针刺复合材料通过将石英编织布和网胎交替铺层，接力针刺,用特制的针(棱边上带倒钩)将网胎中的纤维引入铺层方向。
这些纤维可以将相邻铺层进行连接,使编织层与网胎层相互缠结，形成面内和层间都具有一定强度的复合材料。
与传统的三维编织复合材料相比，针刺复合材料具有良好的层间性能,而且工艺更为简单,可以廉价地生产各类异型结构部件，在航空、航天领域得到了广泛的应用［1］o 目前，国内外学者针对针刺复合材料力学性能预测进行了很多研究，主要采用了实验研究、细观力 学、有限元分析等方法。
但是，由于针刺复合材料细观结构复杂，各单元层铺层结构、刺针的多样性和工艺的复杂性等都是影响材料性能的重要因素［2］，导致针刺复合材料的模型建立存在很多的问题。
针刺CC-SiC复合材料双轴失效机制及高温拉伸性能研究
针刺C/C-SiC复合材料双轴失效机制及高温拉伸性能研究针刺C/C-SiC复合材料具有高比强度、高比模量、优良的耐磨性、抗热震性和化学稳定性等优异的高温力学性能和抗烧蚀性能,已成为航空航天工业和国防领域的关键性基础材料。
针刺复合材料的预制体结构复杂,针刺部位的微观结构存在较大不确定性,给材料的力学建模和分析提出了挑战。
在高温及复杂载荷条件下,针刺C/C-SiC复合材料表现出复杂的失效机理及材料性能的温度相关性,因此需要建立针刺复合材料室温及高温条件下的失效判据,为针刺C/C-SiC复合材料结构设计和强度校核提供理论基础。
本论文针对针刺C/C-SiC复合材料开展了复杂载荷及高温实验,分析了材料宏观力学特征及失效机理,研究了材料性能温度相关性的微观结构作用机制,发展了材料室温及高温强度性能预报方法,结合材料复杂载荷破坏模式建立了材料室温及高温失效判据。
首先,对针刺预制体的微观纤维结构特征进行观测,对针刺C/C-SiC复合材料的成型工艺进行介绍,并分析了成型后的复合材料主要微观缺陷特征。
开展针刺C/C-SiC复合材料的基本力学实验和拉拉、拉压和压压复杂载荷实验,其中对室温复杂载荷试样进行设计,明确中心测量区域的应力计算方法,得到材料的宏观力学行为,并对试样的破坏形貌进行分析,确定不同载荷条件下材料的失效机制。
其次,结合材料微观结构特征及实验件尺寸,考虑针刺区域的分布状态,建立针刺C/C-SiC复合材料的计算模型。
基于对材料微细观结构的失效模式分析,选择合理的组分材料失效判据,并确定组分材料强度性能。
通过计算模型对针刺C/C-SiC复合材料在单轴和双轴拉伸载荷作用下的失效过程进行分析,预报结果与实验测试结果相符,并且分析了针刺分布对复合材料宏观力学性能离散性的影响。
然后,对针刺C/C-SiC复合材料开展高温拉伸实验,分析材料宏观拉伸性能随温度的变化规律,通过破坏模式分析确定材料失效模式随温度变化的微观结构作用机制。
单边切口梁法测试针刺C／C复合材料断裂韧性
关键词 ： 断裂韧性 ； 针刺 Ｃ ／ Ｃ复合材料 ； 单边切 口梁法 中图分 类号 ： Ｖ ２ ５ ８ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ６ － ２ ７ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ － ０ ５ ６ ４ － ０ ５
ＤＯＩ ： １ ０． ７ ６ ７ ３ ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ － ２ ７ ９ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ２ ７
Ｃ ｒｂ ａ ｏ ｎ Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ Ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ８ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｔ ｏ ｕ ｇ ｈ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｎ ｅ ｅ ｄ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｃ／ Ｃ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｗａ ｓ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｍｅ ｎｓ ａ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｅ ｄ ｇ ｅ — ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｂ ｅ ａ ｍ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ －
固 体 火 箭 技 术 第３ ６卷第 ４期
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｒｏ ｃ ｋ ｅ ｔ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
单 边 切 口梁 法 测 试 针 刺 Ｃ ／ Ｃ 复 合 材 料 断 裂 韧 性①
王富强 ， 嵇 阿琳 ， 白 侠 ， 程 文 ， 崔 红
ｎ ｅ ｅ ｄ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｃ ／ Ｃ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｔ ｏ ｕ ｇ ｈ ｈ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｎ ｅ ｅ ｄ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｃ ／Ｃ ｃ ｏ ｍｐ ｏｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｗ ａ ｓ ５ ． ３ ６ ３ ＭＰ ａ・ ｍ ． ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｅ ｆ ｉ ｆ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｏ ｎ ｌ ｙ ４ ． ２ ％． Ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｉ ｉ ｔ ａ ｔ ｅ ｄ ｍａ ｉ ｎ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｆ ｏ ｌ ｌ ｏ ｗｓ ｐ ｏ ｒ ｅ ｓ ｏ ｒ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ｏ ｎ ｔ ｏｌ ｒ ｉ ｔ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ａ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｉｅ ｒ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｄ ｅ ｂ ｏ ｎ ｄ ｉቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｎ ｇ ｏ ｆ ｉ ｎ ・ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｎ ｃ ｅａ ｒ ｓ ｅ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｓ ｐ ａ ｈ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｄ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ．
W-SiC-CC 复合材料制备及等离子烧蚀性能
第51卷第2期表面技术2022年2月SURFACE TECHNOLOGY·249·W-SiC-C/C复合材料制备及等离子烧蚀性能王富强1，陈建1，张智2，谢栋2，崔红2（1.西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021；2.西安航天复合材料研究所，西安 710025）摘要：目的提高C/C复合材料在超高温下的抗烧蚀性能。
方法采用化学气相沉积法，在C/C复合材料表面制备SiC过渡层，然后以惰性气体保护等离子喷涂工艺在带有SiC过渡层的C/C材料表面制备W涂层，研究所制备的W-SiC-C/C复合材料的微观形貌与结构特征。
以200 kW超大功率等离子焰流，考核W-SiC-C/C 材料的抗烧蚀性能，并与无涂层防护的C/C材料进行对比分析。
结果W涂层主要为层状的柱状晶结构。
W 涂层与SiC过渡层、过渡层与基体界面呈镶嵌结构，结合良好。
SiC过渡层阻止了W、C元素相互迁移与反应。
在驻点压力为4.5 MPa、温度约5000 K、热流密度为36 MW/m2的烧蚀条件下，当烧蚀时间小于10 s 时，涂层对C/C材料起到了较好的保护作用，W涂层发生氧化烧蚀，基体未发现烧蚀，平均线烧蚀率为0.0523 mm/s；当烧蚀时间超过15 s后，涂层防护作用基本失效，基体C/C材料发生烧蚀现象。
结论以W涂层、SiC过渡层为防护的C/C复合材料，能够适用于短时间超高温的烧蚀环境，如固体火箭发动机等。
W 涂层的熔融吸热、氧化耗氧以及SiC过渡层的氧化熔融缓解涂层热应力和氧扩散阻碍的联合作用，提高了C/C材料的抗烧蚀性能。
关键词：W涂层；SiC过渡层；C/C复合材料；等离子喷涂；烧蚀性能；等离子体中图分类号：TG174；TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2022)02-0249-10DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2022.02.024Preparation and Plasma Flame Ablation Resistance ofW-SiC-C/C CompositesWANG Fu-qiang1, CHEN Jian1, ZHANG Zhi2, XIE Dong2, CUI Hong2(1. School of Materials Sciense and Chemical Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710021, China;2. Xi'an Aerospace Composites Institute, Xi'an 710025, China)ABSTRACT: This paper aims to improve the ablation resistance of C/C composites at ultra-high temperatures. SiC transition layer was prepared on the surface of C/C composite material by a chemical vapor deposition method, then Tungsten coating was prepared on SiC coated C/C composites by inert gas protecting atmospheric plasma spraying. In this paper, the morphology and composition of the W-SiC-C/C composites were studied, and the ablation resistance of the W-SiC-C/C materials was evaluated by a 200 kW ultra-high-power plasma flame, which was compared and analyzed with C/C materials for coating protection.收稿日期：2021-03-08；修订日期：2021-06-28Received：2021-03-08；Revised：2021-06-28基金项目：国家自然科学基金（51671150）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51671150)作者简介：王富强（1981—），男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向为C/C材料应用。
针刺CC复合材料细观结构表征及力学行为仿真研究
针刺C/C复合材料细观结构表征及力学行为仿真研究C/C复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料,具有密度低、耐摩擦、导热性好、机械性能优异、热膨胀系数低等优点,是最有发展前途的高温材料之一。
针刺工艺通过对碳纤维织物的叠层针刺,达到增强预制体层间性能的目的,是制造C/C复合材料预制体的一种重要技术。
针刺C/C复合材料克服了 2D铺层复合材料层间强度弱的缺点,弥补了 3D C/C复合材料工艺复杂、致密度低的不足,因此在航空航天领域,如飞机制动器、固体火箭发动机材料等方面得到了广泛应用。
近年来,宏观实验研究手段增进了对针刺复合材料力学性能的经验性认识,但细观力学行为的仿真分析尚处于起步阶段,尤其在力学性能预测、破坏机理分析等方面的研究尚需加以完善。
为了探究针刺工艺对于C/C复合材料力学性能的影响,本文在细观结构精细表征的工作基础之上,建立与实际材料结构相吻合的力学模型,开展对其细观力学行为的仿真研究,为针刺C/C复合材料的加工工艺提供合理的优化建议。
主要包含以下内容:首先,采用显微CT和三维重构技术对高密度针刺C/C复合材料的细观结构进行精细表征,探究针刺工艺对材料孔隙分布的影响。
结果表明,网胎层的孔隙率远高于炭布层和针刺纤维束区,针刺作用造成的预制体内部间隙是形成大尺寸孔隙的根源。
高压液相倾浸法可以降低炭布层孔隙率,进而提高C/C复合材料的密度。
孔隙球度、倾斜角和方位角的计算表明,不同铺层的孔隙分布特征与铺层内的纤维排布方式有关,炭布层孔隙呈现明显的沿纤维分布特征。
其次,建立了针刺C/C复合材料的多针刺区单胞模型。
单胞模型被划分为炭布层、网胎层和针刺纤维束区等三个子区域,其中,针刺纤维束具有随机分布特征,与材料实际结构相吻合。
采用基于Mori-Tanaka模型的二次均匀化算法,计算模型各区域的材料参数,并通过对立方体单胞模型加载周期性边界条件,实现有效弹性性能的预报。
再次,开展了基于随机单胞模型的细观力学分析,包括应力变形分析、有效模量预报以及层合板模型的对比验证等内容。
三维针刺技术研究进展
第42卷第5期2021年5月纺织学报Journal of Textile ResearchVol.42,No.5May,2021DOI：10.13475/j.fzxb.20200503408三维针刺技术研究进展陈小明1，2,3,李晨阳2,3,李皎W，谢军波⑺,张一帆学，陈利⑺（1.天津工业大学纺织科学与工程学院，天津300387； 2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津300387； 3.天津工业大学机械工程学院，天津300387）摘要三维针刺技术实现了立体织物的低成本织造，为深入了解三维针刺的自动化成型设备技术、刺针技术、三维针刺织物（或预制体）及三维针刺复合材料的研究情况,介绍了适用于异型织物的针刺自动化成型设备技术，包括回转预制体和自由曲面预制体针刺成型装备;阐述了现有的刺针刀具技术；归纳了三维针刺织物的新型织造结构，包括多组元混杂针刺织物、针刺/缝合耦合针刺织物、仿形针刺织物和梯度针刺织物;分析了三维针刺复合材料的实验表征、理论分析和数值模拟研究进展情况;最后总结了现有三维针刺技术的发展水平和面临的挑战，并对三维针刺技术的未来发展趋势进行了展望。
关键词三维针刺装备；刺针；三维针刺织物；三维针刺复合材料；针刺技术中图分类号:TB33；TH145.2文献标志码:AResearch progress of three-dimensional needle-punching technologyCHEN Xiaoming1'2'3,LI Chenyang2,3,LI Jiao1，2,XIE Junbo1，2,ZHANG Yifan1，2,CHEN Li1，2(1.School of Textile Science and Engineering,Tiangong University,Tianjin,300387,China； 2.Key Laboratory ofAdvanced Textile Composite Materials,Ministry of Education,Tiangong University,Tianjin300387,China；3.School of Mechanical Engineering,Tiangong University,Tianjin300387,China)Abstract The three-dimensional(3-D)needle punching technology leads to low-cost formation of threedimensional fabrics.In order to better understand the research status of3-D needle punching technology, the latest domestic and foreign research progress of3-D needle punching automation equipment technology,3-D needle punching fabric(or preform)and3-D needle punching composite materials are reviewed.This review concentrates mainly on the needle punching automatic forming equipment technology suitable for special-shaped fabrics,including the needle punching forming equipment for rotating preforms and free-form surface preforms.The existing needle technology and the new structures of three-dimensional needled fabrics,including multiple component hybrid needled fabrics,needled/ stitched coupled needle-punched fabrics,contoured needld fabrics and gradient needled fabrics are summarized,and the experimental characterization,theoretical analysis and numerical simulation research progress of three-dimensional needled composites are also analyzed.Finally,the current development level and challenges of3-D needle punching technology are discussed,and the future development trend of3-D needle punching technology is prospected.Keywords three-dimensional needle punching equipment;needle punching；three-dimensional needle punched fabric；three-dimensional needle punched composite；needle punching technology立体织物增强复合材料主要包括三维编织复合材料、三维机织复合材料、缝合复合材料和三维针刺复合材料等,由于其优异的层间性能,在航空航天、国家防御和轨道交通等高技术领域得到较为广泛的应用[1]o三维针刺是立体织物的低成本制备技术，网胎收稿日期：2020-05-18修回日期：2021-02-10基金项目：天津市教委科研计划项目（2018ZD13）第一作者：陈小明（1984—）,男，高级实验师，博士。
复合材料z-pinning技术的应用与发展
收稿日期:2009-04-02作者简介:王晓旭,1983年出生,硕士研究生,主要从事z -p in 增强复合材料的研究。
E -mail:xuxu1983@复合材料z 2p inning 技术的应用与发展王晓旭 陈 利(天津工业大学复合材料研究所,天津市和教育部共建先进纺织复合材料重点实验室,天津 300160)文 摘 简单介绍了z 2p in 的种类和复合材料z 2p in 的拉挤工艺。
重点综述了利用热压罐和UAZ两种z 2p inning 技术及z 2p inning 在复合材料层板、结构件连接及泡沫夹层复合材料中的应用,同时,提出了当前发展z 2p inning 技术的对策和建议。
关键词 层合复合材料,z 2p inning,UAZ,复合材料连接,泡沫夹层Applicati on and Devel opment of Z 2pinning Co mposite Technol ogyW ang Xiaoxu Chen L i(Tianjin and M inistry of Educati on Key Laborat ory of Advanced Textile Composite Materials,I nstitute of Textile Composites,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160)Abstract I n this paper,z 2p ins and its technol ogy is briefly described .The technol ogy of z 2p inning by using of aut oclave and UAZmethod,and its app licati on in composite la m inates,j oints and foa m 2cored sand wich panels are re 2vie wed .Finally,s o me suggesti ons f or devel op ing z p inning technol ogy are put f or ward .Key words Composite la m inates,Z 2p inning,UAZ,Composite j oints,Foa m 2cored sandwich panels 1 引言目前,提高复合材料层间韧性的方法有三维机织、三维编织、缝合和z 2p inning 等。
CC复合材料的氧化烧蚀与应用详解
3.3.2 固相复合技术
将抗烧蚀组元以固相颗粒的形式引入C/C复合材料中，抗烧蚀组元可能 是单质元素，如Si、Ti、Zr等也可能是碳化物ZrC、TaC和SiC,硼化物 HfB2和ZrB2，硅化物TiSi3、MoSi2等
将超高温陶瓷粉末ZrB2、TaC 、HfC粉末加入预制体中，然后通过等温化学 气相沉积(ICVI)制备出C/C-ZrB2、C/C-SiC-ZrB2、C/C-SiC-ZrB2-HfC等复 合材料。 当热流密度为3920kW/m2时，C/C-ZrB2复合材料抗烧蚀性能优于其他几种。 当热流减小时，SiC的添加有助于抗烧蚀性能的提高，HfC的加入可提高 C/C-SiC-ZrB2复合材料的抗烧蚀性能而TaC的引入则会降低抗烧蚀性能。
实验结果表明，热解炭片层结构的取向对C/C复合材料的烧蚀性能有 显著的影响。具有粗糙层结构的C/C复合材料石墨化度高，不同炭结构之 间结合好，线烧蚀率和质量烧蚀率较小，抗烧蚀性能好；此外材料的密度 也有影响。
3.3 基体改性
基体改性法是指在C/C复合材料的基体中加入抑制剂或抗烧蚀组元，
在高温下隔离炭材料表面活性点，提高氧化起始温度，还可以形成玻
战略导弹：鼻锥驻点温度达到7000K易严重烧蚀，若出现不
超音速飞行器：发动机罩进气室、机翼引擎以及鼻锥部分温
对称烧蚀易影响飞行稳定性
度一般为2000~2400℃高温；超燃冲压发动机长时间处于高温、
大热流等极端恶劣环境下
1.1 C/C复合材料的优点：
C/C复合材料具有低比重、高比强度、高比模量、低热膨胀
3.3.3 先驱体浸渍裂解转化法（PIP）
工艺基本步骤是在一定的压力和温度条件下，将炭纤维预制体放入先 驱体有机聚合物中浸渍，烘干溶剂后在一定条件下交联固化，再在一 定气氛下进行高温热处理，使先驱体成功的从有机物裂解为无机物， 进而转变为陶瓷基体，经过一定周期的反复的浸渍裂解最终获得所需 密度的复合材料。
cc复合材料的氧化烧蚀与应用
I. 研究重点在于设计致密化工艺来控制C/C复合材料中基 体炭的结构、材料密度和石墨化度，进而获得优越的抗 烧蚀性能
II. 基体改性方面：需解决材料内部存在孔隙和微裂纹问题， 在C/C复合材料加入超高温陶瓷时易出现分布不均匀问 题
III. 抗烧蚀涂层方面：涂层与C/C复合材料的界面相容性、 热膨胀匹配性、涂层高温稳定尚未彻底解决
三向3D增强C/C复合材料整体性好，具有较好的各向同性
相关研究表明：相同致密化工艺与烧蚀条件下，4D编织预制体作增 强体C/C复合材料比4D预制体增强C/C复合材料的烧蚀性能好，且 预制体中炭纤维束越粗，抗烧蚀性能越好
3.2 热解炭织构对C/C复合材料烧蚀性能影 响：
C/C复合材料的致密化工艺主要为化学气相渗透（CVI）和液相 浸渍工艺。
优点：在大气环境内可以制备较致密涂层、沉积效率高成本低、涂层 比较均匀，厚度可以控制 缺点：涂层气孔率较高，涂层与基体界面咬合弱，在高温循环时易剥 落与开裂
通过实验采用等离子喷涂法在C/C复合材料SiC内涂层的表面制作 TaC抗烧蚀涂层，ZrC抗烧蚀涂层以及MoSi2基复合涂层。在1900℃ 具有良好的抗烧蚀性能。
报告人：
一．研究背景 二．抗烧蚀性能评估 三．耐高温抗烧蚀C/C复合材料的制备方法 四．总结与展望
C/C复合材料是一种在航空、航天及核工业等高技术领域的 热端构件中具有广阔发展前景的耐高温结构材料。
火箭喉衬喷管：以2000℃/s速度骤然升温，且固体颗粒或 Al2O3液滴产生高燃速气流的剧烈冲刷和化学腐蚀 战略导弹：鼻锥驻点温度达到7000K易严重烧蚀，若出现不 对称烧蚀易影响飞行稳定性 超音速飞行器：发动机罩进气室、机翼引擎以及鼻锥部分温 度一般为2000~2400℃高温；超燃冲压发动机长时间处于高温、 大热流等极端恶劣环境下
CC复合材料制备工艺简介
CC复合材料制备⼯艺简介沥青基碳材料本⽂来源：上海皓越精彩⽂章现在开始碳基复合材料碳/碳(C/C)复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料, 具有⾼强⾼模、⽐重轻、热膨胀系数⼩、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等⼀系列优异性能, 是⼀种新型的超⾼温复合材料。
C/C复合材料作为优异的热结构-功能⼀体化⼯程材料。
它和其他⾼性能复合材料相同，是由纤维增强相和基本相组成的⼀种复合结构，不同之处是增强相和基本相均由具有特殊性能的纯碳组成。
碳/碳复合材料主要是由碳毡、碳布、碳纤维作为增强体，⽓相沉积碳做为基体经过复合⽽制成，但是它的组成元素只有⼀个就是碳这个元素。
为了增加密度，由碳化⽽⽣成的浸渍碳或浸渍在康铜树脂(或沥青)，也就是说碳/碳复合材料是由三种碳材料复合⽽制成的。
碳碳复合材料的制造⼯艺⼀、碳碳/碳复合材料的制备过程包括增强纤维及其织物的选择、基体碳先驱体的选择、C/C预制坯体的成型、碳基体的致密化以及最终产品的加⼯检测等。
检测等1）碳纤维的选择纱束的排列取向、纱束间距、纱束体碳纤维束的选择和纤维织物的结构设计是制造C/C复合材料的基础，通过合理选择纤维种类和织物的编制参数，如纱束的排列取向、纱束间距、纱束体积含量等，可以决定C/C复合材料的⼒学性能和热物理性能。
积含量等2）碳纤维预制坯体的制备预成型结构件的加⼯⽅式主要有三种：软编、硬编和预制坯体是指按产品形状和性能要求先把纤维成型为所需结构形状的⽑坯，以便进⾏致密化⼯艺。
预成型结构件的加⼯⽅式主要有三种：软编、硬编和软硬混编。
编织⼯艺主要有：⼲纱编织、预浸渍维杆组排、细编穿刺、纤维缠绕以及三维多向整体编织等。
⽬前C复合材料主要使⽤的编织⼯艺是软硬混编。
编织⼯艺主要有：⼲纱编织、预浸渍维杆组排、细编穿刺、纤维缠绕以及三维多向整体编织等。
三维整体多向编织，编织过程中所有编织纤维按照⼀定的⽅向排列，每根纤维沿着⾃⼰的⽅向偏移⼀定的⾓度互相交织构成织物，其特点是可以成型三维多向整体织物，可以有效的控制C/C复合材料各个⽅向上纤维的体积含量，使得C/C复合材料在各个⽅向发挥合理的⼒学性能。
碳陶复合材料制备用针刺机构[实用新型专利]
![碳陶复合材料制备用针刺机构[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/5822e031d15abe23492f4d8e.png)
专利名称：碳陶复合材料制备用针刺机构
专利类型：实用新型专利
发明人：廖寄乔,邓华峰,李丙菊,石磊,李军,王冰泉,彭信辉,刘学文,王跃军,龚玉良
申请号：CN201922268477.9
申请日：20191217
公开号：CN211420008U
公开日：
20200904
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种在针刺过程中，同时将陶瓷浆料注入碳/碳预制体的碳陶复合材料制备用针刺机构，它包括针座，其特征是针座上布置有注射针、针刺针；在对碳/碳预制体针刺时，由针刺针形成Z轴方向纤维，同时，由注射针将陶瓷浆料注入碳/碳预制体；本实用新型实现在室温下通过物理方式将陶瓷粉体引入到碳纤维预制体中，经气相沉积后制备得碳陶复合材料，具有工艺简单，生产周期短，制备成本低等特点；同时，针刺过程中，采用间隔注射陶瓷浆料大大降低了碳化硅粉对纤维的损害，也不对针刺针产生过大磨损，且由于是针刺过程先针刺到一定厚度再注入陶瓷浆料，注入的陶瓷粉只起到填充碳纤维之间孔隙的作用，不影响碳碳坯体本身的纤维含量。
申请人：湖南金博碳素股份有限公司
地址：413000 湖南省益阳市高新开发区迎宾西路2号
国籍：CN
代理机构：益阳市银城专利事务所(普通合伙)
代理人：陈禧
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高性能针刺碳碳复合材料的制备与性能
高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能摘要:为获得高性能针刺碳/碳复合材料, 拓展其应用领域, 通过优化针刺工艺参数, 设计并研制了不同结构参数的针刺预制体。
采用沥青高压致密化工艺将针刺预制体制备成一系列针刺碳/碳复合材料, 研究了针刺碳/碳复合材料的微观结构、力学性能和热物理性能。
结果表明, 针刺预制体的针刺深度、针刺密度以及短/长纤维配比等对碳/碳复合材料的力学性能和热物理性能影响显著。
当针刺深度为12 mm、针刺密度为22针/cm2、短/长纤维比例为1.0 : 4.8时, 针刺碳/碳复合材料表现出优良的综合性能, 拉伸、压缩、弯曲、面内剪切和层间剪切强度分别达到207、228、285、54和28 MPa。
关键词:碳/碳复合材料; 针刺结构参数; 力学性能; 热物理性能碳/碳复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性强、可加工性好且高温性能优良等特征, 在航空航天领域应用广泛[1]。
自二十世纪末以来, 世界航天强国掀起了先进高超声速飞行器研究的热潮, 武器装备的技战术指标对热防护用碳/碳复合材料在耐高温、高强、轻质及其低成本化方面提出了更高要求[2-5]。
与其它复合材料类似, 碳纤维预制体结构是决定碳/碳复合材料性能、质量以及生产成本的重要因素[6]。
目前常用的碳/碳复合材料预制体结构包括碳布穿刺、正交三向、三维编织及针刺结构[7], 其中碳布穿刺和正交三向无法实现异形件仿形编织; 三维编织纤维利用率低, 因纤维磨损过大而无法编织复杂形状的预制体。
针刺预制体结构是通过网胎提供的短切纤维在碳布层间的搭接, 不但具有准三维结构较高的层间性能, 而且具有适合于仿形成型、连续长纤维方向可设计性强和平面方向纤维利用率高的优点, 并且制备过程自动化程度高、周期短、质量稳定, 可高效制备出各种复杂形状的碳纤维预制体[8-10]。
目前针刺预制体及其碳/碳复合材料多应用于火箭发动机喉衬、扩散段、出口锥及飞机刹车盘等外形简单以及其它承载要求不高的热端部件[11-12]。
三维针刺CSiC复合材料与30CrSiMoVA对偶的摩擦磨损性能与机理
表 3 模拟参数 Table 3 Parameters of simulate
Cp /( J kg-1 K-1 ) 120 0
K/ ( W m -1 K -1) 60
44 0
76
Tamb /K 330 330
1. 4 分析测试 通过体式 显微镜观察摩擦实验后的摩擦面形
貌。采用带有 X 射线能谱仪( EDS) 的 GSM 6700F 型扫描电镜( scanning electron microscope, SEM) 进 行磨屑的形貌观察和元素分析。采用 D/ MAX 2400 型 X 射线衍射仪( X ray diffraction, XRD) 分析磨屑 物相组成和刹车前后合金钢 30CrSiMoVA 摩擦面的 相变化。
表面发生微观切削产生。摩擦学上, 任何摩擦面 都不是理想的光滑表面, 存在大量的微凸体。三 维针刺 C / SiC 摩擦 面 上 细小 的 微 凸体 硬 度 大于 合金钢 30CrSiMoVA, 摩 擦 时在 正 应 力 的 作用 下 压入 30CrSiMoVA 摩 擦 面, 在 剪切 应 力的 作 用下 产生犁沟效应, 摩擦系数较高。同时, 微凸体为 硬脆相, 剪切应力的作用下会断裂, 产生了细小 的颗粒状磨屑。
不同的交通工具和机械装置, 所使用的刹车对 偶材料不尽相同。航空刹车副中最常用的对偶材料 是 C / C 复合材料、合金钢和粉末冶金材料[ 13, 14] 。合 金钢 30CrSiMoVA 不仅强 度和韧性配合良 好、抗回 火稳定性高, 而且其过热倾向低, 高温回火状态下仍 具有良好的综合性能, 可以承受航空刹车时的高温、
三维针刺 C / SiC 与 30CrSiMoVA 对偶刹 车的 平均摩擦 系数 随初 始 刹车 速 率变 化 的关 系 曲线
三维针刺碳纤维增强SiC复合材料在加载-卸载下的拉伸行为
硅酸盐学报· 76 ·2009年三维针刺碳纤维增强SiC复合材料在加载–卸载下的拉伸行为聂景江，徐永东，万玉慧，张立同，成来飞，马军强(西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室，西安 710072)摘要：对T300碳纤维增强三维针刺碳纤维增强SiC(C/SiC)复合材料(纤维体积含量为30%)的单调和加载−卸载拉伸载荷下的拉伸行为进行了研究。
结果表明：T300碳纤维增强三维针刺C/SiC复合材料的拉伸强度和断裂应变分别为129.6MPa和0.61%。
单调和加载–卸载拉伸应力–应变曲线均为非线性变化，主要是复合材料中裂纹的扩展，界面相脱黏和滑移，以及纤维的逐步断裂和拔出所致，使得复合材料在拉伸载荷下呈非脆性破坏。
卸载应力水平对卸载后的残余应变和再加载模量有较大影响。
卸载应力小于80MPa时，随着卸载应力的增加，残余应变线性增加，模量线性降低；卸载应力高于80MPa时，二者随着卸载应力的增加而呈二次函数快速变化。
关键词：三维针刺；碳/碳化硅复合材料；加载卸载；拉伸行为中图分类号：TB33 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2009)01–0076–07TENSILE BEHA VIOR OF THREE-DIMENSIONAL NEEDLED CARBON FIBER REINFORCEDSiC COMPOSITE UNDER LOAD-UNLOADNIE Jingjiang，XU Yongdong，WAN Yuhui，ZHANG Litong，CHENG Laifei，MA Junqiang(National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: The monotonic and load-unload tensile behaviors of three-dimensional (3D) needled T300 C/SiC composite were investi-gated. The results show that the tensile strength and strain of the 3D needled T300 C/SiC composite are 129.6MPa and 0.61%, re-spectively. The stress-strain curves of the 3D needled T300 C/SiC composite under monotonic and step tensile loads exhibit a nonlin-ear behavior, which is caused by the propagation of micro-cracks, debonding and sliding of interfaces, and gradually results in frac-turing and the pullout of fibers. This leads to the non-brittle fracture of the composite. The unloading stress levels have a great effect on the residual strain and reloading modulus of the composite. When the stress levels are below 80MPa, the residual strain linearly increases, while the reloading modulus linearly decreases with increasing unloading stress. And when the stress levels are above 80 MPa, the residual strain increase and the reloading modulus decrease nonlinearly with increasing unloading stress.Key words: three dimensional needled; carbon/ silicon carbide composite; step loading; tensile behavior碳纤维增强SiC(C/SiC)复合材料因其具有耐高温、高强度、低密度、低热膨胀系数、较好的导热性和抗腐蚀等特点，并且具有比C/C复合材料更优异的抗氧化性能，而受到人们的广泛关注，迅速成为高温结构材料的首选。
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针刺技术在C/C复合材料增强织物中的应用
2006-11-07 中国航天科技集团四院四十三所西北工业大学[收藏该
文章]
针刺技术在C/C复合材料增强织物中的应用
刘建军1，李铁虎2，郝志彪1，李飞1，嵇阿琳1
(1．中国航天科技集团四院四十三所，西安 710025）
2．西北工业大学材料科学与工程学院，西安 710072)
摘要：本文在介绍刺针功能的基础上，对针刺技术用于C/C复合材料增强织物成型的原材料特点、工艺与应用等进行了论述，对针刺技术应用的发展趋势进行了分析。
关键词：针刺；纤维；增强织物
1 前言
针刺技术是利用纺织工业的非织造布技术，用截面为三角或其它形状的棱边上带倒钩的刺针对纤维布、网胎或复合叠层材料进行接力针刺，从而制备炭/炭（C/C）复合材料准三维织物预制体的方法。
由于针刺C/C复合材料增强织物的特殊结构，使其具有孔隙分布均匀、易致密成型、较高的面内和层间强度等特点，已成为一种具有广泛应用前景的C/C复合材料预制体，并可用做其它复合材料增强预制体[1-4]。
从二十世纪七十年代以生产炭纤维的原丝作为针刺的材料开始，因低制作成本、易于制作复杂型面制品的强技术适应能力，原材料和针刺工艺不断得到改进，目前已发展到利用炭纤维作为针刺的材料。
由于针刺增强织物中材料构成成分、刺针和工艺的多样性，使得针刺增强织物具有相当的可设计性，是一种多用途的织物成型技术，可成型平板、锥体、圆筒等，应用领域不断拓展，如飞机刹车盘、固体火箭发动机喉衬、扩散段以及其它高温领域用C/C 复合材料增强预制体。
2刺针的结构与作用
2.1刺针的结构
常见刺针的结构如图1所示。
针尖的主要作用是协助工作段更容易刺入制品中。
针叶是刺针的主要工作部位，针叶直[1]径(截面高度)、针叶长度，针叶截面形状是针叶的重要参数。
针叶的直径决定了刺针的强度并影响针体弹性。
针叶的长度取决于钩刺间距和钩刺数目，同时对针体的弹性产生影响。
针叶的截面形状一般为等边三角形或等边三角形的改进形、圆形等，它对刺针是否能够均匀
承受来自各个方向的扰曲力，在针刺过程中提供最佳工作条件非常重要。
渐缩锥的主要作用是增加针体弹性。
渐缩锥个数越多、长度越长，针体弹性越好。
常见刺针有单渐缩锥针和双渐缩锥针两种。
从断针率方面来看，由于针刺过程中刺针所承受的来自各方向应力不平衡，使用弹性较好的针体可以降低断针率。
图1 刺针的结构
钩刺是刺针携带纤维的部位，是刺针最重要的部位。
依据钩刺间距大小，刺针可分为R、M、C、F、S型，间距大小决定了纤维相互缠结程度和阻力大小。
钩刺形状主要采用三维成形的HL和RF形，在加工时修圆边缘，以减少对纤维的损伤，延长刺针寿命。
钩槽深度、钩槽长度、齿突高度和下切角度是钩刺的重要参数，它决定了钩刺每次针刺所能握持的纤维数量，进而决定了针刺时引入纤维束中纤维的数量，它对于预制体的力学性能起决定作用，同时也影响预制体的平整度。
图2 钩刺结构
因此，刺针的选用应确保针体具有足够的刚性，同时应兼具一定的韧性和弹性，合理的棱边齿数、齿距以及合理的钩刺几何形状及参数。
2.2 刺针的作用
刺针经过反复穿刺，把部分水平纤维通过钩刺的“携带”作用引入到垂直方向上，这些纤维与水平方向上的纤维相互缠结、相互约束，形成了具有一定强度和独特结构的预制体。
钩刺穿刺网胎时首先接触的是网胎表面层纤维，此时钩刺的抓取、容纳能力最强，随着针刺深度的增加，钩槽逐步为网胎表面层纤维所充满，继续下刺，钩刺的握持能力便明显下降。
对于针叶上各钩刺，由于位置关系，进入网胎的次序有先有后，所面对的网胎结构也因前面钩刺对网胎的作用而不同，接触各层次纤维的机率不同，在一定针刺深度下，先进入纤网的钩刺到达的位置较深，所携带的纤维转移程度也较大[5-6]。
刺针钩刺在对网胎中纤维抓取、携带的过程中同时存在着对纤维的损伤。
钩刺将直接切断、划伤与之接触的平面内纤维。
对于所引入的纤维，随针刺深度的增加，钩刺所握持的纤维受到的牵拉力、挤压力不断增大，钩刺的棱角、毛刺对纤维也出现较大的损伤。
纤维过多的损伤甚至断裂，直接影响预制体的结构和性能，在提高纤维转移数量的同时应尽量避免纤维损伤。
一般来讲，针叶粗、钩刺大的刺针对纤维损伤较大；制品密度大，刺针穿刺时阻力大，纤维损伤也会增加；针刺深度过大，被握持纤维的断裂会增多；针刺频率过大，纤维受到的冲击力大而易被损伤。
的分层和裂纹缺陷等问题[7-8]。
其预制体成型方法是采用PAN预氧化纤维缎纹布，利用倒钩针将层面纤维挂入垂直方向，而在退针时纤维停留在原位。
NOVOLTEX针刺技术突出优点表现在以下几个方面：
能制造低成本的C/C复合材料；
易于工业化；
适用于生产厚度方向变化大、复杂形状和需要敏感机加的部件；
使C/C复合材料各个方向具有良好的力学性能，包括螺纹连结需要的高剪切强度。
基于上述优点和预制体的成型工艺，Noveltex的这种织物也被称作超细3D非编织炭织物，在平板和锥形预制体上大量应用。
由于预氧化纤维本质上仍属于有机纤维系列，因此使用预氧化纤维制作的预制体需进行炭化处理，在炭化处理过程中产生的收缩可能导致严重形变，特别是对内型面复杂，不易加工的制品，型面要依靠碳化芯模或机加保证，技术上难度较大；由于纤维炭化是在无张力的情况下进行，最终形成的炭纤维强度较低；受炭化产率的影响，最终制品的纤维体积含量较低，一般为8-15%，因此，寻求使用炭纤维直接针刺成型是针刺技术新的进展[9]。
炭纤维的应用也包括短切纤维和纤维布的应用，使用的原理和方法与预氧化纤维相同。
炭纤维针刺增强织物具有纤维强度高、可省去高温炭化工艺、高温处理后收缩变形小、制品纤维体积含量高等优点，但由于断裂伸长较低使得网胎梳理和针刺的工艺性较差，表现在纤维抗针刺损伤能力较低、纤维导入的长度较短。
为解决上述问题，需在针刺前对纤维进行增韧处理，提高梳理和针刺性能。
无论选用任何一种原材料，为提高增强性能，针刺工艺如刺针、针刺密度、针刺深度、铺层设计等因素的选择均需要通过具体的工艺试验来确立，合理的工艺参数是提高增强织物性能可靠性和稳定性的关键。
4结束语
针刺技术在C/C复合材料增强织物中已成为重要的成型技术，并已显示其广阔的发展和应用前景。
各类针刺C/C复合材料作为一种较为先进的材料技术，已在固体火箭发动机C/C 喉衬、C/C扩张段、飞机C/C刹车盘上等广泛应用，并占有主导的产业地位。
此外，针刺C /C复合材料技术可用以成型C/C复合材料发热体、隔热屏、异性支架及其它结构和功能件，但在针刺及后续复合工艺研究的深度和广度上，特别是炭纤维作为原材料的针刺上存在需突破的关键点。
参考文献：
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[2] 陈腾飞等.航空刹车用C/C复合材料坯体结构的研究.矿冶工程，2002，22（1）：69-7 1
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[4] 苏君明，崔红，李瑞珍等.新型针刺炭布C/C复合材料的结构与性能.新型炭材料，200 0，15（2）：11-15
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[6] 张瑜.针刺机理研究.纺织学报，1996，17（5）：49-53
[7] M.Montaudon,F.Fenoy,F.christin and J.J.choury.Novoltex textures for thermos tructural materials. AIAA91-1848
[8] D.Boury,L.Filipuzzi.Sepcarb TM materials for solid rocket booster nozzle comp onents.AIAA01-3438
[9] 王忠.针刺碳纤维毡生产工艺初探.新型炭材料，1996，11（4）：35-36
APPLICATION OF NEEDLING TECHNOLOGY ON REINFORCED FABRICS OF CARBON-CARBON COMP
OSITE MATERIALS
LIU Jian-jun1 , LI Tie-hu2，HAO Zhi-biao1 , LI Fei1,JI A-lin1（1. The 43rd institute of the fourth academy of CASC,xi’an ,710025 China)
2.College of materials science and engineering,NPU,xi’an,710072 China）
ABSTRACT: In this paper, needle function is introduced; raw material property, process and application of needled C/C composite fabrics are discussed, the de veloping trend is also analysized.
KEY WORDS: needling; fiber; reinforced fabric。