高密度C/C复合材料弯曲性能与断裂机理研究

"这篇论文详细探讨了高密度预制体制备的炭/炭(C/C)复合材料的弯曲力学性能与其断裂机制。研究者采用丙烯作为碳源，氮气作为载气，利用三维正交的PAN基12K炭纤维预制体（初始密度为0.94 g/cm3），通过快速化学气相沉积(CVI)法制备出具有带状结构的C/C复合材料。实验结果显示，材料的弯曲性能和断裂特性与在CVI过程中的高温热处理次数有密切关系。" 正文： C/C复合材料因其优异的高温性能、低热膨胀系数和良好的耐腐蚀性，在航空航天、核能等领域有着广泛的应用。本研究中，作者张明宇等人采用丙烯作为碳源，这是由于丙烯在热分解过程中可以形成高质量的热解炭，有助于提高复合材料的机械性能。而氮气作为载气，可以有效地将碳源输送到预制体内部，促进炭的沉积。 在CVI工艺中，预制体经过不同次数的高温热处理，其力学性能表现出显著的变化。论文指出，当C/C复合材料仅经过两次热处理时，其在弯曲测试中的负载-位移曲线显示出明显的假塑性断裂特征。这种现象可能是由于材料内部的热解炭层未充分固化，导致在受力时发生局部流动和裂纹扩展。然而，随着热处理次数增加至三次，负载-位移曲线变得更加平滑，虽然抗弯强度降低至177.5 MPa，但材料的稳定性有所提升，这可能是因为更多的热解炭沉积使得结构更加均匀，减少了应力集中。 通过对C/C复合材料断面的扫描电子显微镜(SEM)分析，研究人员发现断裂主要分为两种类型：层间断裂和层内纤维断裂。层间断裂是由于预制体各层之间的结合力不足，导致在受力时容易分离；而层内纤维断裂则是纤维在载荷作用下发生断裂，这可能与纤维的排列方式和热处理条件有关。纤维的断裂可能会导致材料整体性能的下降，因此优化纤维的预处理和CVI过程对于提高C/C复合材料的综合性能至关重要。 此外，文中提到热解炭和纤维含量的不同分布也可能影响材料的断裂行为。热解炭作为连续相，其含量和质量直接影响复合材料的强度和韧性；而纤维作为增强相，其分布均匀性和取向度决定了材料的抗拉和抗弯性能。因此，控制好热处理次数和工艺参数，以达到理想的热解炭和纤维比例，是制造高性能C/C复合材料的关键。 该研究揭示了高密度预制体制备的C/C复合材料的弯曲性能与断裂机制之间的复杂关系，并为优化CVI工艺提供了理论依据。通过深入理解这些机制，未来的研究可以进一步改善材料的力学性能，以满足更高要求的应用场景。