铺层针刺预制体碳/碳复合材料力学性能研究

 成果简介：
      以火箭发动机喷管用薄壁碳/碳复合材料热结构件为研究背景，设计成型了两种不同针刺预制体，以天然气为碳源气体进行等温化学气相沉积（ICVI）制备了密度为1.65~1.70g/cm3的C/C复合材料，分别使用对比和响应曲面法研究了针刺碳纤维预制体的纤维排布方式和针刺工艺参数对材料性能的影响规律，获得了以下研究成果：（1）针刺碳/碳复合材料综合性能最佳的纤维排布方式和性能与针刺参数的响应曲面，（2）了解了纤维排布方向与受力方向夹角对材料拉伸和弯曲断裂机制的影响，（3）根据响应曲面方程实现了已知针刺参数的C/C复合材料性能预测，（4）建立了针刺C/C复合材料性能设计时的针刺参数设计方程，且方程具有较好的准确度。
      成果内容提要：
      本研究针对国内尚未建立其纤维形态、含量、分布与针刺成型工艺参数与最终C/C复合材料性能之间的关联体系这一现状，主要进行了针刺预制体中纤维排布方式和针刺参数对C/C复合材料的拉伸、弯曲和层间剪切性能的影响等方面的研究，并分析了基体微观结构，获得的主要成果和新见解如下：
      （１）采用ICVI工艺在1000℃下热解天然气沉积得到的PyC基体主要为光滑层结构PyC，在材料内部的大孔隙中，光滑层结构外侧有少量粗糙层结构PyC。
      （２）设计了四种不同纤维排布方式的针刺预制体，分析表明[0°/90°/-45°/+45°]纤维排布的C/C复合材料具有较为均衡的力学性能与韧性，其各向同性性能优于其他纤维排布方式，可用于制备兼具高强度、高韧性的针刺C/C复合材料。
      （３）使用SEM研究了不同排布角度纤维在拉伸和层间剪切性能测试中的断裂机制。发现0°纤维有利于提升材料的拉伸、弯曲性能，但不利于提升材料的层间剪切性能；±45°纤维的存在有利于造成裂纹偏转，形成假塑性断裂，有利于提升材料的韧性。
      （４）采用Design-expert软件构建针刺参数与C/C复合材料力学性能的响应曲面关系，分析得到了在一定针刺参数范围内C/C复合材料各项性能的可设计范围：轴向拉伸强度为44.53~91.63MPa，环向拉伸强度为41.60~86.09MPa，弯曲强度为51.17~139.98MPa，层间剪切强度为11.09~23.3MPa。
      （５）优化发现：针刺密度为12针/cm2，针刺深度为12mm，网胎面密度为150g/m2时，C/C复合材料的综合力学性能最佳，其轴向和环向拉伸强度分别为91.5MPa和73.3MPa，弯曲强度约为125.7MPa，层间剪切强度约为21.4MPa。
      （６）根据针刺参数对各项性能的响应面方程构建矩阵，得到了C/C复合材料的轴环向拉伸、弯曲和层间剪切性能与针刺参数之间的数学关系，使用实验结果的数学方程进行验证计算，在确定某一针刺参数（如网胎面密度）的情况下，所得到的其余两个针刺参数结果误差小于7%，可较好的反映性能与参数之间的关系。
      研究的创新点主要包括了两个方面：
      （１）在纤维排布对C/C复合材料力学性能影响的研究中揭示了不同纤维排布方式C/C复合材料的破坏方式，初步为适应不同应用要求优化纤维排布方式提供了理论基础与数据支撑；
      （２）在针刺参数对C/C复合材料力学性能影响的研究中，采用Design-expert软件，给予统计试验设计方法并结合模拟验证，采用响应曲面法构建了多目标性能与多工艺参数相关性数学模型，初步实现了C/C复合材料的性能预测与针刺预制体成型工艺参数设计。
      本研究所得到的结果进一步完善了针刺预制体成型工艺——C/C复合材料性能相互关联体系，并为针刺C/C复合材料的预制体设计和制备提供了技术支撑，同时，在研究中应用了多目标性能多工艺参数相关性研究方法、小尺寸试样的均匀致密工装，对今后相关方面的研究具有重要指导意义。