三向正交预制体织造参数对C/C复合材料性能的影响

doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000342

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以Z向间距不同的三向正交结构预制体为研究对象，采用化学气相渗透和浸渍树脂相结合的工艺制备碳/碳(C/C)复合材料，研究织造参数对C/C复合材料微观结构和弯曲性能的影响。以三向正交预制体最小的重复结构为单元建立计算模型，获得三向正交预制体纤维含量与织造参数的关系式并进行验证，结果表明：Z向纤维间距及X，Y向纤维层间距越小，预制体纤维含量越高；Z向纤维间距越大，纤维交织处扭曲变形大，预制体孔隙结构发生变化；相同致密化工艺下，孔隙结构的变化影响C/C复合材料中基体碳的组成和分布，对基体碳形貌无影响；X，Y向纤维含量越高，Z向纤维间距越小，致密后的C/C复合材料弯曲强度越高。

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关键词 ：三向正交预制体, 织造参数, 纤维含量, 微观形貌, 弯曲性能

Abstract：

Taking the three-directional orthogonal preform with different Z-direction fiber distance as the research object, the carbon/carbon (C/C) composites were prepared by the combination of chemical vapor infiltration and resin impregnation, and the effect of weaving parameters on the microstructure and bending performance of C/C composites were studied. The calculation model was established by taking the smallest repeated structure of three-directional orthogonal preform as a unit, and the relationship between fiber content and weaving parameters of three-directional preform was obtained and verified. The results show that the fiber content of preform is increased with the decrease of Z-direction fiber distance and X, Y-direction fiber layer distance; when the Z-direction fiber distance is increased, the twist deformation of the fiber interweave becomes larger, resulting in the change of the pore structure of the preform; under the same densification process, the change of pore structure affects the composition and distribution of carbon matrix in C/C composites, but has no effect on the morphology of carbon matrix; when the fiber content in X, Y-direction is increased and the distance between fibers in Z-direction is decreased, the flexural strength of the C/C composites is higher.

Key words： three-directional orthogonal preform weaving parameter fiber content micro-morphology bending property

收稿日期: 2021-04-14 出版日期: 2022-05-23

中图分类号:

TB332

基金资助:科技委基础加强项目(2017-JCJQ-ZD-035);上海市教育发展基金会和上海市教育委员会"曙光计划"(18SG34)

通讯作者: 杨敏 E-mail: ym2008@shu.edu.cn

作者简介: 杨敏(1983—), 女, 副研究员, 博士, 从事碳基复合材料的研究, 联系地址: 上海市宝山区上大路99号上海大学113信箱复合材料研究中心(200444), E-mail: ym2008@shu.edu.cn

引用本文:

邓奇林, 杨敏, 姚彧敏, 李红, 任慕苏, 孙晋良. 三向正交预制体织造参数对C/C复合材料性能的影响[J]. 材料工程, 2022, 50(5): 139-146.
Qilin DENG, Min YANG, Yumin YAO, Hong LI, Musu REN, Jinliang SUN. Effect of three-directional orthogonal preform weaving parameters on properties of C/C composites. Journal of Materials Engineering, 2022, 50(5): 139-146.

链接本文:

http://jme.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000342 或 http://jme.biam.ac.cn/CN/Y2022/V50/I5/139

Table 1 Y1, Y2, Y3预制体织造参数

Fig.1 三向正交预制体示意图

Fig.2 三向正交预制体单元体示意图

Table 2 三种预制体纤维体积分数的计算值

Fig.3 不同预制体增强C/C复合材料显微图
(a)Y1样品；(b)Y2样品；(c)Y3样品

Table 3 三种预制体结构C/C复合材料Z向纤维中心距离实测值和设计值

Fig.4 三种预制体结构的孔隙结构示意图
(a)Y1, Y2样品；(b)Y3样品

Fig.5 三种预制体结构C/C复合材料微观形貌
(a)X，Y向纤维束；(b)Z向纤维束；(c)X，Y，Z向纤维束包裹；(1)Y1；(2)Y2；(3)Y3

Fig.6 Y3预制体结构C/C复合材料Z向纤维未填充处微观形貌

Table 4 三种预制体结构C/C复合材料的组成和密度

Fig.7 三种预制体结构C/C复合材料弯曲强度图

Fig.8 三种预制体结构C/C复合材料弯曲应力-应变曲线

Fig.9 三种预制体结构C/C复合材料弯曲试样断裂后宏观形貌

Fig.10 三种预制体结构C/C复合材料弯曲试样断口形貌
(a)Y1样品；(b)Y2样品；(c)Y3样品

Fig.11 弯曲断裂过程示意图
(a)屈曲变形；(b)裂纹扩展；(c)断裂失效

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