高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能

doi:10.15541/jim20190607

无机材料学报 ›› 2020, Vol. 35 ›› Issue (10): 1105-1111.DOI: 10.15541/jim20190607 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20190607

所属专题：结构陶瓷论文精选(2020)

高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能

刘宇峰^1,²(),俸翔¹,王金明¹,许正辉¹,李同起¹,焦星剑¹,王雅雷²,熊翔²

^1. 航天材料及工艺研究所先进功能复合材料技术重点实验室, 北京 100076
^2. 中南大学粉末冶金研究院, 长沙 410083

收稿日期:2019-11-29 修回日期:2019-12-29 出版日期:2020-10-20 网络出版日期:2020-03-06
作者简介:刘宇峰(1989-), 男, 工程师, 博士研究生. E-mail:liuyf123@csu.edu.cn.
基金资助:
装发共用技术预研项目(41422020106);科工局基础科研项目(HTKJ2019KL703001);装发重点实验室基金项目(61429060102162906002)

Preparation and Properties of High-performance Needled C/C Composites

LIU Yufeng^1,²(),FENG Xiang¹,WANG Jinming¹,XU Zhenghui¹,LI Tongqi¹,JIAO Xingjian¹,WANG Yalei²,XIONG Xiang²

^1. Science and Technology of Advanced Functional Composites Laboratory, Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076, China;
^2. Powder Metallurgy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China

Received:2019-11-29 Revised:2019-12-29 Published:2020-10-20 Online:2020-03-06
About author:LIU Yufeng(1989-), male, engineer, PhD candidate. E-mail:liuyf123@csu.edu.cn
Supported by:
Common Technology Project of Equipment Development Department(41422020106);National Defense Basic Scientific Research Project(HTKJ2019KL703001);Key Laboratory Foundation of Equipment Development Department(61429060102162906002)

摘要/Abstract

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/cm ²、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

Abstract:

To obtain high performance needled C/C composites, a series of needled non-woven carbon fiber felt with different characteristics was prepared. The needled C/C composites were prepared by means of high-pressure impregnation-carbonization, and their microstructure features, mechanical properties and thermo-physical properties of needled C/C composites were characterized. The investigation results show that the types of preform structure have obvious effects on the mechanical and thermo-physical properties of the C/C composites. When the preform is produced with key characteristics of needling depth at 12 mm, needling density at 22 pin/cm ² and fiber web/weft less ply at 1.0:4.8, the needle C/C composites shows excellent comprehensive performance, with tensile strength, compression strength, flexural strength, in-plane shear strength, and interlaminar shear strength of 207, 228, 285, 54 and 28 MPa, respectively.

Key words: C/C composite, needling characteristic, mechanical property, thermo-physical property

中图分类号:

TB332

刘宇峰, 俸翔, 王金明, 许正辉, 李同起, 焦星剑, 王雅雷, 熊翔. 高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能[J]. 无机材料学报, 2020, 35(10): 1105-1111.

LIU Yufeng, FENG Xiang, WANG Jinming, XU Zhenghui, LI Tongqi, JIAO Xingjian, WANG Yalei, XIONG Xiang. Preparation and Properties of High-performance Needled C/C Composites[J]. Journal of Inorganic Materials, 2020, 35(10): 1105-1111.

图/表 11

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No.	ρ_A-fiber web/ (g·m^-2)	ρ_A-weftless ply/ (g·m^-2)	Needling depth/ mm	Needling density/ (pin·m^-2)	ρ_preform/ (g·cm^-3)	ρ_C/C/ (g·cm^-3)	Porosity/ %
A	200	300	12	22	0.31	2.073	0.677
B-1	140	340	12	12	0.45	2.052	0.528
B-2	140	340	12	22	0.44	2.047	0.680
B-3	140	340	12	27	0.44	2.052	0.681
B-4	140	340	12	35	0.45	2.048	0.570
B-5	140	340	15	12	0.44	2.042	0.622
B-6	140	340	18	12	0.44	2.040	2.361
B-7	120	300	12	22	0.46	2.040	1.643
B-8	140	340	12	22	0.45	2.048	1.416
C	80	380	12	22	0.6	2.016	1.127

No.	ρ_A-fiber web/ (g·m^-2)	ρ_A-weftless ply/ (g·m^-2)	Needling depth/ mm	Needling density/ (pin·m^-2)	ρ_preform/ (g·cm^-3)	ρ_C/C/ (g·cm^-3)	Porosity/ %
A	200	300	12	22	0.31	2.073	0.677
B-1	140	340	12	12	0.45	2.052	0.528
B-2	140	340	12	22	0.44	2.047	0.680
B-3	140	340	12	27	0.44	2.052	0.681
B-4	140	340	12	35	0.45	2.048	0.570
B-5	140	340	15	12	0.44	2.042	0.622
B-6	140	340	18	12	0.44	2.040	2.361
B-7	120	300	12	22	0.46	2.040	1.643
B-8	140	340	12	22	0.45	2.048	1.416
C	80	380	12	22	0.6	2.016	1.127

No.	ρ_{A-fiber web}/ ρ_{A-weftless ply}	ρ_preform/ (g·cm^-3)	XY tensile strength/MPa	Z tensile strength/MPa
A	1.0 : 1.5	0.31	17.5	0.062
B-8	1.0 : 2.4	0.44	22.0	0.060
C	1.0 : 4.8	0.60	32.9	0.055

No.	ρ_{A-fiber web}/ ρ_{A-weftless ply}	ρ_preform/ (g·cm^-3)	XY tensile strength/MPa	Z tensile strength/MPa
A	1.0 : 1.5	0.31	17.5	0.062
B-8	1.0 : 2.4	0.44	22.0	0.060
C	1.0 : 4.8	0.60	32.9	0.055

No.	Tensile		In-plane compression		Flexural		In-plane shear		Interlaminar shear strength/ MPa
No.	Strength/ MPa	Modulus/ GPa	Strength/ MPa	Modulus/ GPa	Strength/ MPa	Modulus/ GPa	Strength/ MPa	Modulus/ GPa	Interlaminar shear strength/ MPa
A	116.0	44.85	173.1	37.76	181.5	34.56	67.9	11.08	24.6
B-1	165.5	59.22	221.5	56.14	255.8	43.14	62.7	10.97	23.3
B-2	151.1	57.06	201.8	51.97	249.5	40.21	58.9	10.39	24.0
B-3	165.0	55.34	205.2	53.02	239.1	43.36	58.9	10.68	25.0
B-4	160.9	52.41	198.0	52.18	226.9	42.45	58.2	10.73	25.5
B-5	150.5	56.61	198.9	49.48	211.4	39.49	59.3	10.10	24.0
B-6	120.4	40.99	196.4	44.72	185.1	35.36	54.7	9.93	34.6
B-7	154.0	50.94	219.2	53.41	214.4	39.02	60.6	10.10	29.6
B-8	154.2	51.00	200.2	54.89	221.0	40.72	60.7	10.13	26.0
C	207.4	68.59	228.6	68.97	285.1	52.84	54.1	10.06	28.3

高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能

Preparation and Properties of High-performance Needled C/C Composites

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