成果簡介：
以火箭發(fā)動機(jī)噴管用薄壁碳/碳復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)件為研究背景，設(shè)計(jì)成型了兩種不同針刺預(yù)制體，以天然氣為碳源氣體進(jìn)行等溫化學(xué)氣相沉積（ICVI）制備了密度為1.65~1.70g/cm3的C/C復(fù)合材料，分別使用對比和響應(yīng)曲面法研究了針刺碳纖維預(yù)制體的纖維排布方式和針刺工藝參數(shù)對材料性能的影響規(guī)律，獲得了以下研究成果：（1）針刺碳/碳復(fù)合材料綜合性能最佳的纖維排布方式和性能與針刺參數(shù)的響應(yīng)曲面，（2）了解了纖維排布方向與受力方向夾角對材料拉伸和彎曲斷裂機(jī)制的影響，（3）根據(jù)響應(yīng)曲面方程實(shí)現(xiàn)了已知針刺參數(shù)的C/C復(fù)合材料性能預(yù)測，（4）建立了針刺C/C復(fù)合材料性能設(shè)計(jì)時(shí)的針刺參數(shù)設(shè)計(jì)方程，且方程具有較好的準(zhǔn)確度。
成果內(nèi)容提要：
本研究針對國內(nèi)尚未建立其纖維形態(tài)、含量、分布與針刺成型工藝參數(shù)與最終C/C復(fù)合材料性能之間的關(guān)聯(lián)體系這一現(xiàn)狀，主要進(jìn)行了針刺預(yù)制體中纖維排布方式和針刺參數(shù)對C/C復(fù)合材料的拉伸、彎曲和層間剪切性能的影響等方面的研究，并分析了基體微觀結(jié)構(gòu)，獲得的主要成果和新見解如下：
（１）采用ICVI工藝在1000℃下熱解天然氣沉積得到的PyC基體主要為光滑層結(jié)構(gòu)PyC，在材料內(nèi)部的大孔隙中，光滑層結(jié)構(gòu)外側(cè)有少量粗糙層結(jié)構(gòu)PyC。
（２）設(shè)計(jì)了四種不同纖維排布方式的針刺預(yù)制體，分析表明[0°/90°/-45°/+45°]纖維排布的C/C復(fù)合材料具有較為均衡的力學(xué)性能與韌性，其各向同性性能優(yōu)于其他纖維排布方式，可用于制備兼具高強(qiáng)度、高韌性的針刺C/C復(fù)合材料。
（３）使用SEM研究了不同排布角度纖維在拉伸和層間剪切性能測試中的斷裂機(jī)制。發(fā)現(xiàn)0°纖維有利于提升材料的拉伸、彎曲性能，但不利于提升材料的層間剪切性能；±45°纖維的存在有利于造成裂紋偏轉(zhuǎn)，形成假塑性斷裂，有利于提升材料的韌性。
（４）采用Design-expert軟件構(gòu)建針刺參數(shù)與C/C復(fù)合材料力學(xué)性能的響應(yīng)曲面關(guān)系，分析得到了在一定針刺參數(shù)范圍內(nèi)C/C復(fù)合材料各項(xiàng)性能的可設(shè)計(jì)范圍：軸向拉伸強(qiáng)度為44.53~91.63MPa，環(huán)向拉伸強(qiáng)度為41.60~86.09MPa，彎曲強(qiáng)度為51.17~139.98MPa，層間剪切強(qiáng)度為11.09~23.3MPa。
（５）優(yōu)化發(fā)現(xiàn)：針刺密度為12針/cm2，針刺深度為12mm，網(wǎng)胎面密度為150g/m2時(shí)，C/C復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳，其軸向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度分別為91.5MPa和73.3MPa，彎曲強(qiáng)度約為125.7MPa，層間剪切強(qiáng)度約為21.4MPa。
（６）根據(jù)針刺參數(shù)對各項(xiàng)性能的響應(yīng)面方程構(gòu)建矩陣，得到了C/C復(fù)合材料的軸環(huán)向拉伸、彎曲和層間剪切性能與針刺參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，在確定某一針刺參數(shù)（如網(wǎng)胎面密度）的情況下，所得到的其余兩個針刺參數(shù)結(jié)果誤差小于7%，可較好的反映性能與參數(shù)之間的關(guān)系。
研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括了兩個方面：
（１）在纖維排布對C/C復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究中揭示了不同纖維排布方式C/C復(fù)合材料的破壞方式，初步為適應(yīng)不同應(yīng)用要求優(yōu)化纖維排布方式提供了理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支撐；
（２）在針刺參數(shù)對C/C復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究中，采用Design-expert軟件，給予統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并結(jié)合模擬驗(yàn)證，采用響應(yīng)曲面法構(gòu)建了多目標(biāo)性能與多工藝參數(shù)相關(guān)性數(shù)學(xué)模型，初步實(shí)現(xiàn)了C/C復(fù)合材料的性能預(yù)測與針刺預(yù)制體成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。
本研究所得到的結(jié)果進(jìn)一步完善了針刺預(yù)制體成型工藝——C/C復(fù)合材料性能相互關(guān)聯(lián)體系，并為針刺C/C復(fù)合材料的預(yù)制體設(shè)計(jì)和制備提供了技術(shù)支撐，同時(shí)，在研究中應(yīng)用了多目標(biāo)性能多工藝參數(shù)相關(guān)性研究方法、小尺寸試樣的均勻致密工裝，對今后相關(guān)方面的研究具有重要指導(dǎo)意義。
以火箭發(fā)動機(jī)噴管用薄壁碳/碳復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)件為研究背景，設(shè)計(jì)成型了兩種不同針刺預(yù)制體，以天然氣為碳源氣體進(jìn)行等溫化學(xué)氣相沉積（ICVI）制備了密度為1.65~1.70g/cm3的C/C復(fù)合材料，分別使用對比和響應(yīng)曲面法研究了針刺碳纖維預(yù)制體的纖維排布方式和針刺工藝參數(shù)對材料性能的影響規(guī)律，獲得了以下研究成果：（1）針刺碳/碳復(fù)合材料綜合性能最佳的纖維排布方式和性能與針刺參數(shù)的響應(yīng)曲面，（2）了解了纖維排布方向與受力方向夾角對材料拉伸和彎曲斷裂機(jī)制的影響，（3）根據(jù)響應(yīng)曲面方程實(shí)現(xiàn)了已知針刺參數(shù)的C/C復(fù)合材料性能預(yù)測，（4）建立了針刺C/C復(fù)合材料性能設(shè)計(jì)時(shí)的針刺參數(shù)設(shè)計(jì)方程，且方程具有較好的準(zhǔn)確度。
成果內(nèi)容提要：
本研究針對國內(nèi)尚未建立其纖維形態(tài)、含量、分布與針刺成型工藝參數(shù)與最終C/C復(fù)合材料性能之間的關(guān)聯(lián)體系這一現(xiàn)狀，主要進(jìn)行了針刺預(yù)制體中纖維排布方式和針刺參數(shù)對C/C復(fù)合材料的拉伸、彎曲和層間剪切性能的影響等方面的研究，并分析了基體微觀結(jié)構(gòu)，獲得的主要成果和新見解如下：
（１）采用ICVI工藝在1000℃下熱解天然氣沉積得到的PyC基體主要為光滑層結(jié)構(gòu)PyC，在材料內(nèi)部的大孔隙中，光滑層結(jié)構(gòu)外側(cè)有少量粗糙層結(jié)構(gòu)PyC。
（２）設(shè)計(jì)了四種不同纖維排布方式的針刺預(yù)制體，分析表明[0°/90°/-45°/+45°]纖維排布的C/C復(fù)合材料具有較為均衡的力學(xué)性能與韌性，其各向同性性能優(yōu)于其他纖維排布方式，可用于制備兼具高強(qiáng)度、高韌性的針刺C/C復(fù)合材料。
（３）使用SEM研究了不同排布角度纖維在拉伸和層間剪切性能測試中的斷裂機(jī)制。發(fā)現(xiàn)0°纖維有利于提升材料的拉伸、彎曲性能，但不利于提升材料的層間剪切性能；±45°纖維的存在有利于造成裂紋偏轉(zhuǎn)，形成假塑性斷裂，有利于提升材料的韌性。
（４）采用Design-expert軟件構(gòu)建針刺參數(shù)與C/C復(fù)合材料力學(xué)性能的響應(yīng)曲面關(guān)系，分析得到了在一定針刺參數(shù)范圍內(nèi)C/C復(fù)合材料各項(xiàng)性能的可設(shè)計(jì)范圍：軸向拉伸強(qiáng)度為44.53~91.63MPa，環(huán)向拉伸強(qiáng)度為41.60~86.09MPa，彎曲強(qiáng)度為51.17~139.98MPa，層間剪切強(qiáng)度為11.09~23.3MPa。
（５）優(yōu)化發(fā)現(xiàn)：針刺密度為12針/cm2，針刺深度為12mm，網(wǎng)胎面密度為150g/m2時(shí)，C/C復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳，其軸向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度分別為91.5MPa和73.3MPa，彎曲強(qiáng)度約為125.7MPa，層間剪切強(qiáng)度約為21.4MPa。
（６）根據(jù)針刺參數(shù)對各項(xiàng)性能的響應(yīng)面方程構(gòu)建矩陣，得到了C/C復(fù)合材料的軸環(huán)向拉伸、彎曲和層間剪切性能與針刺參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，在確定某一針刺參數(shù)（如網(wǎng)胎面密度）的情況下，所得到的其余兩個針刺參數(shù)結(jié)果誤差小于7%，可較好的反映性能與參數(shù)之間的關(guān)系。
研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括了兩個方面：
（１）在纖維排布對C/C復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究中揭示了不同纖維排布方式C/C復(fù)合材料的破壞方式，初步為適應(yīng)不同應(yīng)用要求優(yōu)化纖維排布方式提供了理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支撐；
（２）在針刺參數(shù)對C/C復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究中，采用Design-expert軟件，給予統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并結(jié)合模擬驗(yàn)證，采用響應(yīng)曲面法構(gòu)建了多目標(biāo)性能與多工藝參數(shù)相關(guān)性數(shù)學(xué)模型，初步實(shí)現(xiàn)了C/C復(fù)合材料的性能預(yù)測與針刺預(yù)制體成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。
本研究所得到的結(jié)果進(jìn)一步完善了針刺預(yù)制體成型工藝——C/C復(fù)合材料性能相互關(guān)聯(lián)體系，并為針刺C/C復(fù)合材料的預(yù)制體設(shè)計(jì)和制備提供了技術(shù)支撐，同時(shí)，在研究中應(yīng)用了多目標(biāo)性能多工藝參數(shù)相關(guān)性研究方法、小尺寸試樣的均勻致密工裝，對今后相關(guān)方面的研究具有重要指導(dǎo)意義。
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