针刺碳/碳复合材料超高温拉伸力学性能试验研究
发布时间：2021-08-03 19:23
针刺碳/碳（C/C）复合材料在超高温环境下仍有很强的承载能力,已经广泛的应用于航空、航天领域,在飞行器制作中所占比重越来越大,成为不可或缺的材料。针刺C/C复合材料应用在热力耦合的部件上,高温力学性能十分重要,开展高温环境下的力学性能测试与表征对飞行器的可靠性设计具有重要作用。国内外关于复合材料室温下力学性能测试标准比较成熟,但高温环境下实验数据缺失较为严重;高温条件下,还面临着试验周期长、成本高、部分材料性能难以获取有效数据。针对上述不足,本文采用通电加热方式结合数字图像相关技术实现针刺C/C材料的高温状态测试,获得高温环境下材料的拉伸力学性能,为材料的计算提供参数。根据国内外C/C复合材料室温拉伸标准和高温力学试验的构造特点,对高温拉伸试验进行设计。首先设计出针刺C/C高温拉伸试样,完成试样的有限元建模,对试样的尺寸进行优化设计。对优化后试样进行通电加热模拟和热力耦合计算,得到其沿试样拉伸方向和垂直试样拉伸方向的温度场分布情况及试样整体的应力分布情况,对高温拉伸结果进行预测,并设计了高温试验的加载模式、加载速度以及升温过程的相关参数。建立了通电加热高温力学系统,对通电加热过程中水冷...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同复合材料成型技术[6-7]
哈尔滨工业大学硕士学位论文-4-对比，Naxeco预制体的性能更加优异，也成为后续的主要发展和研究方向。图1-2Novoltex针刺技术和Naxeco针刺技术示意图本世纪Snecma公司以降低成本为目的对Naxeco针刺技术进行大量研究，并且扩大了应用范围，随着技术的发展与完善，针刺C/C预制体成功应用在航天等重大的项目中，并做出重大的贡献，大大缩短了制备周期，降低了生产成本，并逐渐走向民用，例如航空领域中飞机的刹车片，采用针刺技术，提高了层间的剪切强度，改善了刹车性能。上世纪七十年代开始[13]，国内开展了对针刺预制体的研究。西北工业大学、中南大学、哈尔滨工业大学等率先研制针刺预制体，并成功应用于刹车盘；上海大学对预氧丝针刺预制体整体毡进行了研究，经过几年的努力，在七十年代中后期，成功研发了整体毡预制体，并应用到固体火箭发动机喷管喉称部位。西安航天复合材料研究所研究了针刺预制体整体毡的力学性能与针刺工艺参数的内在规律，在九十年代建立了整体毡的生产线，并在本世纪初开始研究高强度薄壁针刺预制体。随着研究的深入，科学家们发现碳纤维的性能相较预氧化纤维的性能更加优良，现阶段的研究一般都以碳布/碳纤维的网胎结构为主。我国的复合材料产品在某些方面相较于国外性能比较占优，具有着一定的技术优势。针刺碳纤维预制体性能均匀，层间性能较好，且工艺周期较短，成本较低，在科技领域发挥着越来越重要的地位。1.2.2针刺C/C复合材料研究现状针刺C/C复合材料由于Z向针刺纤维束的作用，导致材料内部纤维发生屈曲等缺陷，部分纤维发生折断，纤维分布随机性较大，内部结构非常复杂，各个方向的力学性能相差较大，热膨胀系数也是非线性的，与其细观模型下的纤维结构密切相关。因此研究针刺C/C复合材料的力学性能?
≡裢ǖ缂尤鹊姆绞浇?惺匝椤?本章介绍了通电加热的基本原理及特点，参照国内外C/C复合材料室温拉伸标准，对高温针刺C/C复合材料进行拉伸试样的优化设计，探究了应力集中系数与温度场均匀性随试样宽度和倒角半径的变化规律，获得一种兼顾温度场和应力场的高温拉伸力学性能测试试样，使之满足在标距段区域内，温度场较为均匀，温度梯度较小，在标距段处的拉伸应力最大，保证试样在高温拉伸试验过程中，断裂位置在标距段区域，同时对试验的夹具以及试验过程中的参数进行设计，使试验准确的完成。2.2通电加热基本原理及特点图2-1所示为试样直接通电加热原理示意图，当电流通过不同电阻率的导电材料时，会产生不同大小的焦耳热，利用焦耳热对材料进行加热，材料温度逐渐升高，停止供电后，加热停止。材料通过试样外表面对流和辐射进行冷却。图2-1试样通电加热原理示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]烧蚀型面结构对CVI+HPIC工艺制备针刺C/C喉衬等离子烧蚀性能的影响[J]. 吴小军,杨杰,郑蕊,张兆甫,杨毅. 无机材料学报. 2020(06)
[2]针刺C/C复合材料高温剪切强度研究[J]. 张波,贺平照,梁建伟,赵向东. 材料导报. 2018(S2)
[3]针刺预制体成型参数与C/C复合材料多目标力学性能响应模型研究[J]. 郑金煌,王毅,李贺军,崔红,邓海亮,殷忠义,张晓虎,王坤杰. 稀有金属材料与工程. 2018(11)
[4]C/C复合材料预制体的研究进展[J]. 孙乐,王成,李晓飞,李恒,叶梦苑,安冲. 航空材料学报. 2018(02)
[5]针刺预制体纤维排布对C/C复合材料力学性能影响[J]. 王毅,郑金煌,崔红,邓海亮. 固体火箭技术. 2016(03)
[6]针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测[J]. 谭勇洋,燕瑛,李欣,郭方亮. 航空学报. 2016(12)
[7]三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测[J]. 张超,许希武,毛春见. 复合材料学报. 2011(02)
[8]高超声速飞行器结构热问题讨论[J]. 孙兆虎. 航空科学技术. 2008(03)
[9]基于平面模板自由拍摄的双目立体测量系统的现场标定[J]. 张辉,张丽艳,陈江,赵转萍. 航空学报. 2007(03)
[10]碳/碳复合材料的应用研究进展[J]. 李翠云,李辅安. 化工新型材料. 2006(03)
硕士论文
[1]基于针刺工艺的碳/碳复合材料结构力学性能研究[D]. 邹佳俊.南京航空航天大学 2019
[2]Ta4HfC5-MoSi2-ZrB2陶瓷复合材料的制备及性能研究[D]. 王艳会.哈尔滨工业大学 2018
[3]导电陶瓷超高温力学特性测试系统的研制及热冲击实验[D]. 马树明.重庆大学 2015
[4]利用帕尔贴效应制冷供暖的局部空调设计及性能研究[D]. 周敬雯.上海交通大学 2013
本文编号：3320190
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同复合材料成型技术[6-7]
哈尔滨工业大学硕士学位论文-4-对比，Naxeco预制体的性能更加优异，也成为后续的主要发展和研究方向。图1-2Novoltex针刺技术和Naxeco针刺技术示意图本世纪Snecma公司以降低成本为目的对Naxeco针刺技术进行大量研究，并且扩大了应用范围，随着技术的发展与完善，针刺C/C预制体成功应用在航天等重大的项目中，并做出重大的贡献，大大缩短了制备周期，降低了生产成本，并逐渐走向民用，例如航空领域中飞机的刹车片，采用针刺技术，提高了层间的剪切强度，改善了刹车性能。上世纪七十年代开始[13]，国内开展了对针刺预制体的研究。西北工业大学、中南大学、哈尔滨工业大学等率先研制针刺预制体，并成功应用于刹车盘；上海大学对预氧丝针刺预制体整体毡进行了研究，经过几年的努力，在七十年代中后期，成功研发了整体毡预制体，并应用到固体火箭发动机喷管喉称部位。西安航天复合材料研究所研究了针刺预制体整体毡的力学性能与针刺工艺参数的内在规律，在九十年代建立了整体毡的生产线，并在本世纪初开始研究高强度薄壁针刺预制体。随着研究的深入，科学家们发现碳纤维的性能相较预氧化纤维的性能更加优良，现阶段的研究一般都以碳布/碳纤维的网胎结构为主。我国的复合材料产品在某些方面相较于国外性能比较占优，具有着一定的技术优势。针刺碳纤维预制体性能均匀，层间性能较好，且工艺周期较短，成本较低，在科技领域发挥着越来越重要的地位。1.2.2针刺C/C复合材料研究现状针刺C/C复合材料由于Z向针刺纤维束的作用，导致材料内部纤维发生屈曲等缺陷，部分纤维发生折断，纤维分布随机性较大，内部结构非常复杂，各个方向的力学性能相差较大，热膨胀系数也是非线性的，与其细观模型下的纤维结构密切相关。因此研究针刺C/C复合材料的力学性能?
≡裢ǖ缂尤鹊姆绞浇?惺匝椤?本章介绍了通电加热的基本原理及特点，参照国内外C/C复合材料室温拉伸标准，对高温针刺C/C复合材料进行拉伸试样的优化设计，探究了应力集中系数与温度场均匀性随试样宽度和倒角半径的变化规律，获得一种兼顾温度场和应力场的高温拉伸力学性能测试试样，使之满足在标距段区域内，温度场较为均匀，温度梯度较小，在标距段处的拉伸应力最大，保证试样在高温拉伸试验过程中，断裂位置在标距段区域，同时对试验的夹具以及试验过程中的参数进行设计，使试验准确的完成。2.2通电加热基本原理及特点图2-1所示为试样直接通电加热原理示意图，当电流通过不同电阻率的导电材料时，会产生不同大小的焦耳热，利用焦耳热对材料进行加热，材料温度逐渐升高，停止供电后，加热停止。材料通过试样外表面对流和辐射进行冷却。图2-1试样通电加热原理示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]烧蚀型面结构对CVI+HPIC工艺制备针刺C/C喉衬等离子烧蚀性能的影响[J]. 吴小军,杨杰,郑蕊,张兆甫,杨毅. 无机材料学报. 2020(06)
[2]针刺C/C复合材料高温剪切强度研究[J]. 张波,贺平照,梁建伟,赵向东. 材料导报. 2018(S2)
[3]针刺预制体成型参数与C/C复合材料多目标力学性能响应模型研究[J]. 郑金煌,王毅,李贺军,崔红,邓海亮,殷忠义,张晓虎,王坤杰. 稀有金属材料与工程. 2018(11)
[4]C/C复合材料预制体的研究进展[J]. 孙乐,王成,李晓飞,李恒,叶梦苑,安冲. 航空材料学报. 2018(02)
[5]针刺预制体纤维排布对C/C复合材料力学性能影响[J]. 王毅,郑金煌,崔红,邓海亮. 固体火箭技术. 2016(03)
[6]针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测[J]. 谭勇洋,燕瑛,李欣,郭方亮. 航空学报. 2016(12)
[7]三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测[J]. 张超,许希武,毛春见. 复合材料学报. 2011(02)
[8]高超声速飞行器结构热问题讨论[J]. 孙兆虎. 航空科学技术. 2008(03)
[9]基于平面模板自由拍摄的双目立体测量系统的现场标定[J]. 张辉,张丽艳,陈江,赵转萍. 航空学报. 2007(03)
[10]碳/碳复合材料的应用研究进展[J]. 李翠云,李辅安. 化工新型材料. 2006(03)
硕士论文
[1]基于针刺工艺的碳/碳复合材料结构力学性能研究[D]. 邹佳俊.南京航空航天大学 2019
[2]Ta4HfC5-MoSi2-ZrB2陶瓷复合材料的制备及性能研究[D]. 王艳会.哈尔滨工业大学 2018
[3]导电陶瓷超高温力学特性测试系统的研制及热冲击实验[D]. 马树明.重庆大学 2015
[4]利用帕尔贴效应制冷供暖的局部空调设计及性能研究[D]. 周敬雯.上海交通大学 2013
本文编号：3320190
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