摘要
碳纤维增强碳基(C/C)复合材料具有密度低、比强度和比模量高、低热膨胀系数、高导热系数、耐腐蚀，以及优异的摩擦磨损性能和耐超高温烧蚀性能，使其在诸多军用、民用领域得到了广泛应用。C/C复合材料的性能与碳纤维种类、预制体结构、材料制备工艺密切相关。尽管C/C复合材料结构-性能关系的研究报道很多，但是针对不同碳纤维牌号和预制体结构的对C/C复合材料力学性能的影响规律尚缺乏系统的研究。因此，本论文围绕高性能C/C复合材料的力学性能的影响因素这一主题，深入开展了碳纤维牌号及预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响，并讨论了不同预制体结构对C/C复合材料螺栓力学性能的影响。其主要研究内容和结果如下: (1)选取性能相近的不同牌号碳纤维（日本东丽T700、日本东邦UTS50、国产中复神鹰ST700、国产恒神HF30），采用同种编织方式制备碳纤维预制体，利用电耦合CVI(E-CVI)工艺制得C/C复合材料，研究不同牌号碳纤维对C/C复合材料力学性能的影响。结果发现，表面光滑的中复神鹰ST700碳纤维所制C/C复合材料具有最优异的力学性能。 (2)研究了不同碳纤维丝束(每束碳纤维所含碳纤维根数3k、6k、12k)对C/C复合材料力学性能的影响，结果表明，3k碳纤维所制C/C复合材料力学性能最优，其弯曲强度和拉伸强度分别为为184.37MPa和105.48MPa与6k碳纤维所制C/C复合材料相比提高3.8％和23.8％，与12k碳纤维所制C/C复合材料相比提高4.3％和34％。随着碳纤维丝束的增大不利于C/C复合材料的力学性能，小丝束3k所制C/C复合材料强度高的原因主要是碳纤维丝束越小预制体内部孔隙分布越均匀，层间结合越紧密，结构越均一。 (3)研究了不同针刺密度（针刺密度X、1.4X，X为每平方厘米针刺数）制备碳纤维针刺预制体对C/C复合材料力学性能的影响。结果表明针刺密度较小的C/C复合材料弯曲强度更高。针刺密度为X时C/C复合材料弯曲强度为176.78MPa，而针刺密度1.4X的C/C复合材料强度仅有119.90MPa。针刺密度的提高带来长纤维损伤增多是材料强度下降的主要原因。 (4)研究了不同编织方式（2D针刺、双向缝合）制备的碳纤维预制体对C/C复合材料力学性能的影响。结果表明，2D针刺结构所制C/C复合材料力学性能优于双向缝合结构C/C复合材料。双向缝合是在2D针刺预制体基础上进行缝合的，其长纤维的损伤增多，所得C/C复合材料的弯曲强度为123.73MPa，较2D针刺结构C/C复合材料低，2D针刺结构C/C复合材料弯曲强度为176.78MPa。 (5)研究不同纤维体积密度（纤维体积密度Y、1.2Y）双向缝合制备碳纤维预制体对C/C复合材料力学性能的影响。随着纤维体积密度的增大，材料力学性能显著提高，1.2Y所制C/C复合材料弯曲强度比Y所制C/C复合材料弯曲强度高出40％左右，为208.17MPa。 (6)研究了不同预制体结构制对C/C复合材料螺栓力学性能的影响。结果表明预制体结构对螺栓力学性能的影响规律C/C本体材料类规律相一致。螺栓力学性能较C/C复合材料本体略低，这是由C/C复合材料螺栓机加工导致了材料表面缺陷及纤维损伤。6k碳纤维所制C/C复合材料螺栓拉伸强度为78.88MPa，较本体C/C复合材料下降2.5％。
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