化学液气相渗透致密快速制备炭/炭复合材料

探索了一种的炭/炭制备方法-快速化学液气相渗透致密(CLVD),沉积时间3h内可获得密度达1.74g/cm3的炭/炭材料.预制体为环形炭毡制件(160mm×80mm×10mm),以液态低分子有机物(CYH和KEE)作炭源前躯体,将预制体浸泡在液体炭源前驱体中,利用辐射加热,在预制体范围内造成由内而外的温度梯度.研究表明,在900℃～1100℃沉积温度范围内,炭纤维表面最大沉积速率为64μm/h,比等温CVI的沉积速率 (0.1μm/h～0.25μm/h)快2个数量级以上.同时,分析并提出了该方法快速致密多孔预制体的机理.     

CLVI技术制备炭/炭复合材料

利用化学液气相沉积工艺以煤油为前驱体,采用密度为0.4g/cm3的针刺炭纤维毡为预制体,10h内制备了壁厚为40mm,密度沿径向均匀分布,密度达1.70g/cm3的炭/炭复合材料盘形件.同时还阐明了用于制备炭/炭复合材料的化学液气相沉积工艺原理及工艺过程,利用偏光显微镜观察所得材料的微观组织结构属光滑层结构的热解炭.     

稀土镧催化热解二甲苯制备炭/炭复合材料的烧蚀与氧化性能

采用薄膜沸腾(CVI)法,以LaCl_3催化热解二甲苯、浸渍树脂及热处理后获得密度为1. 72～1. 73 g/cm3的炭/炭(C/C)复合材料。应用氧-乙炔火焰和静态空气氧化法测试材料的烧蚀与氧化性能,XRD、SEM研究烧蚀及氧化面的物相组成与形貌。结果表明,随着催化剂含量由0升高至15 wt%,材料的烧蚀和氧化失重率先减小后增大。高温氧化环境中表面形成的La_2O_3层可减缓材料的氧化,催化生长的纳米丝状碳增强了基体抗剥蚀能力,使得催化剂添加后材料的质量和线烧蚀率较未添加时分别降低7. 6%～15. 2%和10. 7%～20. 0%,氧化失重率减少17. 7%～38. 5%。催化剂含量6 wt%和10 wt%下材料的性能较佳;含量超过10 wt%后,基体中各向同性结构热解炭较厚,导致材料抗烧蚀氧化性能降低。热处理温度由1 800℃升高至2 250℃时,材料的抗烧蚀氧化性能提高。     

多元耦合场CVI法快速致密化炭/炭复合材料研究

以液化石油气为碳源气体,采用多元耦合场CVI工艺方法快速制备了炭/炭复合材料.在自制冷壁CVI炉中,使用普通炭毡作为炭纤维预制体,设置特殊的导电发热层,沉积温度为650～1050℃,系统的气氛压力为0.1～30kPa,流量为0.1～0.5m3/h,沉积时间12h的条件下可将预制体一次性快速增密至1.75g/cm3.XRD分析表明:该材料经过2300℃,2h高温石墨化处理,其石墨化度(g)可达到61.3%,晶粒尺寸达到16.1nm.PLM分析表明所得材料偏光形貌表现为光滑层(SL)结构,SEM形貌照片测算可知热解炭沉积速率在6.6μm/h以上.分析了炭/炭致密化的过程和热解炭的沉积机理,说明多元耦合场加速了热解炭的沉积,缩短了致密化时间,降低了成本.     

掺杂难熔金属碳化物对炭/炭复合材料烧蚀微观结构的影响

详细分析和比较了3D炭／炭复合材料及其添加难熔金属碳化物的试样在三种烧蚀条件下的烧蚀结果、微观结构及形貌。SEM观察结果显示，纤维与基体间的界面优先烧蚀现象对纯炭／炭试样是普遍存在的，相反，对难熔金属碳化物掺杂的炭／炭试样而言，纤维却总是优先被烧蚀；纤维单丝相对基体优先烧蚀越明显，材料宏观烧蚀率越大。对纯炭／炭试样烧蚀表层区的TEM观察结果表明，在烧蚀过程中炭纤维和基体炭均发生明显的微观结构变化，具体表现为炭纤维的微晶尺寸显著长大，而基体炭原有层片区则出现柱状炭。烧蚀测试条件对材料宏观和微观形貌及烧蚀机理都有影响：     

粘结剂种类对模压成形制备呋喃树脂类玻璃炭的影响

研究了粘结剂类型对模压成形法制备呋喃树脂基类玻璃炭性能影响.3种粘结剂分别是沥青、酚醛树脂和硼酚醛树脂作为粘结剂,含量均为30%(质量分数).采用DSC/TG研究类玻璃炭的炭化工艺,并用SEM观察其断口形貌,用排水法计算材料的密度,用检流计测定类玻璃炭的电阻率.研究结果表明:粘结剂种类对类玻璃炭的综合性能有较大影响.以酚醛树脂作为粘结剂时类玻璃炭综合性能最好,断口光滑平整,只有极少量直径＜0.2μm的孔洞,无裂纹,其密度为1.47g/cm3,电阻率为224.3μΩ·m.     

炭/炭复合材料新型热梯度制备工艺

对传统的热梯度化学气相渗透工艺进行了改进.把高热导率(55W/(m·℃))的48k炭纤维束穿入针刺炭毡预制体中心.利用炭纤维束和炭毡预制体热导率(0.15W/(m·℃))的差异,在预制体内部产生热梯度.在900℃～1200℃下,天然气首先在预制体中心的48k炭纤维处热解,致密化沿径向由中心向外部推进,67 h后材料的密度达1.778 g/cm3.研究了炉内输入电压、电阻、致密化时间、沉积层位置等工艺参数对材料性能的影响.通过偏光显微镜和扫描电子显微镜研究了基体热解碳的微观结构,并对炭纤维体积含量为10%的炭/炭试样进行了烧蚀性能测试.     

热梯度CVI技术制备炭/炭复合材料

为了阐明用于制备炭/炭复合材料的热梯度化学气相沉积工艺原理,分析了沉积过程中随着热解沉积区域的移动,发热体的电阻值以及加在发热体两端功率的变化规律,并利用偏光显微镜观察了材料的粗糙层、光滑层热解炭微观组织结构.结果表明:随着沉积过程的进行,TCVI中加在电极两端的功率呈非线性升高,而电阻值呈非线性降低;利用TCVI工艺在320 h内制备了φ240 mm×φ80 mm×33 mm的盘形件,且炭/炭复合材料的密度均匀性好,密度均大于1.70g/cm3.     

沸石矿模板炭的制备及其纳米孔的形成机理

分别以沸石矿和人造沸石为模板、蔗糖为碳源、采用模板法制备了多孔炭材料。采用SEM和N2吸附对样品进行了表征。结果表明,沸石矿模板炭的比表面积(1070m2/g)比人造沸石模板炭的比表面积(1820m2/g)低,但沸石矿模板炭的总孔容(1.39cm3/g)和中孔孔容(0.98cm3/g)均明显高于人造沸石模板炭的总孔容(1.02cm3/g)和中孔孔容(0.39cm3/g)。沸石矿模板炭的纳米孔主要由三部分孔组成,即复制模板壁厚的“复制孔”、继承模板孔道的“继承孔”和炭化过程中形成的纳米孔。     

碳源对CVI炭/炭复合材料致密和结构的影响

采用自行设计的化学气相渗(CVI)炉以炭毡作为纤维增强体,在坯体内部设计特殊的导电发热层,使坯体内部的温度场、气体反应的中间产物浓度场、电磁场等多元物理场实现耦合,进而达到坯体的快速增密。研究了沉积温度为800℃～1000℃,系统压力0.1kPa～15.0kPa条件下,分别使用石油液化气和丙烯作碳源时对增密速度和沉积热解炭结构的影响;借助偏光显微镜考察了沉积炭的组织结构;用X射线衍射表征了C/C复合材料的石墨化度和微晶尺寸。研究表明:初始密度为0.2g/cm3,尺寸为260mm×60mm×20mm的炭毡坯体沉积20h,经过工艺优化,石油液化气可使坯体增密到1.7g/cm3以上,丙烯可使坯体增密到1.6g/cm3以上;两种碳源沉积所获材料的晶体有序度均随沉积温度的升高和系统压力的降低而升高,其中石油液化气在较高温度(990℃)、较低压力(0.1kPa)下能沉积出织构更高的结构一致的粗糙层结构热解炭;说明不同活化能的复合碳源气体可以发挥与其他物理场梯度的协同耦合作用,有利于提高沉积速度和热解炭的织构。     

高强度—中密度纳米孔树脂基防隔热复合材料的制备与性能

针对新一代航天器长时防隔热-高气动剪切的防热需求,以杂化酚醛树脂为基体、纤维布/纤维网胎逐层针刺结构为增强体,通过溶胶-凝胶工艺,制备出一种中密度-高强度-防隔热一体化的纳米孔树脂基复合材料(IPC-90),系统研究了石英纤维(QF/IPC-90)和碳纤维(CF/IPC-90)对复合材料的微观结构、力学性能、静态隔热和烧蚀性能的影响,探讨了其在低-中-高温度下的烧蚀机制。结果表明：纤维布的引入使IPC-90具有优异的力学性能(拉伸曲强度>120 MPa,弯曲强度>90 MPa);纳米孔基体和纤维网胎的引入使IPC-90在中密度(～0.95 g/cm³)下具有较低的热导率(室温热导率依次为0.089 W/(m·K)和0.120 W/(m·K))。在1 000℃静态隔热试验中,两种材料均展现了较好的热稳定性和抗氧化性,其等效热导率分别为0.142 W/(m·K)和0.186 W/(m·K)。在2 000℃以下氧-丙烷烧蚀试验中,QF/IPC-90和CF/IPC-90的烧蚀主要由基体热解、炭化收缩引起,其1 600℃下的线烧蚀率依次为0.0208 mm/s和...     

Effect of oxidation on elastic modulus of C/C–SiC composites

The main objective of present work was to observe the performance of 3D C/C–SiC composites with the exposure of oxy-acetylene gas flame in open atmosphere. Duration of exposure time was increased to measure the weight loss, elastic modulus, microhardness and thermal degradation. Also, XRD pattern was obtained to compare the behaviour of oxidized and unoxidized C/C–SiC composites. The amount of heat transferred to the base material depends upon the torch distance from the materials. The results clearly indicate that the excess amount of carbon was oxidized with the oxygen to form carbon mono oxide. The matrix materials undergo pyrolysis reactions within short periods, which generate volatiles and leave behind a porous skeleton of carbon fibres. The thermal properties (microvolt) microhardness, tensile stress and elastic modulus of C/C–SiC composite was reduced abruptly with increase of exposure time. XRD pattern also shows that the number of peaks and height of signals reduced with the increase of exposure time, which clearly indicates that the morphological changes were induced within the short period and losses carbon and silicon particles.     

化学气相沉积ZrC陶瓷涂层的微观结构和抗烧蚀性能

为了提高碳／碳（C／C）复合材料的抗烧蚀性能,在C／C基体上成功制备了碳化锆（ZrC）高温抗烧蚀涂层。用常压化学气相沉积法,前驱体选用ZrCl4＋C3H6＋H2＋Ar体系。通过调节C3H6的流量,制得3种碳锆原子比的ZrC陶瓷涂层（ZrC1.0＋C,ZrC1.0,ZrC0.7）。分析了不同锆碳比ZrC涂层的相组成和形貌差异,研究了锆碳比对ZrC陶瓷涂层的烧蚀性能的影响。结果表明,3种ZrC涂层都可有效提高C／C复合材料的抗烧蚀性能,但由于微观结构特征不同,3种涂层显示不同的烧蚀性能和烧蚀机制。其中,ZrC0.7涂层试样烧蚀后,表面形成致密的氧化物层,烧蚀性能最佳,烧蚀240s后质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1．1×10^-4g／cm^2·s和0．3×10^-3mm／s。     

Fe基高温合金涂层封填C/C-ZrC-SiC复合材料的制备及抗烧蚀机制

为了改善C/C-ZrC-SiC复合材料在高超声速飞行器热防护领域的使用性能,采用低压悬浮浸渗法制备出Fe基高温合金涂层封填C/C-ZrC-SiC复合材料。利用XRD、SEM、EDS等手段研究氧乙炔焰烧蚀前后Fe基高温合金涂层封填C/C-ZrC-SiC复合材料表层微观结构演变规律,阐明了Fe基高温合金涂层对C/C-ZrC-SiC复合材料烧蚀行为的影响。结果表明:C/C-ZrC-SiC复合材料在1 650℃的大气环境下并通过低压悬浮浸渗法浸渗2 h后,其表层形成一层均匀、致密、且结合紧密的Fe基高温合金涂层。在2 500℃下烧蚀180 s后,改性后的C/C-ZrC-SiC复合材料表面出现较小的烧蚀坑,质量烧蚀率相比未表面改性的试样降低了8%,线烧蚀率降低了35%。且表面生成一层均匀致密的Fe₂O₃-ZrO₂复合氧化物保护层,大大降低了表面裂纹、孔洞等缺陷的产生,从而降低了氧的扩散速率及缺陷带来的应力集中。最终Fe基高温合金覆盖层提高了C/C-ZrC-SiC复合材料的高温抗氧化性和抗机械剥蚀性能。      

聚合物浸渍裂解法制备C/C-ZrC复合材料及其性能

本文以低密度C/C复合材料为坯体,有机锆聚合物为前驱体,采用聚合物浸渍裂解法(PIP)制备C/C-ZrC复合材料,并对其微观结构、力学性能、烧蚀性能以及烧蚀机理进行了研究。结果表明ZrC在材料内分布均匀,密度为2.05g·cm~(-3)的C/C-ZrC复合材料其弯曲强度为89.70MPa,呈脆性断裂。经氢-氧焰烧蚀150s后其线烧蚀率为-2.2×10~(-3)mm·s~(-1),质量烧蚀率为-1.0×10-3g·s~(-1),远低于密度为1.86g·cm~(-3)的C/C复合材料(线烧蚀率:4.4×10~(-3) mm·s~(-1),质量烧蚀率:7.5×10~(-4)g·s~(-1));在烧蚀的过程中,ZrC表现出优先氧化,同时生成的ZrO_2阻挡层能有效阻挡热量的传递和氧气的渗透,提高了材料的抗烧蚀性能。     

Effects of carbon nanotubes and carbon fiber reinforcements on thermal conductivity and ablation properties of carbon/phenolic composites

The ablation properties and thermal conductivity of carbon nanotube (CNT) and carbon fiber (CF)/phenolic composites were evaluated for different filler types and structures. It was found that the mechanical and thermal properties of phenolic-polymer matrix composites were improved significantly by the addition of carbon materials as reinforcement. The concentrations of CF and CNT reinforcing materials used in this study were 30 vol% and 0.5 wt%, respectively. The thermal conductivity and thermal diffusion of the different composites were observed during ablation testing, using an oxygen–kerosene (1:1) flame torch. The thermal conductivity of CF mat/phenolic composites was higher than that of random CF/phenolic composites. Both CF mat and CNT/phenolic composites exhibited much better thermal conductivity and ablation properties than did neat phenolic resin. The more conductive carbon materials significantly enhanced the heat conduction and dissipation from the flame location, thereby minimizing local thermal damage.     

浸渍熔渗复合法制备C_f/HfC复合材料及其性能

采用液相浸渍结合反应熔渗法制备了Cf/HfC复合材料。研究了浸渍效果、抗氧化烧蚀微粒分布形貌、熔渗效果与熔渗组织,并考核了C_f/HfC复合材料的抗氧化烧蚀性能和力学性能。结果表明:经5次浸渍-碳化循环和1次高温处理工艺制备了含13wt%抗氧化烧蚀微粒的ZrB_2+HfO_2+TaSi_2改性C/C预制体,其密度和开孔率分别为1.41g/cm~3和24.84%,微粒主要分布在纤维束之间的基体碳中,且分布均匀。改性C/C预制体经过Hf35Zr10Si5Ta合金反应熔渗制备的C_f/HfC复合材料密度和开孔率分别为2.98g/cm~3和12.95%,其线烧蚀率为0.017 1mm/s,弯曲强度为173.76 MPa,断裂方式为假塑性断裂。     

烧蚀产物ZrO2对ZrC改性C/C复合材料烧蚀的影响

采用ZrOCl₂溶液浸渍法把含锆组元引入碳纤维预制体, 结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrC改性C/C复合材料. 用氧乙炔烧蚀测试材料的烧蚀性能, XRD测试材料烧蚀前后的物相组成, 采用SEM观察材料的微观形貌. 烧蚀结果表明：随着烧蚀次数的增加, 若每次烧蚀后不去除ZrO₂, 材料的线、质量烧蚀率呈先增加后减小的趋势, 最后趋于稳定; 若每次烧蚀后去除ZrO₂, 材料的线、质量烧蚀率均呈增大的趋势. 产物ZrO₂的蒸发吸收了材料烧蚀表面的热量, 减缓了火焰对烧蚀表面的冲蚀, 材料的线烧蚀率减小, 然而, ZrO₂的蒸发会增加材料的质量损失速度, 导致材料的质量烧蚀率增大.     

Bending fracture and acoustic emission studies on carbon–carbon composites: effect of sizing treatment on carbon fibres

A comparative study using mechanical flexural tests and acoustic emission was carried out to determine the effect of carbon fibres with and without sizing treatment in carbon–carbon composites during the carbonization process. The composites had been fabricated in the form of two-directional polyacrylonitrile based carbon fibres impregnated with phenolic resin. It was found that the composites made with unsized polymer fibres result in better mechanical properties. Also the data obtained from acoustic emission appeared to show that the composites made with unsized fibres were more ductile. These results may be the result of the degree of adhesion at the interface between the fibre and the matrix. The bulk density and apparent porosity were measured as functions of the number of densification cycles and the results were correlated with the mechanical test results.     

烧蚀产物ZrO2对ZrC改性C/C复合材料烧蚀的影响

采用ZrOCl₂溶液浸渍法把含锆组元引入碳纤维预制体, 结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrC改性C/C复合材料. 用氧乙炔烧蚀测试材料的烧蚀性能, XRD测试材料烧蚀前后的物相组成, 采用SEM观察材料的微观形貌. 烧蚀结果表明：随着烧蚀次数的增加, 若每次烧蚀后不去除ZrO₂, 材料的线、质量烧蚀率呈先增加后减小的趋势, 最后趋于稳定; 若每次烧蚀后去除ZrO₂, 材料的线、质量烧蚀率均呈增大的趋势. 产物ZrO₂的蒸发吸收了材料烧蚀表面的热量, 减缓了火焰对烧蚀表面的冲蚀, 材料的线烧蚀率减小, 然而, ZrO₂的蒸发会增加材料的质量损失速度, 导致材料的质量烧蚀率增大.