热梯度CVI制备炭/炭复合材料及其研究进展

按预制件内部的温度分布不同，可以认为，均热法及热梯度法是化学气相沉积制备炭／炭复合材料的两种基本工艺。对于圆筒或圆盘形工件，热梯度CVI具有增密快，炭的有效利用率高，可实现工业规模化生产的优点，是一种很有前景的CVI工艺。本文介绍了热梯度CVI制备炭／炭复合材料的工艺原理、工艺特点及其最新研究进展。     

预氧丝在氧化镁/炭复合材料中的原位碳化及其强化作用

研究了碳纤维前驱体即预氧丝在氧化镁／炭复合材料中原位碳化及其强化作用。在氧化镁／炭复合材料中存在铝、镁添加剂时，预氧丝原位碳化后具有碳纤维的强度和强化效果。预氧丝在添加硅粉的氧化镁／炭材料中原位碳化时因与硅反应失去强度，在无抗氧化添加物的氧化镁／炭材料中原位碳化后，预氧丝因氧化失去强度，对基体无强化作用。     

载气对CVI C/C材料密度和热解炭结构分布的影响

采用定向流动热梯度CVI工艺,以丙烯作炭源气,以针刺炭纤维整体毡作预制体分别研究了加氢气和氮气作载气对C/C复合材料密度和热解炭结构分布的影响。结果表明,载气对热梯度CVI C/C材料密度和热解炭结构沿径向分布的均匀性有重要影响。当其它工艺条件相同时,经过400 h的沉积,采用N2作载气时所得炭盘的平均体密度为1.54 g/cm3,炭盘密度沿径向分布的偏差Δρ为0.24 g/cm3,在炭盘的外侧易形成SL结构热解炭;而采用H2作载气时,可以得到平均体密度为1.67 g/cm3、热解炭结构分布高度均匀的全RL结构PyC基C/C复合材料,且炭盘密度沿径向分布的偏差Δρ仅为0.11 g/cm3,密度分布均匀性提高一倍以上。不管是采用N2还是H2作载气,炭盘的密度沿周向分布都十分均匀(Δρ≤0.02 g/cm3),且炭盘的较低密度部位均位于中间偏内侧。     

SiC对Al基摩擦材料性能的影响

采用粉末冶金方法制备填充改性Ａｌ基复合摩擦材料,研究ＳｉＣ含量及粒度对材料性能及显微组织的影响。 结果表明,随ＳｉＣ含量增加,材料的相对密度、抗弯强度不断降低,摩擦因数逐渐增大,洛氏硬度先增大后减小,比磨 损率先降低后增大;随ＳｉＣ粒度增大,材料相对密度、抗弯强度、洛氏硬度逐渐变大,摩擦因数先增大后减少,比磨损 率不断增加。ＳｉＣ粒度为２０μｍ、质量分数为２５％时改性Ａｌ基复合摩擦材料有稳定合适的摩擦因数和较低的比磨损率。     

热梯度CVI C/C材料的结构与性能

以炭纤维整体毡为预制体，采用热梯度CVI工艺制备了两种不同结构基体炭的C／C材料，即RL结构和SL结构材料。采用光学金相仪，X射线衍射仪，硬度计，激光导热仪等设备研究了沉积态和热处理态C／C材料的显微结构及热物理性能。对比研究了两种结构材料的力学性能及摩擦摩损性能。结果表明：当密度超过一定值后，密度对C／C材料的力学性能和摩擦性能的影响远不如CVD炭结构的影响大；不管是沉积态还是热处理态，RL结构材料的刹车性能曲线明显优于SL结构材料的刹车性能曲线，这意味着CVD炭的微观结构不同是造成C／C材料摩擦性能差异的根本原因。     

SiC对Al基复合摩擦材料性能的影响

采用粉末冶金方法制备填充改性Al基复合摩擦材料,研究SiC含量及粒度对材料性能及显微组织的影响。结果表明,随SiC含量增加,材料的相对密度、抗弯强度不断降低,摩擦因数逐渐增大,洛氏硬度先增大后减小,比磨损率先降低后增大;随SiC粒度增大,材料相对密度、抗弯强度、洛氏硬度逐渐变大,摩擦因数先增大后减少,比磨损率不断增加。SiC粒度为20μm、质量分数为25%时改性Al基复合摩擦材料有稳定合适的摩擦因数和较低的比磨损率。     

炭/炭复合材料石墨化度的XRD均峰位法测定

采用XRD平均峰位法测定了4种C／C复合材料的石墨化度。研究结果表明：用平均峰位法测定C／C复合材料的石墨化度具有简便可靠、区分度高的优点。当C／C复合材料中炭纤维的含量低于基体炭含量时，难石墨化的炭纤维对C／C复合材料XRD谱线低角度一侧的线形有一定影响，但对最终的测量结果影响不大。     

载气对C/C复合材料CVI热解炭显微结构的影响

在1000℃,0.5 kPa丙烯分压条件下,以N₂、H₂为载气和无载气情况下于热梯度CVI炉中制备了C/C复合材料,研究了载气特别是氢气对材料基体热解炭显微结构的影响。通过偏光显微镜测定材料不同区域CVI热解炭的消光角,分析热解炭显微结构在试样中的分布规律。结果表明: N₂在CVI过程中充当惰性角色,不影响热解炭的显微结构; H₂可以调节热解炭沉积时的微环境气氛,更有利于得到粗糙层结构热解炭。试样增密延长炭源气滞留时间,引起带状结构热解炭中显微结构的突变。借助氢气作为载气,可以实现对C/C复合材料中热解炭显微结构的更优控制。      

用CVI增密技术制备航空刹车用C／C复合材料

以炭布与炭纤维薄毡交替成叠层，采用针刺技术在垂直布面方向引入增强纤维，制成准三维预制体，在自行研制的热梯度CVI炉中制备了航空刹车用C／C复合材料；采用偏光显微镜研究了沉积炭的显微结构，研究结果表明：该CVI炉可实现多试样同时沉积，且位于料柱不同位置的试样密度分布较均匀；对外径为110mm，内径为45mm，厚度为15－20mm的试样，在80h内，试 平均密度可达1.60g/cm^3，炭的有效利用率可达27％；在料柱的不同位置以及同一试样中沿径向的不同位置，沉积炭的显微结构都有所不同；沉积炭的显微结构有粗糙层结构、带状结构以及光滑层结构。通过工艺参数的优化，可以得到以粗糙层结构为主的C／C复合材料。     

热梯度CVI制备C/C复合材料工艺技术研究进展

介绍了热梯度CVI制备C/C复合材料的工艺原理、工艺特点及其研究进展.