炭/炭复合材料化学气相沉积设备研究

正炭/炭复合材料是国家航空航天的关键材料,制备高性能炭/炭复合材料的关键是化学气相沉积设备与技术。我国在炭/炭复合材料的化学气相沉积工艺和制备研究上已取得了较大的进展,但与美、俄、法等发达国家相比还存在较大的差距,特别是在大尺寸、高要求炭/炭复合材料的沉积装备上,还存在一定的差距。一方面,设备的工作原理和总体结构基本满足工艺要求;另一方面,设备的可靠性差、稳定性不够。一、化学气相沉积工艺介绍     

炭/炭复合材料微观结构对热电性能的影响

采用微波化学气相渗透工艺, 以炭毡为预制体, 甲烷为前驱气体, 氮气为载气, 制备了具有不同微观组织结构的炭/炭复合材料。通过偏光显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪和拉曼光谱仪表征了复合材料的结构, 通过热电性能测试仪和激光热导仪测试了其热电性能。结果表明, 炭/炭复合材料具有正的热电效应, 且复合材料的热电性能与热解炭的取向性有很大的关系: 从各向同性、低织构、中织构到高织构, 其Seebeck系数、电导率和热导率逐渐增加, 同时织构化的增强对载流子的影响大于对声子的影响, 进而使热电优值ZT随着织构化的增强逐渐增大。     

CLVD法制备炭毡/炭复合材料

用化学液气相沉积(CLVD)法制务炭毡／炭复合材料，用电镜扫描（SEM）观察了材料的微观结构，并分析了预制件内部温度梯度的建立过程，结果表明：该法制备的炭毡／炭复合材料致密均匀、结构理想，其预制体内部温度梯度的大小与前驱体的沸点有关。     

镍催化制备炭/炭复合材料研究

采用催化化学气相渗透法(CCVI)制备出炭/炭(C/C)复合材料.考察了Ni/SiO2、Ni/Al2O3、Ni/ZSM-5负载型催化剂对热解炭沉积速率和微观结构的影响,并借助偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析(XRD)表征了热解炭的微观结构.结果表明:在添加催化剂的碳纤维预制体中,热解炭有较快的沉积速率和较好的微观结构.其微观结构和沉积机理均与催化剂有关.     

热梯度CVI工艺制备炭/炭复合材料管型件

热梯度化学气相沉积工艺中避免了等温沉积工艺中预制体表面孔隙过早堵塞的现象,适合制备轴对称的环形、管型件.利用热梯度化学气相沉积工艺制备了炭/炭复合材料管型制件,研究了材料的微观组织结构,测试了其力学性能以及热物理性能,实验结果表明所制备的炭/炭复合材料制件能够满足高温热结构材料的使用要求.     

致密工艺对炭布增中2D—C／C复合材料力学性能的影响

研究了液相浸渍及化学气相法致密工艺对二维炭／炭（2D－C／C）复合材料力学性能的影响,尤其是对层间剪切强度（ILSS）的影响。结果表明：液相浸渍法增密周期短且致密效果好,但材料强度不高;而化学气相沉积（CVD）致密周期长,但材料层剪强度高;采用两种工艺联合致密,材料界面结合强度适中,且层剪强度高。     

医用炭/炭复合材料表面梯度CVD热解炭涂层的摩擦性能研究

采用医用炭/炭复合材料并通过梯度化学气相沉积法(CVD)在其表面制备热解炭涂层, 研究分析了涂层的显微结构、摩擦系数、磨损情况. 结果发现, 该热解炭涂层表面被直径约20 μm热解炭球致密覆盖, 在断口处呈现紧密、多层的热解炭. 与用沥青浸渍/炭化法制备的炭/炭复合材料相比, 在干摩擦时, 热解炭涂层样品的摩擦系数更大; 在模拟人体关节的湿摩擦时, 它的摩擦系数低; 在干摩擦和湿摩擦的情况下, 它的磨损要小很多. 这些结果表明利用梯度的化学气相沉积法(CVD)制备医用炭/炭复合材料的涂层可以提高其表面的耐磨性.     

不同纤维体积分数CVI 炭/ 炭复合材料的石墨化度

为确定不同纤维体积分数的化学气相浸渗(CVI) C/ C 复合材料的最佳热处理工艺, 以40 %、30 %、25 %三种不同纤维体积分数的针刺整体毡为坯体, 经三次CVI 后制得C/ C 复合材料, 采用X射线衍射和拉曼光谱微区分析测试了三种不同纤维体积分数的CVI C/ C 复合材料试样未经热处理及经2200 ℃、2400 ℃热处理下宏观和微区石墨化度。结果表明: 三次CVI 热解炭均为光滑层结构, 且纤维体积分数越高, C/ C 复合材料的石墨化度也越高;纤维与光滑层热解炭界面及两种不同热解炭界面在高温热处理时会发生应力石墨化, 应力石墨化程度前者大于后者, 这是纤维体积分数高的C/ C 复合材料石墨化度高的原因; 热处理温度越高, 应力石墨化程度越大。      

炭/炭复合材料热解炭基体微观结构转变动力学

对热解炭沉积和织构形成过程进行动力学建模,重点分析C/C复合材料CVI制备工艺中基体炭形成时中织构/高织构(MT/HT)热解炭之间轮廓分明的急剧转变现象。基于Langmuir-Hinshelwood(L-H)理论和Particle-filler(P-F)概念模型,将MT和HT热解炭作为炭的两种亚稳相,以气相中占优的两种中间组分作为基体炭前驱体(线性小分子烃和小分子芳香烃),考虑基体表面单分子沉积形成MT热解炭和P-F双分子反应形成HT热解炭的过程,建立包含吸附/解吸附/脱氢的多步非均相热解炭沉积和织构形成反应动力学模型,研究该动力学系统达到稳态时热解炭随气相组成变化的情况。结果表明,热解炭沉积和织构形成过程曲线呈现"S"型特征,该曲线的线性稳定性分析表明热解炭沉积中的织构转变是一个包含迟滞区间的双稳态过程,进一步的计算表明此迟滞区间的大小明显受初始直链烃浓度以及沉积温度的影响。     

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.