C/C多孔体对C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能的影响

以4种纤维含量相同(32%,体积分数,下同),用化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)法制备了4种密度的碳纤维增强碳(carbon fiber reinforced carbon,C/C)多孔体,基体炭含量约20%～50%.利用液相渗硅法(liquid silicon infiltration,LSI)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对所制备的C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能的影响.结果表明:不同密度的C/C多孔体反应渗硅后,复合材料的物相组成均为SiC,C及单质Si;随着C/C多孔体中基体炭含量的增加,C/C-SiC复合材料中SiC含量逐渐减少而热解炭含量逐渐增加.C/C-SiC复合材料弯曲强度随着材料中残留热解炭含量增加而逐渐增加,热解炭含量为约42%的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料的弯曲强度最大,达到320 MPa.     

热解炭结构对C/C复合材料热物理性能影响

炭布叠层为预制体，采用等温CVI工艺制备出炭/炭（C/C）复合材料。通过调节丙烯与氢气的比例得到热解炭结构分别为粗糙层（RL），光滑层（SL），各向同性（ISO）的三种C/C复合材料，研究了热解炭组织结构对C/C复合材料热导率的影响，讨论了C/C复合材料的导热机理。结果表明：RL织构C/C复合材料的热导率无论是在平行方向还是在垂直方向上都明显高于SL和ISO织构C/C复合材料，在两个方向上，RL织构C/C复合材料的最大热导率比SL织构C/C复合材料分别大41.0%和31.7%，是ISO织构C/C复合材料的2倍多，且3种C/C复合材料的热导率随温度的升高呈现不同的变化趋势。     

基于液相热解沉积的C/C复合材料及其热物性研究

环己烷为前驱体,以体密度0.50g/cm~3左右的T700(12k)炭纤维针刺毡为预制体,在自主设计的专用设备中用化学液相热解沉积工艺再结合热等静压工艺制备出1.75 g/cm~3C/C复合材料。借助偏光显微镜、扫描电镜对C/C复合材料的微观结构进行了研究,用耐驰NETZSCH LFA 457 MicroFlash激光热导仪对C/C复合材料热物性进行了分析,结果表明,该液相热解沉积工艺制备的C/C复合材料炭相多为粗糙层结构,沉积炭呈环形紧密包覆在炭纤维周围,炭纤维力学性能得以充分发挥。热物理性能测试结果表明,该复合工艺制备的C/C复合材料导热性能良好,热力学性能呈明显各向异性,线膨胀系数小,体积稳定性好。     

C/C复合材料高温纯化与致密化技术研究

为实现光伏设备中炭素热场材料的循环使用,对硅化腐蚀后的C/C复合材料采用先纯化、再沉积的工艺路线,研究了不同工艺对C/C复合材料体积密度、抗折强度、物相组成以及微观元素分布的变化情况.结果表明:采用高温还原纯化法可大幅降低C/C复合材料中存在的Si元素,且纯化次数越多,纯化效果越明显.与此同时,在经过气相沉积后,材料密...     

基体炭种类对C/C复合材料电导率的影响分析

使用炭毡为增强体分别制备了热解炭基、树脂炭基、沥青炭基和热解炭/树脂炭双基体、树脂炭/沥青炭双基体C/C复合材料,比较研究了复合材料的电导率与不同先驱体含量的关系。结果表明,不同前驱体C/C复合材料电导率有较大的差异,热解炭基C/C复合材料的电导率是沥青炭基C/C复合材料和树脂炭基C/C复合材料电导率近3倍,热解炭和沥青炭双基体C/C复合材料的电导率符合简单并联混合法则,树脂炭和沥青炭双基体C/C复合材料的电导率随树脂炭质量分数的增加而减小。     

影响C／C复合材料中热解炭结构的工艺因素

热解炭结构是影响C／C复合材料性能的重要因素,通过工艺条件的控制可以得到理想的热解炭结构,文章综述了影响C／C复合材料中热解炭结构的几类工艺因素,并对其作用机理进行阐述。     

炭/炭复合材料埚帮使用寿命的影响研究

针对单晶硅拉晶过程不断受硅化侵蚀造成炭/炭埚帮使用寿命短的问题,从炭/炭埚帮的破坏模式出发,分析了埚帮在单晶硅炉热场中受侵蚀破坏的机理。采用准三维针刺法制备预制体,经化学气相沉积、树脂浸渍炭化、高温处理及热解碳涂层处理后制成炭/炭复合材料埚帮。研究了不同密度、炭纤维含量以及涂层对炭/炭埚帮使用寿命的影响。结果表明随着密度、环向炭纤维含量的提升,炭/炭埚帮的使用寿命明显提升,而炭/炭埚帮表面热解碳涂层能在一定程度上提升其使用寿命,但提升效果有限。     

化学气相沉积致密针刺C/C复合材料的结构及力学性能研究

以T300炭纤维无纬布、网胎为原材料,层叠针刺成型炭纤维预制体,并采用化学气相沉积工艺对预制体进行致密,制成密度为1.55 g/cm3的针刺C/C复合材料。对针刺C/C复合材料的微观结构进行了观察分析,并对材料力学性能进行了测试。结果表明:化学气相沉积致密的针刺C/C复合材料呈现出以层间大量垂直纤维束为节点的类钉板状网状结构,这种特殊结构使材料层间结合更好,材料整个结构更加紧密;针刺C/C复合材料内部纤维被沉积形成的热解炭所包裹,热解炭的织构类型为光滑层(SL)和粗糙层(RL)并存;针刺C/C复合材料的各项力学性能均达到了较高水平,并且高温力学性能比常温力学性能有了很大幅度的提高。     

不同炭基体对炭/炭复合材料力学性能的影响

结合化学气相沉积（CVD）和前驱体浸渍裂解工艺,分别以丙烯、糠酮树脂和煤沥青为前驱体制备了密度在1.85g/cm3以上的三维炭/炭（C/C）复合材料,对比研究了沥青炭、热解炭+沥青炭以及热解炭+树脂炭结构（分别为A、B、C组）的等三种不同炭基体C/C复合材料的增密效率与力学性能,采用排水法表征C/C复合材料的孔隙率及密度,利用扫描电镜进行炭基体的微观结构表征,采用万用电子力学试验机进行拉伸强度、压缩强度、剪切强度等力学性能表征。结果表明,在热解炭质量含量相同的前提下,树脂浸渍裂解增密速率低于沥青浸渍裂解工艺,树脂炭基体孔隙率低于沥青炭基体。不同炭基体结构的C/C复合材料力学性能次序为：热解炭+树脂炭双元炭基体最高,纯沥青炭基体次之,热解炭+沥青炭双元炭基体最低,分析原因为热解炭与树脂炭双元炭基体的界面结合强度高,而沥青炭为混乱无序碳结构,热解炭和沥青炭双元炭基体界面结合强度弱,因此力学强度最低。     

热解炭的微观结构及其测试方法

主要介绍了利用正交偏光显微镜（PLM）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和喇曼光谱（RS）等测试方法,对采用化学气相沉积（CVD）法制备的C/C复合材料的热解炭的表面微观形貌、沉积炭层间距d002、微晶尺寸Lc及其石墨化度等参数进行表征和测量,从而判断沉积的热解炭的织构类型（光滑层、粗糙层和各向同性炭）,并且分析了上述各种测试手段的优缺点。     

热解炭基C／C复合材料研究进展

综述了热解炭的研究现状,包括热解炭的组织结构、生成条件,以及热解炭沉积机理。并简要介绍了目前热解炭基体致密研究中存在的一些问题和发展方向。     

针刺炭纤维预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响

采用6K炭纤维无纬布/网胎交替叠层及12K炭纤维无纬布/网胎交替叠层,在针刺工艺,致密化、热处理工艺完全相同的情况下,制备了密度为1.8g/cm3的热解炭/树脂炭双元基体的两种C/C复合材料产品,考察了针刺预制体结构单元对C/C复合材料性能的影响.结果表明,两种C/C复合材料的热学（垂直方向导热系数）、电学性能及石墨化度基本相当;而针刺6K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料的拉伸、弯曲、压缩、层间剪切强度分别为127MPa,189MPa,263MPa,24.6MPa;其平行方向导热系数为54.6W/m＆#183;K,比常规针刺12K炭纤维无纬布/网胎预制体C/C复合材料相应提高了38％,32.2％,32.8％,38.9％,21％,彰显了细化针刺预制体结构单元对C/C复合材料力学性能的显著影响.     

炭／炭复合材料SiC／Mo（Six，Al1-x）2涂层形成机理与抗高温氧化性能

采用高温包渗技术在炭／炭复合材料表面制备了SiC／Mo（Six,Al1-x）2复合涂层,采用两步反应法研究了复合涂层的生成机理。发现复合涂层是由Si、Al2O3、SiC、MoSi2原始粉末材料与基体炭材料经过复杂化学反应生成的SiC、Mo（SixAl1-x）2以及微量Mo4．8Si3C0．6固溶体组成。在较低温度下（〈1750℃）,单质硅与基体碳的液-固相反应,经过2小时后可以在炭／炭复合材料表面和内部孔隙表面生成致密的SiC过渡涂层;在较高温度下（≤2000℃）,SiC、Al2O3和MoSi2间的反应较为复杂,其主要过程为SiC与Al2O3间生成液体硅、液体铝和气态SiO、Al2O的多相反应,该反应生成的液体铝能够与MoSi2颗粒发生置换反应,生成熔点降低的Mo（Six,Al1-x）2转移涂层;同时,生成的液体硅与CO反应生成晶须状β—SiC,并与Mo（Six,Al1-x）2形成增强型复合涂层。本文还研究了过量单质Si和SiC对Mo（Six,Al1-x）2的还原反应,化学反应推论与实验结果相吻合。以新提出的涂层生成机理为指导,以粉末原料质量组成为Si10％,Al2O3 10％,SiC54％和MoSi226％时所制得了致密并且无粘结的复合涂层材料,并研究了封孔处理后复合材料的抗氧化性能。     

空间望远镜用C/SiC镜面研制综述

综述了空间望远镜的主镜用高强度、高表面精度、低热膨胀系数的低温（约4K）用镜面的制备和检测过程.日本将Φ710mm的高强度反应烧结SiC材料已用于红外望远镜镜面.在短切炭纤维增强C/C复合材料毛坯的基础上进行液相硅渗透（LSI）而制备的C/SiC复合材料在光学镜面方面具有更大的优势.通过提高C/C复合材料毛坯中沥青基炭纤维体积分数及控制硅化速度,可有效地提高LSI-C/SiC复合材料的机械性能和表面光学精度;通过不同规格的炭纤维的混杂化,可使C/SiC复合材料热膨胀系数的各向异性降低至小于4％的差异.SiC、Si-SiC浆料涂层处理可有效地提高表面精度至2 nm rms的极高要求.     

C/C坯体对C/SiC复合材料组织结构和导热性能的影响

以无涂层、C+SiC复合涂层处理的炭布/网胎预制体,分别经过化学气相渗透、树脂浸渍/炭化制备了3种C/C坯体,熔融渗硅后获得不同的C/SiC复合材料,对其组织结构和导热性能进行了研究。结果表明:热解炭坯体的C/SiC复合材料存在集中分布的Si,混合基体炭的C/SiC中可见较多微裂纹,C+SiC涂层的材料中残留Si含量少,基体组织均匀;热解炭坯体的C/SiC复合材料热扩散率和导热系数最大;混合基体炭的坯体,纤维经过C+SiC涂层,可明显提高材料的热扩散率和导热系数,且随温度的升高,导热系数的下降速率增大。     

木基C／C复合材料的制备与性能研究

采用榉木和水曲柳两种木材作为原材料,在800℃下炭化,然后用丙烷作为前驱体,使用等温化学气相沉积法在1050℃下沉积30h,制备出两种木基C/C复合材料。使用扫描电镜观察了两种木材炭化后和沉积后的微观形貌,利用三点弯曲法测定了两种木材炭化后和沉积后的力学性能,通过断口显微照片分析了它们的断裂机理。结果显示,有大量的热解炭沉积在孔隙内壁上,由榉木制备的木基C/C复合材料相比水曲柳获得了较快的沉积速率,密度达到0.713g/cm3,获得了更高的弯曲强度和弯曲模量,分别达到了17.6MPa和8.58GPa,这两种木基C/C复合材料都属于脆性断裂,榉木基C/C复合材料的断裂机理为晶间断裂,而水曲柳基C/C复合材料则表现晶间断裂和空洞聚集两种机理。     

炭化压力对编织C/C复合材料致密过程及结构的影响

通过浸渍/高压炭化工艺在不同炭化压力下制备了高温煤沥青炭块及沥青基炭/炭（C/C）复合材料,并研究了不同炭化压力环境下对其密度和孔隙的影响.结果表明,随着炭化压力增大,沥青炭体积密度明显增加,孔隙填充效果明显改善;在编织C/C材料的致密过程中,压力越大其孔隙越小,分布越均匀,故产品致密效果越好.     

“三明治”C/C复合材料及其摩擦磨损性能

通过化学气相渗透法(CVI)制备出一种新型的"三明治"结构的C/C复合材料。其两侧是纯网胎结构的功能层,主要承担摩擦功能;中间为承担结构作用的结构层,与传统针刺毡结构一致。系统研究了材料的微观组织结构特征及其摩擦磨损性能。结果表明:"三明治"C/C复合材料各个区域的热解炭都为粗糙层结构;刹车性能较传统三维针刺结构C/C复合材料的摩擦性能稳定;在摩擦试验过程中,摩擦面能够形成一层连续均匀的薄膜,使材料在刹车过程中具有较稳定的摩擦系数并能够有效降低材料的磨损率。     

载气条件对C/C复合材料CVI致密化效率及性能的影响研究

以天然气为碳源前驱体、N₂作为载气,采用等温、等压化学气相渗透(CVI)工艺,对初始密度为0.42g/cm³的预制体针刺毡进行致密得到C/C复合材料,本文研究了载气条件对C/C复合材料的致密化效率、微观结构及性能的影响。研究结果表明,沉积温度1050℃、沉积压力4KPa条件下,沉积120h后送N₂(天然气与N₂的比例为5∶1),300h致密化后C/C复合材料的密度可达到1.46g/cm³,表观和内层的密度差异仅为0.07g/cm³;复合材料表面可看到明显的预制体孔隙,未出现结壳情况;弯曲强度可达到107.8MPa,断口形貌以假塑性断裂为主,纤维与热解碳之间结合良好;在1000℃下垂直纤维方向的最大热膨胀系数仅为0.925×10^-6/℃,说明复合材料具有优异的热力学性能。     

以环己烷为前驱体制备炭/炭复合材料

以环己烷为前驱体利用化学液气相沉积工艺,采用针刺炭纤维毡为预制体,制备了具有光滑层和粗糙层结构的炭/炭复合材料。利用金相显微镜、高分辨扫描电子显微镜进行了材料的微观组织结构的分析,分析了在不同位置不同织构热解炭的形成机理。同时阐述了化学液气相沉积工艺原理。实验结果表明,通过调整工艺参数,利用化学液气相沉积工艺可以制备具有不同微观组织结构的炭/炭复合材料。