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。     

微波CVI制备碳碳复合材料微观组织结构的研究EI北大核心

以甲烷为碳源气体,普通碳毡作为预制体,采用微波CVI方法制备了碳碳复合材料。考查了温度为1100℃时,气体浓度对碳碳复合材料微观结构的影响进行了研究,并用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)等手段对热解碳组织结构进行观察和分析。结果表明,随着气体浓度的增加,热解碳的组织结构从中织构转变为高织构,最后又转变为中织构组织。同时,对沉积后的断口形貌与外观进行SEM分析,发现微波CVI下热解碳沉积形貌与其它CVI技术所得到的形貌明显不同,呈现一种漩涡状的圆包结构,提出了一种新的热解碳沉积模式:气相成核-液相融并-逐层生长模式。     

聚乙烯热解制备二氧化硅表面碳涂层的机理研究

利用反应分子动力学ReaxFF方法模拟了聚乙烯热解碳沉积二氧化硅基底的微观过程，通过分析沉积过程中碳结构、体系产物数目及碳碳径向分布函数的变化来揭示聚乙烯碳化机理。结果表明：碳结构的形成主要是远离基底芳香环的沉积成片生长和靠近基底的小分子碳的渗入、析出，连接在沉积的碳结构上。其中远离基底的聚乙烯热解有两个方向，一是直接热解为小分子的碳氢化合物(C₂H₄、C₃H₆、C₄H₈等),继而小分子碳氢化合物继续反应脱氢，重组形成碳链和碳环；二是未完全断链的碳氢长链(C>5),与碳氢小分子进行反应。研究温度和保温时间对沉积的影响得知，升温可以加快反应速率，但不改变整体的反应趋势。温度为2500K,在保证碳源充足的情况下，会有更多的碳形成稳定的碳环结构，持续生长。从ReaxFF动力学角度研究高分子聚合物制备碳材料的机理，可以为相关实验研究提供理论支持。     

比表面积与入口气体分压对热解炭微观结构影响的数值模拟研究

本研究在炭/炭复合材料热解炭基体织构形成与转化的模型基础上, 基于石墨微晶片层的表面结构特点, 建立了蜂窝结构的热解炭沉积表面几何模型, 并运用Monte Carlo方法模拟了在等温等压化学气相渗透(CVI)过程中热解炭基体沉积的动力学过程, 研究了预制体比表面积(A_S/V_R)和入口气体分压对热解炭微观结构的影响。通过数值模拟并结合已公开发表的实验结果发现, 在CVI工艺过程中一定的压力条件下, 通过控制A_S/V_R可以获得不同织构的热解炭, 预制体的A_S/V_R存在两个临界值, 靠近反应器入口处的临界值为1.45 m^-1和8.9 mm^-1, 靠近反应器出口处的临界值为0.3 mm^-1, 当A_S/V_R处于这两个临界值之间时, 系统主要沉积高织构热解炭; 在同一A_S/V_R且压强小于30 kPa的条件下, 通过控制反应气体压强的值也可以得到不同织构的热解炭, 并且压强也存在一个临界值, 当压强大于这个临界值时, 系统主要沉积高织构热解炭。     

三维针刺碳毡增强碳/氮化硼复合材料的力学和介电性能

三维针刺碳毡中碳纤维的排布方式有利于电磁波的吸收。采用碳基体和氮化硼（BN）基体与三维针刺碳毡复合, 可望获得耐高温吸波复合材料。本文中采用先驱体浸渗裂解法（PIP）制备多孔三维针刺碳/碳（C/C）复合材料, 再利用化学气相渗透法（CVI）将BN引入C/C复合材料中, 最终获得了C/C--BN复合材料。研究了CVI时间对三维针刺C/C--BN复合材料微结构、 力学性能及介电性能的影响规律。随着CVI时间的增加, C/C--BN的密度增加, 孔隙率降低, 抗弯强度提高, 介电常数增加,介电损耗降低。在CVI时间达160h后, C/C--BN密度为1.43g/cm3, 总气孔率为25%, 抗弯强度达到82MPa。      

化学气相渗透法制备碳/碳复合材料的研究进展

化学气相渗透(CVI)是在多孔预制体内部进行的化学气相沉积(CVD),是制备碳/碳(C/C)复合材料最重要的方法之一.介绍了CVI制备C/C复合材料的原理和近年来研究取得的进展,分析和讨论了各种CVI新工艺的特点,最后展望了CVI新工艺的研究方向.     

原位生长的气相生长碳纤维增强C/C复合材料的制备及其弯曲性能

以丙烯为碳源, FeCl₃·6H₂O为催化剂, 采用化学气相沉积法(CVD)在碳毡和不同密度的C/C复合材料上原位气相生长碳纤维(VGCFs) , 并以含原位生长VGCFs的碳毡和不同密度的C/C复合材料为基体制备VGCFs-C/C复合材料。研究了反应压力、基体密度对VGCFs生长情况的影响, 借助扫描电镜(SEM)、光学显微镜观察原位生长VGCFs的形貌及基体原位生长VGCFs后热解炭形貌的变化, 并对比研究了C/C复合材料和VGCFs-C/C复合材料的弯曲性能。研究结果表明, 反应压力为3700 Pa, 基体密度低的情况更有利于VGCFs的生长; 原位生长的VGCFs改变了纤维表面热解炭的沉积形貌, 使得热解炭和碳纤维的结合面之间形成具有铆钉作用的球状结构, 增强了界面结合力, 从而提高了原位生长的高VGCFs含量样品的弯曲强度。     

碳源组成对化学气相渗透C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响

为分析碳源在化学气相渗透过程中的沉积机制,以碳纤维针刺整体毡为预制体,添加丙烯（C₃H₆）的天然气混合气体为碳源,研究了碳源组成对C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响。结果表明:相比于以天然气为碳源,以添加了适当比例C₃H₆的天然气为碳源,可有效提高C/C复合材料的致密化速率及密度分布均匀性;同时,有利于生成高织构的热解炭。最优条件（9vol% C₃H₆）下沉积100 h后,C/C复合材料的密度和径向密度偏差分别为1.40 g/cm3和0.04 g/cm3,热解炭为均一的粗糙层结构,石墨化度高;而以天然气作碳源时,密度和径向密度偏差分别为1.17 g/cm3和0.07 g/cm3,热解炭为二元带状结构,石墨化度较低;当C₃H₆比例增加到17vol%时,其密度和径向密度偏差分别为1.28 g/cm3和0.10 g/cm3,密度及密度分布均匀性较最优条件下制备的复合材料明显降低。      

热解碳基碳/碳复合材料的内耗特征与机制

以高纯石墨为对照材料,初步研究了热解碳基碳/碳复合材料的内耗行为,并根据实验结果提出了碳/碳复合材料的内耗机制:热滞弹性机制与静滞后型内耗机制。纤维/基体的界面内耗效应对碳/碳复合材料的内耗特性影响很大,它的存在使碳/碳复合材料产生了一些较为反常的内耗现象。      

化学气相沉积与渗透过程中热解炭织态结构生成机理研究

为研究热解炭织态结构的生成规律，采用不同压强的甲烷为碳源，在1100℃条件下进行了化学气相沉积和化学气相渗透实验。化学气相沉积以具有不同表面积／自由体积比（[A／V]值）的直通方形多孔陶瓷为基体；化学气相渗透实验在直径为1mm细直孔内表面沉积和对炭纤维体积分数为7％的炭毡进行致密化。借助正交偏光显微镜（消光角）和透射电子显微镜（定向角）对在不同实验条件下制备的热解炭进行分析和定量表征。研究发现：热解炭的织态结构可以在两种不同的沉积条件下形成。当甲烷压强较低时为化学生长阶段；当甲烷压强较高时为物理形核阶段。在化学生长控制阶段，热解炭的织态结构可以利用之前提出的“颗粒填充模型（P-F模型）”加以解释。该模型假设高织构热解炭的沉积一定对应于气相中存在具有合适比例的芳香化合物（例如苯）和线性小分子（主要是C2H2），当二者的浓度比偏离该最优比（或者偏大，或者偏小），均将导致中织构甚至低织构热解炭的生成。在化学生成控制阶段，化学气相沉积和化学气相渗透对热解炭织态结构影响的差别，除了[A／V]值而外，还有氢气的作用。在化学气相渗透过程中，基体内部生成的氢气快速扩散至基体表面，使内外沉积速率和织态结构均发生较大变化。     

定向碳纳米管/炭纳米复合材料形貌和显微结构

以CVD法定向碳纳米管(ACNTs)阵列为骨架,利用化学气相渗透(CVI)工艺制备了新型定向碳纳米管/炭(ACNT/C)纳米复合材料。通过偏光金相显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)和Raman光谱等分析方法对其显微结构和热解炭沉积机理进行了研究。结果表明:所制ACNT/C纳米复合材料的热解炭结构主要为类粗糙层结构,围绕碳纳米管生长的热解炭石墨层片结构清晰,并且碳纳米管和热解炭之间具有良好的界面结合;而在相同工艺条件下围绕炭纤维生长的热解炭为典型的光滑层结构。这可能是由于在热解炭沉积过程中存在碳纳米管"诱导"沉积过程,即沿着碳纳米管径向的离域化共轭π键和具有类似结构的芳香族大分子通过π-π非共价键作用相结合,并在CNTs纳米尺寸的影响下,芳香族大分子按照"软取向"(Softepitaxy)围绕碳纳米管生成环形层片状类石墨结构的热解炭。该研究结果有望为热解炭的可控沉积起到一定的借鉴作用。     

电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能

采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs), 借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体, 制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明: EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征, 该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率, 诱导了高石墨微晶堆垛高度(L_c)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(L_a)热解炭的形成; EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量: 当CNTs含量为0.74wt%时, 复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa, 比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%; 继续提高CNTs含量, 复合材料弯曲强度降低, 这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关; 同时, EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂, 复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。     

Microstructure and Mechanical Properties of Multilayertextured 2D Carbon/Carbon Composites

Two-dimensional（2D） carbon/carbon（C/C） composites with multilayered texture, especially with different thickness of high-textured（HT） pyrocarbon layer, were prepared by isothermal, isobaric chemical vapor infiltration（CVI） technique. The influence of matrix microstructure on mechanical properties of C/C composites was investigated by polarized light microscopy, scanning electron microscopy and three-point bending test. The results show that the samples with multilayer-textured pyrocarbon matrix own a higher flexural strength than the one with pure medium-textured structure, which is attributed to multiple crack deflection and interfacial sliding between different textured pyrocarbon layers and between sub-layers within HT layer. The increase in thickness of HT pyrocarbon layer improves the plasticity of the samples and renders the fracture in pseudo-plastic behavior.     

碳纤维上原位生长碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响

以碳毡为基底原位生长了碳纳米管（CNTs）,借助化学气相渗透制备了CNTs-C/C复合材料。研究了催化剂含量对碳纳米管生长的影响以及不同含量碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响。结果表明：催化剂对CNTs产量影响较大,且含量越多,生成的CNTs量越大;原位生长CNTs引入的催化剂会导致CNTs-C/C复合材料弯曲性能变差;CNTs的加入改变了热解碳的沉积行为,诱导了球状和锥状小尺寸热解碳的形成,减少了微裂纹的出现。适量CNTs能提高C/C复合材料的弯曲强度和模量,并改善材料的断裂行为。     

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。     

Novel carbon felt composites with pyrocarbon deposited on carbon fiber: Hierarchical microstructure for improved phenol-adsorption

Carbon felt composites were prepared by chemical vapor deposition (CVD) method using Ni(NO₃)₂ as a catalyst and methane as a pyrocarbon precursor. The pyrocarbon which has been deposited on fiber surface increased gradually with increase in deposition temperature. Besides, the surface of the deposited pyrocarbon was seen to contain many micropores. The phenol-adsorption capability evaluation of the composites showed that the adsorption equilibrium was achieved in 90 min, and the maximum adsorption quantity reached was 13.37 mg/g. The Langmuir isotherm model was preferred in fitting the adsorption data compared with the Freundilch isotherm model. The theoretical maximum adsorption was calculated to be 17.45 mg/g. At pH = 5, the adsorption quantity was a minimum of 10.66 mg/g. Moreover, the phenol-adsorption quantity increased with increasing deposition temperature. The adsorption quantity on carbon felt composites without pyrolytic carbon deposition was minimum, being 9.11 mg/g, while that of carbon fiber produced at 950°C reached the maximum of 13.37 mg/g.     

具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能

采用液相浸渍-炭化和CVI复合工艺, 制备出在炭纤维和热解炭之间具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料, 借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜以及力学性能测试研究了所制备的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能. 结果表明: 在偏光显微镜下中间相沥青炭的光学活性高于热解炭的光学活性, 中间相沥青炭在SEM和TEM下均呈片层条带状结构, 热解炭在SEM下呈“皱褶状”片层结构, 在TEM下为粒状结构; 在HRTEM下, 中间相沥青炭、热解炭和炭纤维的晶化程度依次降低. 在加载过程中, 材料内部多层次的界面通过改变裂纹扩展路径而延缓其扩展速度, 在断口形貌上体现出锯齿状的断裂形式, 纤维拔出长度适中, 材料表现出韧性破坏的断裂特征. 材料具有较高的力学性能, 抗弯强度达到244MPa, 断裂韧性达到9.7MPa·m^1/2.     

微观组织结构对C/C复合材料力学行为的影响

采用快速化学液相气化渗透法制备了2D-C/C复合材料,沉积温度为1200-1250℃, 系统压力约0.1MPa.利用偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了不同沉积温度制备的基体热解碳的微观组织结构及断口形貌.实验结果表明,1200℃沉积的基体热解碳中粗糙层组织占大多数,其弯曲强度较高、韧性较低; 1250℃的基体热解碳呈现为光学各向异性程度不同的光滑层/粗糙层交替层状组织,其弯曲强度较低、韧性较高,具有非脆性断裂行为.不同微观结构的材料具有不同的强度及断裂模式,除了纤维/基体间界面结合强度不同外,不同温度沉积得到的热解碳微观结构的不同引起裂纹在不同微观结构碳层内的扩展阻力也会不同.此外,裂纹在光滑层/粗糙层界面处的偏转会导致断裂面的高低不平,从而使后者韧性增强.