两种C/C复合材料在强酸强碱中的腐蚀行为

研究了分别由化学气相渗透(CVI)法、化学气相渗透和浸渍/炭化(CVI I/C)混合法制备的两种C/C复合材料在室温王水、100 ℃ 30% HNO3、室温30% HNO3和100 ℃ 40% NaOH溶液腐蚀介质中的腐蚀行为.试验结果表明,C/C复合材料在室温王水中腐蚀最严重, CVI I/C试样腐蚀108 h后的失重为18.2 μg/cm2,而在100 ℃ 40% NaOH溶液中腐蚀最轻,CVI试样腐蚀80 h后的失重仅为0.8 μg/cm2;在同种腐蚀介质中,树脂炭比热解炭优先腐蚀,腐蚀速度也较快;在室温王水和100 ℃ 30% HNO3溶液中分别腐蚀后,树脂炭不再是连续体,变成许多小块,热解炭与纤维分离;在室温30% HNO3溶液中腐蚀后,树脂炭的连续性也遭到破坏,热解炭层与纤维也有部分分离现象,热解炭层之间出现腐蚀坑;在100 ℃ 40% NaOH溶液中腐蚀后,树脂炭和热解炭基本看不到被腐蚀的痕迹.     

一种快速制备C/C复合材料工艺的探讨

用液化石油气作碳源、炭毡作增强体,在坯体中埋置导电层产生温度场和电磁场梯度,在自行设计的多元耦合物理场CVI炉中制备炭/炭(C/C)复合材料,并就沉积温度、压力、碳源气体浓度等工艺条件对增密速度和材料结构的影响作了探讨性研究.采用偏光显微镜研究了沉积炭的显微结构.研究表明,多元耦合物理场CVI工艺增密速度快,初始密度为0.2g/cm3,尺寸为260mm×60mm×20mm的坯体,在920℃、3kPa、碳源浓度45%的条件下沉积20h,试样的密度达到1.71 g/cm3;在960℃、0.1kPa、碳源浓度45%的条件下,可获得结构一致的粗糙层结构(RL)热解炭.     

耦合物理场CVI制备炭/炭复合材料及其机理

用液化石油气作碳源、炭毡作增强体,在坯体中埋置导电层诱导产生温度场和电磁场梯度,在自行设计的多元耦合物理场CVI炉中制备C/C复合材料,用偏光显微镜观察热解炭的显微结构,用XRD表征了材料的石墨化度和微晶尺寸等结构参数,所有样品均为一次性沉积所得,其增密曲线是采用把坯体密度与在线电阻进行拟合所得.研究了沉积温度、碳源气体分压对增密速度和材料结构的影响;并对物理场的耦合机理和热解炭的沉积机理作了探讨.研究表明,多元耦合物理场CVI工艺增密速度快,沉积20h,试样的密度达到1.71g/cm³;除了能获得中等织构的光滑层(SL)和带状结构的热解炭,还可获得高织构的粗糙层结构(RL)热解炭,在2300℃、2h热处理后,其石墨化度达到77%以上.     

耦合物理场CVI 快速增密C/ C复合材料及动力学探讨

采用多元耦合物理场CVI 工艺, 用炭毡作为增强体, 在增强体中设计导电层, 产生温度场和电磁场梯度, 在自行设计的CVI 炉中增密C/ C 复合材料, 对温度、系统压力和气体流量等工艺进行了优化; 采用偏光显微镜研究了热解炭的显微结构; 用X射线衍射研究了材料的石墨化度; 探讨了本工艺中的有内热源和无内热源的二元传热机制, 多元耦合物理场的有机耦合对“消耗传质”的抑制作用, 以及电磁场对沉积的影响和3 种典型的生长模型。研究表明, 多元耦合物理场CVI 增密速度快, 初始密度为0.2 g/ cm3 , 尺寸为260 mm ×60 mm ×20 mm 的增强体, 在920 ℃、4 kPa 条件下沉积20 h , 试样可增密到1.71 g/ cm3 ; 可获得粗糙层结构(RL) 、光滑层结构(SL) 、带状结构(Banded st ructure) 等热解炭的结构, 在960 ℃、0.1 kPa 条件下可获得较高织构的粗糙层结构。      

C／C复合材料的显微结构及其与工艺、性能的关系

对化学气相渗透（CVI）C／C复合材料在偏振光下的显微结构（偏光显微结构）类型、结构的形貌特征及对应炭的基本物理性能、材料的制备工艺参数－结构－性能之间的关系进行了综述。C／C复合材料具有三种基本偏光显微结构,即RL、SL和ISO。这三种基本偏光结构的炭对应于不同的形貌特征,可从消光十字形、旋光性、光学反射性、生长特征、表面织构、择优取向性和环形裂纹等特征将其分辨出来。工艺参数对沉积炭偏光显微结构的影响没有一成不变的规律可循,影响因素除了温度、压力、气体成分、气体流速外,还与炉子的几何尺寸及试样的堆积尺寸有关,对不同的CVI体系,都应当摸索出一套适合其运行的最佳工艺参数。C／C复合材料的偏光显微结构与材料的性能有着密切的联系,不同的结构下,材料的物理性能、力学性能和热性能都表现出明显的差异。通过归纳与分析,获得了对C／C复合材料偏光显微结构全面、系统的认识,明确了它在C／C复合材料研究中的重要性,为制备具有单一、均匀偏光显微结构及所需性能的C／C复合材料指明了方向。     

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。      

C/ C坯体对 C/ C2Cu复合材料摩擦磨损行为的影响

采用无压熔渗方法制备炭纤维整体织物/炭2铜 (C/ C2Cu) 复合材料 , 在 MM22000型环2块摩擦磨损试验机上考察复合材料的摩擦磨损性能 , 利用扫描电子显微镜观察分析磨损表面形貌 , 研究 C/ C坯体对材料的摩擦磨损行为的影响及机制。结果表明 : 随着 C/ C坯体密度的增加 , 摩擦系数及 C/ C2Cu材料自身和对偶的磨损量均降低 ; 采用浸渍/炭化 ( I/ C) 坯体的 C/ C2Cu材料摩擦系数及自身和对偶件的磨损量均高于采用化学气相渗透(CVI) 坯体的试样; 摩擦面平行于纤维取向的试样摩擦系数低于垂直于纤维取向的试样 , 但磨损率较高。     

(C-SiC)f/C复合材料的烧蚀性能

将SiC纤维毡与C纤维毡交替层叠, 通过针刺工艺制备(C-SiC)_f/C预制体, 采用化学气相渗透与前驱体浸渍裂解复合工艺(CVI+PIP)制备(C-SiC)_f/C复合材料, 研究(C-SiC)_f/C复合材料H₂-O₂焰烧蚀性能。利用SEM、EDS和XRD对烧蚀前后材料的微观结构和物相组成进行分析, 探讨材料抗烧蚀机理。结果表明: (C-SiC)_f/C复合材料表现出更优异的耐烧蚀性能。烧蚀750 s后, (C-SiC)_f/C复合材料的线烧蚀率为1.88 μm/s, 质量烧蚀率为2.16 mg/s。与C/C复合材料相比, 其线烧蚀率降低了64.5%, 质量烧蚀率降低了73.5%; SiC纤维毡在烧蚀中心区表面形成的网络状保护膜可以有效抵御高温热流对材料的破坏; 在烧蚀过渡区和烧蚀边缘区形成的熔融SiO₂能够弥合材料的裂纹、孔洞等缺陷, 阻挡氧化性气氛进入材料内部, 使材料表现出优异的抗烧蚀性能。     

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。      

乙醇热解制备C／C复合材料探索研究

以可再生的资源无水乙醇为前驱体,在负压条件下,沉积温度为900℃～1200℃,采用压力梯度CVI工艺制备C/C复合材料.考察了沉积时间与密度的变化规律,采用偏光显微镜和扫描电镜观察了材料的组织结构和断口形貌,利用三点弯曲测定了材料的弯曲强度.结果表明:采用乙醇为前驱体,可大幅度提高致密化效率,96h制备出密度为1.47g/cm3的C/C复合材料;易于获得高织构的组织,制备试样的热解炭组织以粗糙层为主,断裂方式为假塑性断裂.乙醇是一种很有应用前景的制备C/C复合材料的前驱体.     

化学气相渗透工艺制备C/C研究进展

总结了制备C/C的各种化学气相渗透方法,指出了其优缺点.缩短致密化时间、协调气相反应和表面沉积反应之间的竞争是快速致密化方法要解决的首要问题.介绍了热解炭的微观结构和石墨化度及其沉积机理的新发展.近期的研究集中在化学反应成分分析和数值模拟渗透过程上.展望了化学气相渗透研究的方向,探求热解炭沉积机理的必要性并指出了快速致密化方法是实现低成本、高效率制备高性能C/C的必由之路.     

C/C刹车材料CVD制备工艺研究

炭纤维预形体的的增密工艺可分为ＣＶＩ阶段和ＳＣＶＤ阶段。炭纤维坯体经过这两个阶段的碳原子沉积,得到的炭材料防氧化性能和防潮湿性能比传统ＣＶＤ增密炭材料有显著提高。     

C/C 复合材料热梯度CVI 工艺的数值模拟研究

TCV I(热梯度CV I) 工艺是一种很有潜力的C/C 复合材料制备工艺, 它可以在较短的时间内制备出密度均匀性较高的C/C 复合材料制件。本文根据传热、传质理论及C/C 复合材料预制体的结构特点建立了TCV I 过程的动力学模型和几何模型, 在该模型的基础上利用数值模拟技术对该工艺进行了模拟和分析。模拟结果为TCV I工艺的开发和应用提供了理论依据。     

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.     

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。     

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.     

CVI热解炭微观结构的参数控制研究

化学气相渗透(CVI)制备炭/炭复合材料涉及气体扩散和气相沉积2个过程,其工艺控制决定炭纤维坯体的增密速度、热解炭的结构和炭/炭材料的性能.工艺过程的控制主要有4类参数:第一参数包括沉积温度、系统压力、碳源浓度、碳源分压等,第二参数包括均相反应、异相反应和滞留时间等,第三参数为A_s/V_R,也就是沉积基体的表面面积与炉内气体的自由体积之比,以及目前以计算机模拟为主要手段的"第四参数"的研究.在固体表面沉积热解炭的科学研究已经持续了几十年,但至今为止还没有形成一种完善的表面沉积机理,分析了CVI工艺参数发展的趋势,说明了对热解炭微观结构形成机理的认识是一个不断深入的过程.     

气体滞留时间对微波热解CVI工艺制备C/C复合材料性能的影响

以炭毡为预制体, N₂为稀释气体, 甲烷为炭源前驱体, 其分压为10kPa, 沉积温度为1100℃的工艺条件下,研究了不同的气体滞留时间(0.05、0.1、0.15、0.2s)对微波热解CVI工艺制备炭/炭复合材料的致密化速率、样品的体积密度及其密度均匀性的影响, 并对其组织结构进行了观察. 分析了气体的滞留时间对微波热解CVI工艺制备炭/炭复合材料的影响规律及组织结构的变化. 结果表明: 采用微波热解CVI工艺在1100℃90h内制备出体积密度为1.70g·cm^-3的炭/炭复合材料, 在滞留时间为0.15s时预制体呈现从内到外逐步致密的规律. 同时, 随着滞留时间的延长, 热解炭的组织结构从低织构到中等织构变化.     

偏光观察C/C复合材料

利用正交偏光可分辨C/C复合材料中不同类型的沉积炭,通过旋转检偏器可测量C/C复合材料中沉积炭的消光角度.列举了偏光观察C/C复合材料实验过程中经常遇到的问题,介绍了测定消光角度的方法,简要概述了近年来研究热解炭各向异性的成果.     

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.