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。     

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。     

致密工艺对C/C复合材料摩擦性能的影响

采用针刺全炭纤维网胎无纬布整体结构预制体为骨架，经化学气相沉积（CVD）、树脂浸溃（RD固化致密及炭化、石墨化制得C／C复合材料。研究了粗糙层（RL）和树脂炭（RC）对摩擦性能的影响。结果表明，RL结构的C／C复合材料的摩擦性能较好，稳定性较高，是用作飞机刹车材料的前提；采用CVD＋RI制备且石墨化后的C／C复合材料具有优良的摩擦磨损特性；CVD试样的密度较低时，摩擦系数较高，但磨损较大，较难形成完整的摩擦膜。     

液相气化快速致密化工艺研究

对一种新型快速炭／炭复合材料制备工艺－－液相气化快速致密化工艺进行了初步探索。研究表明，采用该工艺，致密化效率可以得到快速提高，数小时内制得密度达1．7g/cm^3以上的炭／炭复合材料，致密速率 达到37g/h。偏光显微镜观察表明，试样中热解炭具有较高的光学活性；束内小孔隙热解炭，绝大多数为光学各向异性组织，但具体归属粗糙组织（RL）还是光滑组织（SL），很难定论；束间大孔隙内的热解炭具有明显的锥状生长结构，是较典型的RL组织；在偏光显微镜下没有观察到试样中有炭黑出现。     

多晶硅炉热场用C/C复合材料的硅化腐蚀失效机理

以2D叠层炭布为增强体的炭/炭（C/C）复合材料作为多晶硅炉用热场盖板,对其在硅液/硅蒸汽共同作用下的硅化腐蚀失效机理进行了研究。通过多功能密度测试仪、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）分析了硅化作用对C/C复合材料致密度、微观结构及物相组成的影响,并对侵蚀后的C/C复合材料失效机理进行了分析。结果表明：硅化侵蚀后的C/C复合材料致密度高,存在大量的Si元素,生成了大量的β-SiC,且微观缺陷较多,层间开裂严重,呈现脆性断裂模式。理论分析发现,高温下单位摩尔质量的热解炭和单位摩尔质量的硅发生反应生成单位摩尔质量的SiC后,总体积膨胀约为单位摩尔热解炭体积的6.3倍,不同物相间的热失配导致热应力集中,引起C/C复合材料变形开裂失效,裂纹产生的扩散通道加剧了硅液/硅蒸汽对C/C复合材料的硅化侵蚀作用。     

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。     

化学气相渗（CVI）C／SiC复合材料性能控制

本研究用化学气相渗技术制备了四种Ｃ／ＳｉＣ复合材料：在ＣＨ３ＳｉＣｌ３＋Ｈ２（普通）＋Ａｒ（高纯）系统中制各了两种材料：材料Ａ为１Ｋ炭布层叠无热解炭界面层，材料Ｂ为１Ｋ炭布层叠有热解炭界面层；在ＣＨ３ＳｉＣｌ３＋Ｈ２（高纯）＋Ａｒ（高纯）系统中制备了另两种材料：材料Ｃ和材料Ｄ分别为１Ｋ、Ｔ３００炭布层叠有热解炭界面层．分别对其中每两种材料进行了相互比较，研究了骨架纤维、界面层及基体对整个复合材料性能的影响；通过控制上述三方面因素可以对Ｃ／ＳｉＣ复合材料的总体结构进行设计从而控制其材料最终性能。     

炭基体结构状态对C/C复合材料抗烧蚀性能的影响

碳基体在C／C复合材料的组成中占有很大的比重，因此炭基体不同的结构状态往往对C／C复合材料的各项性能有显著的影响。本文利用不同的原料和加工工艺制备出了三种具有不同炭基体的C／C复合材料，这三种碳基体分别是热解炭，沥青炭以及解热炭－树脂炭混合炭基体。对这三种材料多项性能的测试结果表明，炭基体的结构状态如石墨化度，炭片层结构的取向度的不同对C／C复合材料的各项性能均有显著的影响；基本趋势是C／C材料的石墨化度越高，材料的导电性能，导热性能以及抗烧蚀性能越好，压缩强度越低。三种炭基体中沥青炭基体沿纤维轴向的取向度最低，其抗烧蚀性能最差。     

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。     

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.     

C/C复合材料导热性能的比较研究

选择了三种不同基体炭为主体,经成型、炭化与浸渍制备的样品为对象,采用扫描电镜(SEM),XRD和热导率测定等分析手段,分别研究了石墨化前后C/C复合材料的微观结构形态及导热性能变化.结果表明,炭化样品的视密度为1.61g/cm3～1.70g/cm3,石墨化度较低,且热导率较小.以D8μm单束丝经两维编制的样品呈现出整齐排列,热传导各向异性比为4.7倍.采用非编制纤维束黏结压制成型的样品以及石墨粉压制成型的样品,其导热性能在两维方向上表现为各向同性.2 700℃石墨化后样品的视密度在1.61g/cm3～1.69g/cm3,没有显著变化.热导率随石墨化度提高而增大,最大增幅达到石墨化前的15倍.单束丝样品热传导各向异性比从4.7扩大到6.3.非编制纤维束黏结压制成型样品的导热性仍保持各向同性,径向为222.27W/(m.K),轴向为243.40W/(m.K);此外,在室温～300℃范围内,2 700℃石墨化后C/C复合材料的热导率均随温度升高呈现出不同程度的下降趋势.     

炭前驱体形态对C/C复合材料导热系数的影响

利用热塑性中间相沥青为黏结剂,短炭纤维.增强体,一步热压成型制备C/C导热复合材料.采用SEM和偏光显微镜观察等分析手段,研究了2∶1,2.5∶1和3∶1三种不同管径比对C/C复合材料的影响.结果表明:通过热压模具空腔结构的改变可以引起炭前驱体挤出形态的变化,使得轴向基体炭有序生长与短炭纤维增强体呈现有序排列,其中间相液晶分子垂直和平行于模压压力方向均排列成纤维状长程有序结构,短切纤维呈现出与压力平行方向排布.当空腔管径比为3:1,轴向导热系数由86.2 W/(m·K)增大至115.5 W/(m· K),各向异性比由1.6减小为1.2.由此所得块体C/C复合材料具有显著的二维取向结构,轴径向导热系数趋于平衡.     

纤维体积含量对炭／炭复合材料性能的影响

通过对不同纤维体积含量的炭／炭复合材料进行力学性能、导热、导电性能试验,分析了纤维体积含量对炭／炭复合材料性能的影响。初始坯体的纤维体积含量对炭／炭复合材料力学性能影响较大,导热、导电性能则与材料内部结构关联较大而与纤维体积含量的关系不大。预制坯体的纤维体积含量选为25％至30％为最好。     

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。     

C/C复合材料改性技术研究进展

综述了国内外最近C/C复合材料基体改性与涂层改性技术研究进展.并对未来的进一步研究进行展望.     

沥青基C/C复合材料浸渍过程的模拟

研究了沥青基C／C复合材料的浸渍过程，把沥青对预制体的浸渍分为束间浸渍和束内浸渍两个阶段，并同时考虑了浸渍过程中沥青中的喹啉不溶物在预制体表面的沉积，建立了束间浸渍模型和束内浸渍模型。使用Matlab软件对模型进行求解并实现了模拟结果的图形化。结果显示：浸渍效率随浸渍压力、浸渍时间的增加而增加，速率逐渐变缓；浸渍效率随孔隙率的增加而增加，速率逐渐增大；浸渍效率以近似正比关系随纤维束平均半径的增加而增加，并随浸渍过程的进行逐渐减小。验证显示模拟结果较好地符合了实验数据，说明了该模型的合理性。     

烧结工艺对无粘结剂C/C复合材料性能的影响

烧结是制备无粘结剂C/C复合材料工艺过程中最为关键的一个环节，烧结方式和烧结制度是否合理直接影响着制品的最终性能，对此，进行了常压和加压烧结两种工艺制度的比较研究。分析了影响制品性能的主要原因；水分及其他吸附杂质的排出；挥发分逸出；氧化烧损，试验表明，在300-700℃之间保持0.7-1.7℃/min的慢升温速率加压烧结，可以获得性能优良的无粘结剂C/C复合材料。     

基体炭对无粘结剂C/C复合材料性能的影响

研究了在相同的工作制度下，基体炭（生石油焦）的热物理性质，机械 化学处理后的主要特征（粒径、比表面、含氧官能团），结果表明，在所选用的基体炭源中，荆门生焦更适合作为无粘结剂C／C复合材料的基体炭。     

致密化工艺对C/C复合材料性能的影响

以三种致密化工艺对2D炭布针刺预制体进行致密，得到三组C／C复合材料，对其进行力学、热学性能检测及微观结构分析，并用C／C复合材料抗热震指标对三种致密化工艺所制备试样的性能进行综合评价，考察并比较了不同致密化工艺对C／C复合材料性能的影响。结果表明，采用化学气相沉积、沥青高压浸渍炭化及树脂常压炭化工艺所制备的RLS试样具有较好的综合性能。