石墨化度对炭/炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损性能的影响

将炭布叠层的炭纤维预制件通过化学气相沉积增密后分别在2 000、2 150、2 300 ℃进行高温热处理得到3 种不同石墨化度的炭/炭复合材料, 采用MM-1000 摩擦试验机对这3 种炭/炭复合材料进行不同速度下的摩擦磨损性能试验, 并对磨损表面及磨屑进行SEM 观察, 结果表明:低速时材料的摩擦系数均很小;刹车速度为10 m/s 时, 石墨化度对材料的摩擦系数影响显著, 石墨化度越高, 材料的摩擦系数越大, 石墨化度低的样件A 摩擦表面形成薄且光滑的磨屑层, 而石墨化度高的样件C 摩擦表面形成厚的、粗糙的磨屑层;刹车速度大于20 m/s 时, 石墨化度对材料摩擦系数的影响变小, 3 种材料摩擦表面均形成较为平滑的磨屑层。石墨化度的高低显著影响材料高速时的磨损, 石墨化度升高到一定值时能显著降低材料高速时的磨损, 继续升高石墨化度, 磨损变化不大,高速时石墨化度低的样件A 氧化严重。综合考虑摩擦磨损性能, 该粗糙层结构的炭/炭复合材料石墨化度控制在45 %为宜。     

工艺条件对C/C复合材料可石墨化性的影响

用炭毡作为纤维增强体,采用多元耦合物理场CVI工艺,在自行设计的CVI炉中增密C／C复合材料,对CVI沉积条件(温度、压力、气体流速、毡体密度、碳源)和石墨化热处理温度对C／C复合材料XRD结构参数(石墨化度g和石墨微晶尺寸Lc)的影响进行了研究。结果表明,采用本工艺制备C／C复合材料,经过工艺优化,材料经过2300℃、2h的石墨化处理,其石墨化度可达到77％以上;并且发现,较高的沉积温度、较低的压力、较大的气流速度、较大密度的毡体有利于C／C复合材料晶体有序度的提高;其次,采用石油液化气(LPG)作碳源时样品的晶体有序度比丙稀(GH6)作碳源时稍高;石墨化热处理可进一步提高材料的石墨化度,升高的幅度和组织结构密切相关,提高材料石墨化度的关键环节是CVI工艺条件。     

炭／炭复合材料可石墨化性能的研究

采用XRD法测量和表征石墨化度，以数种结构组成各异的二维或准二维现役航空刹车用炭／炭复合材料为对象，研究了石墨化度随石墨化处理温度的变化规律，推算出了材料的最终石墨化处理温度，并从材料的结构组成方面对其可石墨化性能特征进行了分析、比较。结果表明：在石墨化度－石墨化处理温度关系曲线上，按温度划分，存在着两个明显不同的区段；近似于直线的快速升高段（AB段）和高温时近似于水平线的缓慢升高段（CD段）。当基体中含有沥青或树脂浸渍炭时，材料的最终石墨化处理温度大多处于AB段，温度为2000－2200℃之间；当基本全部为CVD炭时，材料的最终石墨化处理温度大多处于CD段，温度可能超过2800℃。本所研究的复合材料中的CVD炭的结构皆为RL结构。     

炭纤维针刺整体毡/热解炭复合材料导热系数与石墨化度之间的关系

采用脉冲激光闪光法测量热扩散率，XRD测量石墨化度。研究了PAN基炭纤维针刺整体毡增强光滑层结构热解炭复合材料的导热系数与石墨化度之间的关系，建立了二者之间的定量数学模型。运用声子导热机制对导热变化机理进行了分析。随着石墨化度的升高，石墨微晶尺寸增大、结构渐趋完整，复合材料在平行于层面方向的室温导热系数逐渐升高，导热系数λ与石墨化度g之间关系符合公式：λ=0.64 4.93exp(g/21.94)。     

C/C复合材料断口热解炭及其界面形貌SEM分析

采用SEM，以增强体为薄毡叠层、基体分别为光滑层及粗糙层结构化学气相沉积热解炭的2种C／C复合材料为研究对象，了三点弯曲试样断口上热解炭及热解炭／热解炭界面的形貌特征，并分析了其成因。结果表明：在垂直于炭纤维轴向的断面上，光滑层结构热解炭未发生塑性变形，但粗糙层结构热解炭发生了明显的塑性变形；在平行于炭纤维轴向的断面上，光滑层结构热解炭／热解炭界面呈光滑状，而粗糙层结构热解炭／热解炭界面呈鳞片状，鳞片的周边粗糙，内部光滑。认为鳞片结构的产生与化学气相沉积过程相关，并对此提出了假设模型：两相邻热解炭生长到界面时，在鳞片周边部位互生长形成真正的结合，使鳞片内部形成封闭的空隙或使气流无法通过鳞片内部，造成鳞片内部的伪结合。     

炭/炭复合材料石墨化度的研究进展

从炭/炭复合材料石墨化度的测量和表征、石墨化度的影响因素以及石墨化度对复合材料性能的影响3个方面,对炭/炭复合材料石墨化度的研究现状进行了叙述和评价。指出炭/炭复合材料石墨化度的测量和表征迄今尚无公认、统一的标准;认为有必要系统地跟踪、分析、研究炭/炭复合材料中各组元及其界面在石墨化过程中的变化,以及由此带来的对材料宏观性能的影响。     

航空刹车用C／C复合材料断口分析

利用SEM断口形貌分析了现役航空刹车用C／C复合材料的结构和界面结合状况，探讨了其断裂机理，分析了化学气相沉积炭的沉积机理。结果表明：C／C复合材料的断裂以“弱界面断裂”为主，裂纹优先在基体炭、炭布层间或长纤维束和短纤维间的弱界面等薄弱环节处产生。当裂纹尖端扩展到基体炭中的微裂纹处时，裂纹扩展转向；当裂纹扩展到纤维时，取道纤维与基体炭间弱界面层向前扩展，纤维经历与基体炭脱粘、弯曲、拔出、断裂等过程，导致整个材料断裂。航空刹车用C／C复合材料中的CVD炭以粗糙层状结构为主，CVD过程包括碳氢气体热解、成核、炭化、沉积生长等过程，其中，成核以物理成核为主。图2，表1，参16。     

基体炭结构对炭 炭复合材料的界面结合强度的影响

借助金相、透射电镜技术比较了4种典型的炭/炭复合材料的微观结构, 采用单纤维顶出法测定了炭/炭复合材料中的炭纤维/基体炭界面强度, 研究了基体炭结构对界面强度的影响。结果表明:基体炭的结构和类型影响炭纤维/基体炭间的界面强度, 粗糙层热解炭与炭纤维间的界面强度比光滑层热解炭的高, 而树脂炭和沥青炭由于与炭纤维间存在化学键合, 因而界面强度较高。     

航空刹车用C/C 复合材料坯体结构的研究

为了探索降低航空刹车用C/C 复合材料成本、提高性能的有效方法, 对现役国外航空刹车用C/ C 复合材料的部分力学性能和热导率进行测试, 并利用金相显微镜对其坯体结构进行观察分析, 在此基础上, 自制了一种针刺整体毡, 进行CVD 增密, 并与炭布叠层坯体的结果对比。结果表明:国外航空刹车用C/C 材料的层间剪切强度和垂直方向热导率比较高, 坯体趋向于使用针刺毡;针刺整体毡由无纬布和网胎交替叠层, 经针刺而成, 这种结构具有孔隙分布均匀、气体扩散通道多、Z 向纤维含量高的特点, 为CVD增密创造了良好条件;自制针刺整体毡坯体经700 h CVD 增密, 小样密度可达1.81 g/cm³, 大样密度达1.75 g/ cm³, 且能继续增密, 与炭布叠层坯体相比, 采用针刺整体毡可显著缩短CVD 周期。     

化学气相渗透法制备炭/炭复合材料的显微结构 和力学性能研究

以天然气为碳源, 氢气为载气, 采用等温化学气相渗透工艺对预制体初始密度为0.5 g/cm³ (纤维体积分数为28%)的针刺整体毡进行致密化, 在70 h内制备出表观密度为1.76 g/cm³的炭/炭复合材料。采用压汞法对复合材料的开孔孔径分布进行了分析, 用偏光显微镜和扫描电镜观察了基体的微观组织, 分析了三点抗弯试样的断口形貌。结果表明, 复合材料中的开孔以小于40 μm的微孔为主, 基体热解炭几乎全部由粗糙层热解炭组成, 仅在化学气相渗透的初始阶段在炭纤维的表面形成了很薄的一层各向同性热解炭, 复合材料的抗弯强度达到210 MPa。     

催化石墨化对PAN基炭纤维结构的影响

研究了H₃BO₄或Fe(NO₃)₂·9H₂O水溶液浸泡处理及石墨化处理温度对PAN基炭纤维石墨化度和微观结构的影响。XRD表明, 催化石墨化效应随石墨化处理温度升高而降低。当热处理温度为2 400 ℃时, H₃BO₄处理使炭纤维石墨化度由5.9%提高到21.0%; 当热处理温度为2 800 ℃时,H₃BO₄处理仅使炭纤维石墨化度由26.1%提高到27.9%。显微Raman光谱分析表明, 催化处理促使炭纤维表层炭微晶结构的完整性和石墨化度显著提高, 但对纤维芯部无效, 炭纤维的催化石墨化效应仅限于纤维表层。     

多元物理场CVI制备C/C复合材料过程优化

采用普通碳毡作为增强体, 丙烯作为碳源气体, 氢气作为稀释气体, 在自制的化学气相沉积炉中使用多元物理场化学气相渗透工艺(MFCVI)制备了C/C复合材料。根据不同的工艺条件设计了一组正交实验, 以最终密度和石墨化度为指标对材料的制备过程进行了优化。结果表明, 在沉积控制温度650 ℃、丙烯分压12 kPa、总气流量为40 mL/s、总压力为20 kPa条件时, 在15 h沉积时间内可以获得较好的综合性能指标。验证实验结果表明, 在上述实验条件下, 材料的密度达到1.70 g/cm³, 石墨化度可达67.1%, 密度分析结果表明, 其密度分布呈现两边高中间低的特征, 材料的密度分布可以满足应用要求。     

晶须对碳碳复合材料组织和力学性能的影响

添加硅灰石(CaO·SiO₂)晶须制备碳纤维预制体, 并在980 ℃下进行化学气相沉积, 高温石墨化处理后制备得到CaO·SiO₂晶须改性的C/C复合材料。利用SEM、金相显微偏光分析以及力学实验等方法研究了预制体结构对基体微观结构、物理性能和力学性能的影响。实验结果表明: 添加CaO·SiO₂晶须会诱导热解炭呈锥形生长, 同时在石墨化过程中会诱导热解炭的组织结构发生有序性转变, 与基体反应生成SiC二次纤维。添加CaO·SiO₂晶须使得复合材料的石墨化度由31.6%提升至41.1%, 导热和导电性能相比于未添加晶须时分别增加了71.7%和14.3%, 复合材料的弯曲强度相比于未添加晶须时提升了5%。     

碳源石墨结构对金刚石合成的影响

借助于X 射线衍射和扫描电镜, 研究了6 种碳源石墨的晶体结构与显微结构。结果表明, 不同石墨的颗粒度粗细不一, 且石墨化度差异较大, 微晶尺寸与石墨化度没有直接关系;石墨微观结构主要有3 种形态:①纤维状区域结构;②片状小区域结构;③镶嵌结构合成金刚石时, 微观结构相似的石墨, 随着石墨化度的提高, 加热电流增加;纤维状区域结构明显的石墨合成的金刚石品质优于片状小区域结构为特征的石墨, 优于以镶嵌结构为特征的石墨。     

碳纤维毡体添加硼酸高温热处理对C/C复合材料氧化行为的影响

采用对碳纤维毡体添加硼酸高温热处理的方法提高C/C复合材料的整体抗氧化性, 考察了添加硼酸高温热处理的C/C复合材料和未经处理的C/C复合材料的氧化行为。通过扫描电镜形貌观察、激光拉曼光谱分析、氧化动力学分析, 结果表明:添加硼酸高温热处理后C/C复合材料抗氧化性提高, 并探讨了其氧化能力提高的原因。     

碳质物对高含碳金矿浮选影响的试验研究

针对某高含碳金矿不脱碳浮选工艺,考察了不同碳含量对载金矿物浮选的影响;明确了碳质物的晶体结构与石墨化程度,评价了碳质物对捕收剂的吸附能力,研究了不同屏蔽剂对金、碳品位和回收率的影响。结果表明:随着碳质物含量从2.86%提高到7.21%,载金矿物品位从20.07%下降至1.37%,回收率从67.99%下降至10.27%;碳质物主要为半自形石墨或无定形碳,石墨化程度高于活性碳。该碳质物对药剂吸附(对丁基黄药和丁基铵黑药的吸附率分别为49.88%和27.44%)是导致金回收率较低的主要原因。萘磺酸钠(400g/t)抑制剂可使粗精矿中碳品位从15.44%降至13.89%,金品位从22.7g/t增加至29.2g/t,回收率从30.76%提升至45.65%。