热处理温度对高导热3D C/C复合材料性能的影响

通过化学气相渗透和前驱体浸渍裂解复合工艺对三向碳纤维织物进行致密化,获得密度为1.95 g/cm3的高导热3D C/C复合材料.利用SEM,XRD,导热系数测试,线膨胀系数测试和三点弯曲实验,研究2350,2550,2850℃不同热处理温度对3D C/C复合材料微观形貌、结构、导热系数、线膨胀系数和弯曲性能的影响.结果表明:随着热处理温度的升高,中间相沥青基碳纤维石墨片层结构更加明显,均匀包裹在碳纤维周围的热解碳片层排列的有序度提高,且片层之间排列更加致密;3D C/C复合材料的石墨化度和导热系数提高;在测试温度250～1400℃区间,线膨胀系数随着测试温度的升高略微增大,不同热处理温度后的3D C/C复合材料线膨胀系数均在-1×10-6～2×10-6℃-1,表现出良好的"零膨胀性".此外,当热处理温度升高,3D C/C复合材料的碳纤维与基体的结合减弱,导致材料的弯曲强度和弯曲模量降低,2850℃高温热处理后的材料弯曲断裂面出现大量长纤维拔出,总体来说,3种不同热处理温度后的断裂均表现出"假塑性"断裂特征.     

高导热碳/碳复合材料微观结构及导热性能EI北大核心CSCD

采用国产沥青基碳纤维与中间相沥青制备多孔碳/碳(C/C)复合材料,通过化学气相渗透法(CVI)与前驱体浸渍裂解法(PIP)复合工艺增密,经不同温度高温热处理(HTT)后制备单向C/C复合材料和两向正交C/C复合材料。利用SEM,XRD对不同温度热处理的材料进行微观结构分析,并结合导热机理,分析材料导热性能。结果表明:2300℃热处理后,高导热C/C复合材料结构致密,单向C/C复合材料X向(平行于碳纤维轴向)、两向正交C/C复合材料X向、Y向表现出优异的导热性能;3000℃热处理后,C/C复合材料石墨片层结构明显,石墨化度提高了18.84%,微晶尺寸增大,导热性能进一步提高。两向正交C/C复合材料X向、Y向导热系数可由单向C/C复合材料X向、Z向导热系数计算推导。     

鳞片石墨掺杂对单向C/C复合材料结构和性能的影响

以大直径(40~50μm)中间相沥青基炭纤维为导热相,以掺杂一定量不同粒径天然鳞片石墨的中间相沥青为黏结剂,经500℃热压成型、高温炭化及石墨化处理制备出单向高导热炭/炭(C/C)复合材料。采用偏光显微镜和扫描电子显微镜对复合材料石墨化样品的形貌和微观结构进行表征,并探讨鳞片石墨掺杂对复合材料不同方向导热性能的影响。结果表明,掺杂鳞片石墨对复合材料的体积密度影响较小,但对复合材料不同方向的导热性能有显著影响,复合材料沿纤维长度方向的室温热扩散系数随鳞片石墨体积分数和粒径的增加而减小,而垂直纤维长度方向的室温热扩散系数呈现上升趋势;添加16 vol.%粒径约为60μm的鳞片石墨所制复合材料沿纤维长度方向热扩散系数由掺杂前的650.5 mm~2/s降至510.9 mm~2/s,下降了21%,而垂直纤维长度方向的室温热扩散系数由22.4 mm~2/s提高到48.9 mm~2/s,增加了118%。掺杂鳞片石墨明显提高了复合材料垂直纤维长度方向的导电性能和抗弯性能。     

热处理温度对二维高导热炭/炭复合材料结构及热导率的影响（英文）

以高导热沥青基炭纤维布为增强体,中间相沥青为黏结剂,采用热模压成型及液相浸渍裂解工艺增密,并经高温石墨化处理制备二维高导热炭/炭复合材料。利用X射线衍射仪和透射电子显微镜对经不同温度处理后的沥青基炭纤维及二维高导热炭/炭复合材料的结构和形貌变化进行表征,并考察石墨化处理温度对复合材料热导率的影响。结果表明,随着热处理温度的升高,纤维及复合材料内部石墨微晶尺寸增大、取向度变好,纤维与基体间界面结合紧密、裂纹减少,而基体碳层间裂纹则呈扩大趋势。此外,二维高导热炭/炭复合材料的热导率随热处理温度的升高而线性增加,经3 000℃处理后,材料热导率高达443 W/m·K。     

C/C多孔体的高温热处理对C/C-SiC复合材料摩擦磨损行为的影响

低密度C/C多孔体的结构与性能调控是制备具有优异摩擦磨损性能的C/C-SiC复合材料的关键。本研究采用化学气相渗积法制备了C/C多孔体,并对其进行2100℃高温热处理,再通过反应熔渗法制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体高温热处理对C/C-SiC复合材料微观结构、导热性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明,经2100℃热处理的C/C多孔体孔隙率和石墨化程度增加,用其制备的C/C-SiC复合材料比C/C多孔体未经热处理的密度更大(2.22 g/cm3),孔隙率由5.1%降低至3.4%, SiC陶瓷相含量比热处理前提高11.9%。石墨化程度越高,声子的平均自由程越大,因此其室温的导热率提升到3.1倍, 1200℃导热率提升到1.2倍。经过热处理的热解炭更软,摩擦面易形成连续且稳定的摩擦膜,因此摩擦系数更稳定,并且在测试载荷为3、6和9 N下磨损率均显著降低,下降幅度达到47.8%、41.9%和11.7%,平均摩擦系数分别为0.47、0.38和0.39。综上所述,对C/C多孔体进行高温热处理可使C/C-SiC复合材料的导热性能提升,更耐磨并且表现出更稳定的摩擦系数。     

CLVD快速致密C/C复合材料的高温热物理性能

以聚丙烯腈预氧丝整体毡为增强体,采用快速液气相沉积联合沥青浸渍-炭化增密制备高速列车用C/C复合制动材料。研究了所制材料在30℃～800℃时的热扩散率、比热容、导热系数等热物理性能。研究发现:随温度升高,C/C复合材料平行于纤维叠层方向和垂直于纤维叠层方向的热扩散率均呈非线性降低,而比热容呈非线性增大。材料的导热性能表现出明显的各向异性,平行纤维叠层方向的导热系数先升后降,在200℃时出现极大值186.7W.m-.1K-1,是垂直于纤维方向导热系数的5.8倍。而垂直于纤维叠层方向的导热系数表现平稳。通过Wiedmann-Franz比值的分析,认为所制C/C复合材料在低温区以声子导热为主,高温区以电子导热为主。采用本制备工艺可获得导热性能优良的C/C复合材料。     

炭纤维热处理对C/C复合材料力学性能的影响

采用化学气相沉积工艺对未处理和2 500℃热处理的炭纤维预制体进行致密化,对致密化后的C/C复合材料进行弯曲力学性能测试,借助偏光显微镜和扫描电子显微镜观察热解炭的组织、纤维的表面和弯曲试样断口的形貌.结果显示:高温热处理后,纤维表面变的更加光滑,表面出现很多沿纤维轴向的沟槽;致密化后的两种C/C复合材料的基体消光角约为21°,均为高织构热解炭;与未处理纤维增强C/C复合材料相比,经高温热处理后纤维增强的C/C复合材料的弯曲强度和模量均大幅下降,断裂特征由脆性转变为典型的假塑性,断口处有大量纤维拔出,纤维表面未粘附热解炭,表明对纤维进行高温热处理显著降低了纤维和热解炭基体的界面结合强度,导致材料强度降低,断裂呈假塑性.     

石墨化处理对不同高织构含量C/C复合材料微结构的影响

采用化学气相沉积工艺制备出炭毡增强炭/炭(C/C)复合材料和3K炭布叠层增强C/C复合材料,并对材料进行2500℃高温石墨化处理。利用X射线衍射仪;偏光显微镜及拉曼光谱仪对所制材料进行表征。结果表明,炭毡C/C复合材料基体是单一的高织构(HT)热解炭,3K炭布叠层C/C复合材料的基体是带状组织,从纤维表面向外依次为各向同性热解炭、HT和中织构(MT)热解炭,其中HT含量低于50%;沉积态和热处理后,两种C/C复合材料都具有相似的石墨化度,且热处理后的石墨化度超过80%,但Lc值差异明显,炭纤维、MT和HT热解炭的La值均升高,其中HT热解炭升幅明显大于炭纤维和MT热解炭。HT热解炭的含量是导致这两种C/C复合材料具有相似石墨化度而Lc值却显著差异的原因。     

大直径沥青基炭纤维/ABS树脂高导热复合材料的制备与表征

将大直径中间相沥青基石墨化纤维定向排列后与ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)树脂通过热压成型,制备出单向炭纤维ABS树脂基复合材料。借助X射线衍射、扫描电子显微镜和偏光显微镜等手段对炭纤维及其树脂基复合材料的晶体结构、形貌和光学织构进行表征,并研究纤维石墨化温度及体积分数对其复合材料导热性能的影响。结果表明,复合材料沿炭纤维轴向和径向显示出差异;复合材料沿纤维轴向的室温热扩散系数随纤维石墨化温度和体积分数的增加而增大。     

中间相沥青基石墨中缺陷的原子尺度

含有大量液晶分子的中间相沥青是制备轴向高导热炭/炭复合材料的重要原料,以中间相沥青基炭纤维为增强体与中间相沥青基体经液相浸渍法制备高导热炭/炭复合材料。中间相沥青基体随着热处理温度不断升高逐渐转化为包含诸多缺陷的石墨晶体,这些缺陷对复合材料的热传导有较大影响。利用透射电子显微镜研究中间相沥青基石墨晶体中的缺陷结构,尤其是不完整石墨晶体[11 0]晶带轴衍射谱中(10)列衍射斑点拉线的成因。结果表明,中间相沥青基体经3 000℃热处理后主要形成六角石墨,但六角石墨主体中夹杂数层菱形石墨,进一步发现,够成(10)列衍射拉线的缺陷主要包括两类:层错(基面间不同程度位移形成的位移缺陷)和晶界(相邻晶粒间相互旋转形成的旋转缺陷以及非共格晶界)。     

3D C/C复合材料的热膨胀性能

通过测定热膨胀系数(CTE),分析了不同密度以及高温处理前后热解炭基三维编织炭/炭复合材料(3DC/C复合材料)的热膨胀行为,并与PAN基炭纤维以及热解炭的热膨胀性能作了比较。结果表明:PAN基炭纤维在1200℃以后,出现明显的负膨胀。从室温到100℃,C/C复合材料呈负膨胀状态,CTE与密度成正比;从100℃到1000℃,C/C复合材料的CTE-温度曲线基本遵循热解炭基体的热膨胀规律变化;超过1000℃以后,CTE-温度曲线出现峰值,表明热解炭的膨胀受纤维的限制。复合材料的热膨胀行为由纤维和基体二者决定。     

聚酰亚胺改性C/C复合材料的制备及性能

采用针刺成型、化学气相渗透（CVI）、真空浸渍及固化成型工艺制备了C/C-聚酰亚胺（C/C-PI）复合材料,研究了这种新型防热结构材料的弯曲性能、导热性能及热膨胀性能。结果表明:C/C-PI复合材料XY向和Z向弯曲强度分别为120.75 MPa和40.33 MPa,较C/C复合材料分别提高了17.92%和20.57%,表现出更优异的弯曲性能;C/C-PI复合材料热导率随温度变化不显著,XY向和Z向热导率均在150℃达到最大值,分别为29.88 W（m·℃）-1和9.93 W（m·℃）-1,较C/C复合材料分别降低了47.02%和56.12%;随温度升高,C/C-PI复合材料的线膨胀系数呈线性缓慢增长,数值保持低于4×10-6 K-1,尤其XY向较Z向具有更低的线膨胀系数,可满足热结构件尺寸稳定性的使用需求。      

Thermo-physical Properties of Continuous Carbon Fiber Reinforced Copper Matrix Composites

Continuous carbon fiber reinforced copper matrix composites with 70％(volume fraction)of carbon fibers prepared by squeeze casting technique have been used for investigation of the coefficient of thermal expansion(CTE)and thermal conductivity．Thermo-physical properties have been measured in both, longitudinal and transversal directions to the fiber orientation．The results showed that Cf／Cu composites may be a suitable candidate for heat sinks because of its good thermo-physical properties e．g．the low CTE(4.18×10-6／K)in longitudinal orientation and(14．98×10-6／K)in transversal orientation at the range of 20-50℃，a good thermal conductivity(87．2 W／m·K)in longitudinal orientation and(58．2 W／m·K)in transversal orientation．Measured CTE and thermal conductivity values are compared with those predicted by several well-known models．Eshelby model gave better results for prediction of the CTE and thermal conductivity of the unidirectional composites．     

碳化硅纳米纤维改性C/C复合材料的力学性能

以电镀Ni颗粒为催化剂,采用催化化学气相沉积(CCVD)法,在单向炭纤维(CF)表面原位生长碳化硅纳米纤维(SiCNF),制备出SiCNF/CF共增强毡体。以此共增强毡体为前驱体,化学气相沉积碳后得到密度为1.7g/cm3的SiCNF改性C/C复合材料。复合材料力学性能测试表明,SiCNF改性可使C/C复合材料的抗弯强度、抗压强度和显微硬度明显提高。扫描电子显微镜和偏光显微镜观察表明,SiCNF改性处理改变了C/C复合材料中基体炭的结构,使其成为类似粗糙层(RL)或高织构的结构。     

Interlaminar shear strength of SiC matrix composites reinforced by continuous fibers at 900 °C in air

To reveal the shear properties of SiC matrix composites, interlaminar shear strength (ILSS) of three kinds of silicon carbide matrix composites was investigated by compression of the double notched shear specimen (DNS) at 900 °C in air. The investigated composites included a woven plain carbon fiber reinforced silicon carbide composite (2D-C/SiC), a two-and-a-half-dimensional carbon fiber-reinforced silicon carbide composite (2.5D-C/SiC) and a woven plain silicon carbon fiber reinforced silicon carbide composite (2D-SiC/SiC). A scanning electron microscope was employed to observe the microstructure and fracture morphologies. It can be found that the fiber type and reinforcement architecture have significant impacts on the ILSS of the SiC matrix composites. Great anisotropy of ILSS can be found for 2.5D-C/SiC because of the different fracture resistance of the warp fibers. Larger ILSS can be obtained when the specimens was loaded along the weft direction. In addition, the SiC fibers could enhance the ILSS, compared with carbon fibers. The improvement is attributed to the higher oxidation resistance of SiC fibers and the similar thermal expansion coefficients between the matrix and the fibers.     

碳包钴纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合热界面材料的制备和性能

为了制备具有良好的热导率、热稳定性、导电性和柔顺性的纳米颗粒填充硅树脂复合材料,首先以乙基封端聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体材料,以碳包钴纳米颗粒(C@Co)为填料,采用研磨共混法制备了C@Co/PDMS复合热界面材料。然后,运用TEM、XRD、Raman和SEM分别对C@Co的微观结构、物相、石墨化程度和分散性进行了研究。最后,研究了C@Co含量对复合热界面材料的热导率、热稳定性、导电性和柔顺性的影响。结果表明:该复合热界面材料的热导率随着C@Co含量的增加而增大,当C@Co的含量为24wt%时,复合材料的热导率达到最大值1.64 W/(m·K),比纯PDMS的提高了10.7倍;TG分析表明,添加24wt%的C@Co后,复合材料的起始分解温度和最终分解温度比纯PDMS的分别提高了约70℃和80℃,说明C@Co能提高复合材料的热稳定性;随着C@Co含量的增加,复合热界面材料的电导率非线性增大,拟合试差计算的逾渗阀值为10wt%,即C@Co含量小于10wt%时复合材料的绝缘性良好,而填充24wt%的C@Co时复合材料的电导率为9.38×10-3 S·m-1;复合材料的硬度适中,处于17.6~26.8HA范围内,表明该复合材料的柔顺性较好。因此,24wt%C@Co/PDMS复合材料不仅能满足热界面材料电性能的基本要求,且具有良好的热导率、热稳定性和柔顺性。     

以中间相沥青为粘结剂的低密度高导热炭纤维网络体的研究

以中间相沥青为粘结剂, 采用500 ℃低温炭化炭纤维, 经低压模压成型、炭化和石墨化后得到低密度高导热炭纤维网络体。与以1300 ℃炭化炭纤维为原料和以酚醛为粘结剂制备的炭纤维网络体进行了比较。对粘结剂炭收率(热重分析)、样品微观形貌(扫描电子显微分析)、石墨化度及微晶尺寸(X射线衍射分析)等进行了表征。研究结果表明: 由于高炭收率和高片层取向度的中间相沥青与500 ℃低温炭化处理炭纤维共同经历后续热处理时呈现出相近的热收缩率, 因而具备良好的相互粘结性和石墨片层铆接效应, 其制备的炭纤维网络体经石墨化后密度为0.317 g?cm ^-3, 由此制备的相变复合材料的面内热导率为19.30 W·m ^-1·K ^-1, 较纯相变材料(石蜡)提升了80倍, 明显高于以1300 ℃炭化炭纤维为原料, 以中间相沥青和酚醛分别为粘结剂制备样品的面内热导率(17.03和14.47 W·m ^-1·K ^-1)。     

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。     

含纤维断裂复合材料热阻变化的细观建模

为探讨单向纤维增强复合材料中纤维损伤与材料热阻变化之间的关系,建立了由纤维断裂引起热阻变化的细观理论模型,并利用该模型对热阻变化率进行了定性分析。针对纵向传热与垂直传热两种情形下的热阻进行分析,结合Weibull纤维强度分布模型,引入纤维失效长度作为纤维链段的最小长度,获得了纤维断裂引起的复合材料纵向和沿厚度方向热阻变化率的解析函数。采用Monte-Carlo随机方法对外加应力作用下复合材料热阻随着纤维断裂而发生变化的过程进行模拟。研究结果表明:无论是纵向热阻还是厚度方向的热阻,热阻变化率均随纤维断点数目的增大而线性递增;纤维体积组分越大,热阻变化率越大。纵向热阻变化率随着纤维/基体导热系数比β的增大而迅速增大,但当β10时增大的幅度逐渐减弱;而厚度方向的热阻变化率则随着β的增大先急剧增大而后递减,当纤维与基体的导热系数相当时(在β=1附近)达到最大值。     

C/C密度梯度材料的热学及力学性能研究

C/C密度梯度材料的研究在国内尚属于空白,本文作者研究了C/C复合材料的导热系数与密度间的关系,并对比密度均匀材料与密度梯度材料的导热系数和力学性能,从理论上探索C/C密度梯度材料的应用前景。为进一步开发C/C密度梯度材料提供了理论依据。