热解炭过渡层-中间相沥青基炭/炭复合材料的微观结构

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜对具有热解炭过渡层的中间相沥青基炭/炭复合材料的微观结构进行了研究。结果表明:材料的基体由热解炭和中间相沥青炭组成,在偏光显微镜下均呈现出光学各向异性。材料内部形成了多层次的界面结构,热解炭与纤维的界面连续,界面层内的石墨微晶择优取向度较高,晶格条纹排列规整;中间相沥青炭与热解炭界面不连续,为"裂纹型"界面,界面层内主要为非晶态碳。材料中炭纤维、热解炭、中间相沥青炭的石墨微晶大小逐渐增大,择优取向度逐渐增高,晶格条纹的排列逐渐规整。片层条带状结构的中间相沥青炭以及材料内的微裂纹平行于炭纤维轴向。     

气相生成碳纤维

二十年前由聚丙烯腈(PAN)和沥青(pitch)原丝碳化和石墨化制做的碳纤维(CF),现在性能上已得到显著提高。断裂拉伸强度为2%的聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)和模量为700GPa 的中间相沥青基碳纤     

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。     

高温处理对中间相沥青基炭纤维结构与热导率的影响（英文）

采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱仪(Raman)及X射线衍射仪(XRD)考察了中间相沥青基炭纤维在不同热处理温度下的结构及形貌变化,并采用3ω法对经不同温度处理后的纤维热导率进行了表征。结果表明,中间相沥青基炭纤维的石墨化度与热导率随着热处理温度的升高而增大,经3000℃处理后纤维的热导率最高可达518W/m·K。此外,还探讨了中间相沥青基炭纤维结构、热导率及热处理温度之间的相互关系,发现中间相沥青炭纤维的石墨化过程存在3个阶段,在不同温度区间内分别对应石墨微晶的生长和取向。     

Cf/ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料的显微结构表征

利用X-射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对Cf/ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料的相组成、纤维/热解碳层的界面特征和超高温陶瓷基体的显微结构特征进行了表征。在碳纤维表面有一层厚度为2～3μm石墨化程度较高的热解碳界面层,该界面层可以避免采用PIP工艺制备超高温陶瓷基体时可能对碳纤维造成的损伤。热解碳层与碳纤维之间为弱机械结合,其界面间分布着20～30 nm的ZrC纳米颗粒。Cf/ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料基体主要由ZrC,ZrB2,SiC和石墨相(Cg)组成。基体中石墨的(002)面沿着ZrC,ZrB2或SiC的表面生长。在石墨与ZrB2和石墨与SiC的界面没有观察到取向关系,界面处既没有反应层也没有非晶相存在。在石墨与ZrC之间存在ZrC(111)∥Cg(002),ZrC[110]∥Cg[010]的取向关系。ZrB2和SiC之间也没有界面反应和非晶层存在。     

碳/碳复合材料基体用中间相沥青

中间相沥青具有高残碳率、高密度、低的密度变化及易石墨化等优点 ,是较理想的碳 /碳 (C/C)复合材料基体前驱体。本文从 C/ C复合材料制备工艺的角度 ,阐述了制备 C/ C复合材料用的中间相沥青的主要特性 ,其中包括中间相沥青的流动性、在碳化过程中的稳定化、微观结构以及中间相沥青基 C/ C复合材料的界面结构。     

界面涂层对气相渗硅Cf/SiC复合材料力学性能的影响

在1650℃气相渗硅（Vapor Silicon Infiltration—VSI）制备了3D碳纤维增强SiC基复合材料（Cf／SiC），其密度约为1．85g／cm^3．当C／SiC界面涂层存在时，气相渗硅cf／SiC强度为239．5MPa；而无界面涂层存在时，Cf／SiC弯曲强度大幅下降，约为67．4MPa．无界面涂层保护时，气相渗硅过程中纤维与硅蒸气发生反应，使得纤维硅化，造成材料性能下降．纤维表面沉积的C／SiC涂层，不仅保护纤维，避免被硅侵蚀，而且具有弱化界面、偏转裂纹等作用，复合材料的断裂功得到显著提高．将气相渗硅温度提高到1700℃后，有界面涂层存在情况下Cf／SiC复合材料密度显著提高，达到2．25g／cm^3，强度基本与1650℃时相当．     

聚丙烯腈基碳纤维石墨化过程的晶体结构分析(英文)

使用国产聚丙烯腈基碳纤维进行石墨化实验,制备高模量的碳纤维。使用X光衍射和拉曼光谱的方法对晶体结构进行了表征,讨论了石墨化工艺参数,包括石墨化温度以及牵引张力大小对晶体结构的影响。实验发现:高温石墨化辅助牵伸石墨化是有效的方法提高石墨化度制备得到石墨化碳纤维。本文使用国产碳纤维在2700℃以及牵伸为1.5%时制备得到了杨氏模量为356GPa的高模量碳纤维。     

石墨化处理对双层热解炭基2DC/C复合材料微观结构的影响

综合采用偏光显微镜(PLM),X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM),高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等分析方法,逐层研究了2500℃高温石墨化(HTT)处理前后双层热解炭基2D C/C复合材料的不同织构以及纤维-基体界面的变化.结果表明:HTT处理后,d002值减小,石墨化度显著提高;内层低织构热解炭的断口微观形貌与晶格条纹几乎没有变化,而外层高织构热解炭晶格条纹更加平直,尤其是发现层间裂纹密度明显增大,使得处理后的高织构热解炭在受力时,裂纹易于在层间扩展和偏转,因此可有效提高材料的韧性;同时,纤维-基体界面发生弱化也是提高材料韧性的另一机制.HTT处理前后试样的三点弯曲力学性能试验结果证实了以上机制.     

微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响

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微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响. 结果表明: 基体炭在偏光显微镜下呈现出光学各向异性, 在SEM和TEM下呈片层条带状结构. 基体炭与纤维之间的界面不连续, 为“裂纹型”界面. 材料受载破坏时裂纹通过改变扩展路径而延缓其扩展速度, 在纤维-基体界面处以及基体炭层片之间引起滑移, 在断口形貌上体现出断裂台阶适中且与纤维拔出交替进行, 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257MPa, 断裂韧性达到11.4MPa·m ^1/2.     

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)。     

Investigation of defects in a mesophase pitch-based graphite at the atomic scale北大核心CSCD

A C/C composite as a thermal conducting material was prepared by the impregnation of unidirectional mesophase pitch based carbon fibers with mesophase pitch and graphitization at 3 000 degrees C. It was thinned to around 10 nm in the direction parallel to the fiber axis by cutting, grinding and ion beam bombardment. Results indicate that mesophase pitch is transformed into hexagonal graphite (HG). However, there is rhombohedral graphite (RG) tens of nanometer thick mingled with the HG. Defects include the glide and rotation structures and grain boundaries.     

铝基复合材料摩擦磨损性能研究

为研究碳纤维对Al1O3f/ZL109复合材料摩擦磨损性能的影响,进一步提高金属基体的摩擦磨损性能,利用液态模锻法制备了(Cf,Al2O3f)/ZL109复合材料,并研究了该材料的摩擦磨损性能.结果表明:各种(Cf,Al2O3f)/ZL109复合材料的磨损量均随载荷的增加而增大,但复合材料的磨损量均低于ZL109基体,且在总纤维体积分数为12%的复合材料中,(4?,8%Al2O3f)/ZL109复合材料具有最低的磨损量;各种(Cf,Al2O3f)/ZL109复合材料的摩擦因数均随载荷的增加而减小.(Cf,Al2O3f)/ZL109复合材料的耐磨性由碳纤维与氧化铝纤维性能及基体共同决定.     

碳纤维表面溅射金属增强铜基复合材料的界面结合

先分别在碳纤维表面磁控溅射镀覆厚度约0.8 μm均匀分布的TiC和Ni,然后用传统粉末冶金技术制备碳纤维(体积分数为2.5%)增强铜基复合材料。结果表明,铜基复合材料的力学性能与电性能协同提高。碳纤维在基体中分布均匀,没有出现明显的偏聚。溅射钛的碳纤维增强复合材料的硬度和电性能分别为40.8HV和91.0%IACS,溅射镍的碳纤维增强复合材料的硬度和电性能分别为38.8HV和79.7%IACS。在结合界面Ti与C或Ni与Cu发生反应,都有利于界面结合。     

双基体炭/炭复合材料的微观结构与力学性能

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微观结构对双基体炭/炭复合材料力学性能的影响.结果表明:基体炭在偏光显微镜下呈现光学各向异性,材料内部形成多层次的界面结构,热解炭呈现"皱褶状"片层结构,中间相沥青炭呈现片层条带状结构,基体炭片层的走向基本上平行于纤维轴向.材料受载破坏时裂纹通过改变扩展路径而延缓其扩展速度,在纤维-基体界面处以及基体炭片层之间引起滑移,在断口形貌上体现出锯齿状的断裂形式,材料具有韧性断裂的特征,抗弯强度最高可达223MPa.     

一维高导热C/C复合材料的制备研究

以三种沥青作为基体前驱体, 实验室自制的AR中间相沥青基纤维为增强体, 通过500℃热压成型, 随后经炭化和石墨化处理制备出一维炭/炭(C/C)复合材料。研究了前驱体沥青种类和热处理温度对复合材料导热性能的影响, 并采用扫描电子显微镜和偏光显微镜对其石墨化样品的形貌和微观结构进行表征。结果表明; C/C复合材料在沿纤维轴向的室温热扩散系数和导热率均随热处理温度的升高而逐渐增大; 由AR沥青作为基体前驱体所制备的C/C复合材料具有更加明显的沿纤维轴向取向的石墨层状结构以及最好的导热性能, 其3000℃石墨化样品沿纤维轴向的室温热扩散系数和导热率分别达到594.5 mm²/s和734.4 W/(m·K)。     

上浆剂对炭纤维表面和环氧树脂复合材料的影响

采用两种上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维进行表面上浆,利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线元素分析(XPS)和反向气相色谱(IGC)研究了未上浆、上浆炭纤维的表面形貌、化学组成及纤维表面能,测试了未上浆和上浆炭纤维所制备复合材料的层间剪切强度(ILSS)并用SEM观察其断面形貌。结果表明,上浆后炭纤维表面变平滑,纤维表面n(O)/n(C)明显提高,含氧官能团(羟基、羧基)增加,炭纤维表面能降低。上浆后,复合材料的ILLS有所提高。     

炭基体的结构对C/C复合材料导电性能的影响

采用CVI+PIC工艺制备以2D碳纤维预制体为增强体、由不同炭基体结构组成的C/C复合材料,随后在不同温度对其进行热处理得到不同石墨化度的炭基体结构,研究了PyC/ReC比值和石墨化度对材料电阻率的影响。结果表明,随着PyC/ReC比的提高低密度C/C复合材料的电阻率在27.3×10^-6~28.0×10^-6 Ω·m间基本不变,因为石墨微晶的尺寸和结构完整性的增大与材料孔隙率的提高对电阻的影响相反。随着PyC/ReC比的提高,高密度C/C复合材料的电阻率从24.9×10^-6 Ω·m降低到20.5 ×10^-6 Ω·m。其可能的原因是,材料内部的孔隙较少,孔隙率的轻微提高使阻碍载流子在导电网络中的有效传递的作用显著下降。随着热处理温度从1800℃提高到2500℃,C/C复合材料的石墨化度明显提高,电阻率明显降低,其主要原因是载流子浓度的提高和晶界散射的减弱。