热解碳结构对炭／炭复合材料摩擦磨损性能的影响

通过控制化学气相沉积工艺条件，得到粗糙层，光滑层，过渡结构，各向同性等几种具有不同微观结构的热解炭，通过金相观察，石墨化度，摩擦磨损性能的测试，得出：热解碳的微观结构对炭／炭复合材料的摩擦损性能有较大影响；制动过程中形成的薄膜使摩擦因数降低，粗糙层结构的炭／炭复合材料石墨化程度高，摩擦因数高，线型平稳，且随着压力的增加，其力矩上升明显，是一种优良的摩擦材料，光滑层结构的炭／炭复合材料石墨化度低，摩擦因数低，磨损小。     

石墨化度对炭／炭复合材料力学性能的影响

通过三点弯曲试验,并借助SEM断口形貌分析,研究了石墨化度对炭／炭复合材料抗弯强度的影响,对其断裂机制进行了探讨。试验所用材料的基体为沥青浸渍炭＋少量CVD炭,增强体炭纤维由乱短纤维和成束长纤维织成的炭布构成,长纤维沿X－Y平面分层铺开,长纤维层之间是随机分布的乱短纤维层。研究结果表明：当石墨化度不同时,复合材料的断裂机制不同;在所研究的石墨化度范围28.4%-77.3%内,随着石墨化度的提高,材料的抗弯强度呈现加速下降的趋势;当石墨化度为77.3%时,材料的抗弯强度仅为石墨化度为28．4％时的60％。在石墨化度较低（如27．4％和56．8％）时,材料中的长纤维呈现以拔出机制为主,裂纹沿长纤维束层与乱短纤维层之间的界面传播;在石墨化度较高（如70．6％和77．3％）时,材料中的长纤维被横向切断,裂纹切过长纤维向前传播。这对炭／炭复合材料的研究、开发具有指导意义。     

基体含量对炭／炭复合材料的影响

研究了最终密度为1.85-1.86g/cm^3的二维（2D）炭／炭复合材料的不同基体成分－CVD炭和树脂炭的含量对2D C／C复合材料力学性能的影响，并在扫描电镜下进行断口分析，探索了C／C复合材料的损伤机理，此外，通过观察炭纤维与CVD炭以及CVD炭树脂炭的结合状态，纤维拔出，韧断等断口微观形貌，从微观上分析了不同基体炭以及它们的微以结合对2D C／C复合材料强度性能的影响，结果表明：CVD炭含量越高，剪切强度越低；而抗弯强度，弯曲弹性模量和抗压强度则先增加后降低，有一个明显的起伏，说明CVD炭与树脂炭的含量有一个最佳配比，即CVD炭含量约为44％时，可以使2D C／C复合材料力学性能得到最佳值，炭纤维与CVD炭成树脂炭粘结并不是特别牢固，其界面具有缓冲裂纹传播速度或改变裂纹传播方向的作用，或界面剥离吸收掉集中的应力，从而使炭纤维的强度得到很好的利用，C／C复合材料的强度得以提高。     

炭／炭复合材料的摩擦磨损性能

选取由CVD预增密至一定密度，再进行树脂浸渍／炭化补充增密至1.85g/cm^3的炭／炭复合材料作摩擦环试样。测试了该试样在一系列刹车速度时的摩擦磨损性能，并对其摩擦面及磨屑进行了SEM,观察对摩擦面进行显微喇曼光谱分析。研究结果表明：炭／炭复合材料的摩擦磨损性能随刹车速度的变化而发生显著变化，在10m/s时出现最高峰，在25m/s出现亚高峰；磨损量随刹车速度的增加而增加，而氧化磨损在刹车速度为25m/s时开始大量产生，在28m/s时达最大值，其摩擦表面形貌，结构及磨屑亦有较大差别。刹车速度从5m/s升至20m/s，摩擦面石墨化度降低，石墨结构向无定型碳结构转变，但在高速时石墨化度反而升高，无定型碳结构又向石墨结构转变。     

水热共沉积C/C复合材料的Ni催化石墨化及性能研究

采用水热共沉积结合热处理技术制备出了含Ni颗粒的碳/碳(C/C)复合材料,并研究了热处理温度对C/C复合材料微观结构、力学性能及电学性能的影响规律.结果表明,随着热处理温度的升高,复合材料的基体碳由无定型的颗粒状向层状石墨转变,其石墨化度提高,复合材料中Ni的引入对基体具有催化石墨化作用.1 400℃热处理较800℃热处理C/C复合材料的强度降低了27%,模量提升了15%,其断裂行为由假塑性断裂向脆性断裂转变.1 400℃热处理较800℃热处理C/C复合材料的电阻率降低了67.9%.石墨化度的提高增大了石墨微晶尺寸,降低了石墨层间距,减小了晶界的散射作用,从而提升了载流子浓度,有利于降低C/C复合材料的电阻率.     

人工心瓣含硅低温热解炭涂层热处理分析

采用化学气相沉积法制备人工心瓣含硅低温热解炭涂层,并进行热处理。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、纳米压痕仪、热膨胀仪研究了热处理对涂层微观结构和性能的影响。结果表明,涂层包含热解炭（乱层石墨结构）与β－SiC两种物相,热处理后热解炭微晶层间距减小,表明石墨化程度提高,同时β－SiC微晶与热解炭微晶尺寸增大。电镜下材料主要由类球形颗粒组成,颗粒之间存在微米级孔隙,热处理后材料孔隙结构发生变化,大孔隙减少,孔隙分布更加均匀。热处理后材料纳米硬度明显减小,热膨胀系数略增大,微观结构的变化是导致材料性能改变的主要原因。     

C／C复合材料的体积密度和石墨化度对硬度的影响

测试了几组典型的不同体积密度和石墨化度的C／C复合材料洛氏硬度值，研究了C／C复合材料的体积密度和石墨化度与其硬度特性的关系．结果表明：相同石墨化度的C／C复合材料洛氏硬度随其体积密度的增加而增加，相同体积密度的C／C复合材料洛氏硬度随其石墨化度的增加而降低；C／C复合材料体积密度对硬度的影响随其石墨化度的增加而减小；对体积密度为1．75-1．85g／cm^3的C／C复合材料，可据其洛氏硬度的范围大致判断其石墨化度的范围；对一定体积密度和热处理温度的C／C复合材料，可通过洛氏硬度判断基体发的微观结构特点．     

液相法制备炭／炭复合材料的显微结构

采用光学显微镜和扫描电子显微镜对用液相法制备的3种单向纤维增强炭／炭复合材料的显微结构进行了观察和分析，这3种炭／炭复合材料分别采用纯沥青作基体和沥青加焦炭粉、树脂加焦炭粉作预浸初基体制得，在热压成形初坯体内，收缩的微裂纹沿纤维轴向与外界相通，可被再浸渍填充，而孔洞则大多与外界隔绝，不能被再浸渍填充，实验结果表明：集炭填充料的添加改变了复合材料的显微结构，可调整炭／炭复合材料的纤料的纤维体积分数，减少气孔的形成，有利于再浸渍致密化；它还扰乱基体状结构组织，导致其焦炭粉颗粒呈紊乱状态。     

放电等离子快速烧结C/BN层状复合材料

采用放电等离子烧结技术（SPS）快速烧结了C／BN层状复合材料，研究了烧结工艺、结构和性能之间的关系。材料的微观结构分析表明，随着温度的升高和保温时间的延长，石墨基体与BN层间的结合逐渐增强；耐热冲击试验表明，在烧结温度1750℃，保温5min左右时，材料可经受40次左右循环；材料的界面结合强度最高可以达到18．2MPa．显示了较好的力学性能。     

炭源对制备炭/炭复合材料微波CVI工艺的影响

以炭毡为预制体,N2为稀释气体,在沉积温度为1 100℃和1 150℃时,研究不同气体前驱体(甲烷和丙烯)对微波热解CVI工艺(MCVI)制备炭/炭复合材料致密化速率和密度均匀性的影响,并观察材料的表面形貌和微观结构,分析MCVI工艺的可行性.结果表明,非极性甲烷更适用于MCVI工艺,预制体可实现从内到外逐步致密,避免了表面结壳现象,提高了致密化速率.采用该工艺,可在30 h内制备密度达1.70 g/cm3以上的炭/炭复合材料.     

热处理对人工心瓣热解炭力学性能的影响

该文通过对化学气相沉积工艺制备的人工心瓣各向同性热解炭材料进行热处理,利用三点弯曲实验,测量材料的杨氏模量和弯曲强度,并在偏光显微镜下观察热处理前后材料抛光表面的微观结构变化。结果表明,各向同性热解炭是一种脆性材料;材料经热处理之后,杨氏模量会略微降低,而弯曲强度则没有明显变化。这种力学性能的变化可能与热处理引起材料内部孔隙结构变化有关。     

氧化镍掺杂酚醛树脂热解炭的结构及抗氧化性研究

在酚醛树脂中直接掺杂三氧化镍粉末,研究氧化镍掺杂量、炭化温度对氧化镍改性树脂热解炭结构和氧化温度的影响。用X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜和综合热分析等手段对氧化镍改性树脂热解炭的石墨化度、显微结构及氧化温度进行表征。结果表明,埋炭条件下掺杂三氧化二镍,450～750℃温度下被逐级还原成一氧化镍和单质镍,其催化热解炭形成晶须、片状或块状结构;氧化镍改性树脂热解炭石墨化度随炭化温度升高和氧化镍掺杂量增加而增高,其氧化温度高于酚醛树脂氧化温度;氧化镍的最佳掺杂量为3%～5%。     

多向编织炭/炭的复合材料烧蚀性能

利用以星型交流电弧加热器为核心的地面模拟系统对三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀行为进行了考核,通过对材料烧蚀表面温度、形貌的在线实时监测及烧蚀后微观结构的观察,研究了该类材料的烧蚀行为.研究发现:三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀是热化学烧蚀和机械剥蚀的综合作用,构件边缘区域以机械剥蚀为主,中心区域表现为热化学烧蚀和机械剥蚀相互耦合,没有明确的分界;基体炭与炭纤维的抗烧蚀性能相差较大,炭纤维的抗热化学烧蚀性能、抗机械剥蚀性能明显高于基体炭,烧蚀后试件烧蚀表面仅剩下凸起的纤维束骨架结构;三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀性能表现出较强的各向异性,在轴向体现为单根纤维失去周围基体支持而发生剥离,抗烧蚀性能相比较好;在径向体现为烧蚀表面脱层,抗烧蚀性能相比较差.     

不同制动速度下针刺毡炭／炭复合材料的磨擦磨损行为

用模拟刹车制动的磨擦试验机,研究了1种针刺毡结构炭／炭复合材料在不同制动速度下的磨擦磨损性能,并在光学显微镜下直接对磨擦表面进行了观察和分析。研究结果表明：在制动速度为5m/s或静态条件下,针刺毡炭／炭复合材料的磨擦因数很低,但在制动速度为10m/s、能量较小时磨擦因数出现了峰值;在制动速度升高到20m/s后,磨擦因数较高且随刹车速度变化趋于稳定,显示出优良的高能高温制动性能;只要制动速度不是极高（如28m/s）,这种材料均具有很好的抗磨损性能,其中磨损量在制动速度为15m/s时达到最大值,该制动速度对应于飞机进出场滑行制动速度;磨擦表面微观结构及氧化状况取决于制动条件的影响,炭磨屑和基体炭在制动过程中会优先氧化。     

炭化温度对木质素导电炭石墨化结构的影响

为了分析和探索导电炭在不同炭化温度下石墨化的特性,以Ni（C4H6O4Ni·4H2O）为催化剂,木质素为原料,催化炭化制备生物质导电炭.通过X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM)和拉曼光谱分析手段对导电炭石墨化结构进行表征.结果表明,当木质素炭化温度为500 ℃时,可能开始出现石墨化现象,温度升高,D峰的半峰宽逐渐减小,两峰积分面积比值R值逐渐减小,石墨化程度更高,结晶更完整.炭化温度在1 100 ℃时,电阻率能达到0078 Ω·cm,石墨化度达到837％.炭化温度越高,导电炭的电阻率越小,层间距越小,石墨状微晶结晶度越高,d002晶面间的层间距越接近石墨d002层间距.     

炭／炭复合材料浸渍用沥青的性能分析

采用高温粘度计、核磁共振（^13C-NMR）、差热／热重（DTG／TG）、光学金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等观察检测手段,对炭／炭（C／C）复合材料浸渍用太钢沥青和武钢沥青的软化点、元素组成、族组成、炭组成、流变性、残炭率、炭化所形成焦炭的形貌及可石墨化性等进行了分析。结果表明：作为C／C复合材料浸渍法生产的原料,在相同处理条件下,太钢沥青的软化点、粘度、残炭率比武钢沥青的高,但其所形成焦炭的石墨化性能比武钢沥青的销差,结构更复杂。     

指尖密封用炭-炭复合材料摩擦磨损性能

为确定指尖密封用炭-炭(炭纤维增强炭基体)复合材料的摩擦学性能,针对指尖密封的轻载使用条件,应用UMT-2摩擦磨损测试仪进行炭-炭复合材料摩擦磨损性能试验,测量摩擦系数与磨损率,并采用扫描电子显微镜(SEM)分析材料的摩擦磨损机理.结果表明,无纬布层垂直于摩擦平面时,材料的摩擦系数和磨损率较低.载荷增加,较高密度材料的磨损率增加缓慢,摩擦系数减小.与载荷相比,材料磨损率受频率的影响较小,且随频率升高摩擦磨损性能越好.磨损表面的SEM分析表明:低频、低载条件下材料发生磨粒磨损;频率的提高加快磨屑膜的成形,自润滑能力增强;载荷的增加虽使磨屑快速被挤压形成磨屑膜,但磨屑膜被不断挤出剥落,纤维裸露断裂产生严重磨损,这一点在材料密度较低时表现更为显著.选用较高密度的材料以及布置无纬布层垂直于摩擦平面可以有效缓解密封材料的磨损.     

涂层在炭—炭复合材料氧化中的保护作用

通过炭-炭复合材料飞机刹车盘氧化保护问题的研究,指出在炭-炭复合材料的氧化保护涂层研制时所应考虑的各种因素。试验结果和实际应用表明,据此研制出的硼玻璃防氧化涂层技术是成功珠。运用这项技术可使炭-炭复合材料基植体在各种条件下的氧化速率降低150～200倍,并且涂层与基体在各种条件下都具有良好的相容性。     

炭／炭复合材料刹车盘

航天动力技术研究院西安超码科技有限公司利用炭／炭复合材料的技术、设备和人才优势,自主开发的B757—200型飞机炭刹车盘,于2004年获得中国民用航空总局颁发的零部件制造人批准书（编号：PMA0044）。由于攻克了整体预制体成型、复合炭基体致密化处理、高温处理、防氧化涂层等技术难题,B757—200型飞机炭刹车盘性能与国外炭刹车盘性能等效,为验证炭刹车盘具有良好的可靠性,公司进行了115％能量的中止起飞动力试验和高速变压等多项试验。     

废轮胎真空热解炭活化制取多孔活性炭研究

热解炭黑（Pyrolytic carbon black，CBp）是废轮胎热解的重要产物之一。以CO2气体作为活化剂对废轮胎真空热解炭黑进行了活化制取活性炭的实验研究。在活化温度800—950℃、活化时间为60—300min、活化剂流量为50-120mL／min的实验范围内，活化温度越高，活化反应时间越长，热解炭的烧失率越高，所得活性炭的比表面积也越大，最高BET比表面积可达664．9m^2／g，孔径以分布在20—40n／n之间为主。体现了废轮胎真空热解炭在后续深加工利用上的优势。