碳纤维上原位生长碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响

以碳毡为基底原位生长了碳纳米管（CNTs）,借助化学气相渗透制备了CNTs-C/C复合材料。研究了催化剂含量对碳纳米管生长的影响以及不同含量碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响。结果表明：催化剂对CNTs产量影响较大,且含量越多,生成的CNTs量越大;原位生长CNTs引入的催化剂会导致CNTs-C/C复合材料弯曲性能变差;CNTs的加入改变了热解碳的沉积行为,诱导了球状和锥状小尺寸热解碳的形成,减少了微裂纹的出现。适量CNTs能提高C/C复合材料的弯曲强度和模量,并改善材料的断裂行为。     

电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能

采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs), 借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体, 制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明: EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征, 该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率, 诱导了高石墨微晶堆垛高度(L_c)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(L_a)热解炭的形成; EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量: 当CNTs含量为0.74wt%时, 复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa, 比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%; 继续提高CNTs含量, 复合材料弯曲强度降低, 这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关; 同时, EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂, 复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。     

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。     

循环加载周期对二维C/C复合材料弯曲疲劳强度的影响

采用频率为10 Hz、 应力比为0.1的正弦波研究了室温下循环次数对二维炭毡C/C复合材料(2D炭毡C/C复合材料)的弯曲疲劳强度的影响, 并利用偏光显微镜和扫描电子显微镜对该材料的热解碳组织形貌以及疲劳前后的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明, 2D炭毡C/C复合材料的热解碳结构由光滑层和各向同性层组成, 其疲劳极限为76.5 MPa, 是静态弯曲强度的90%。在不同循环周次的疲劳载荷作用后, 材料的剩余弯曲强度和韧性都得到了提高。在疲劳加载过程中, 纤维/基体的界面结合强度发生弱化, 纤维的协同承载能力得到提高, 使C/C复合材料出现了疲劳强化现象。      

粗糙层组织结构2D-C/C复合材料的制备及特性

在沉积温度为1080-1200℃、沉积总压力为10 kPa和气体滞留时间为0.01 s的条件下,以天然气为碳源,以氮气为载气,使用新型ICVI工艺对预制体初始密度为0.43 g/cm3(纤维体积分数25%)的2D针刺整体炭毡进行致密化,在150 h内制备出表观密度为1.75 g/cm3的C/C复合材料.用偏光显微镜和高分辨扫描电镜观察了热解碳基体的微观组织结构,分析了三点弯曲试样的断口形貌.结果表明:制备的C/C复合材料具有粗糙层(RL)组织结构,试样的弯曲强度为164.77 Mpa、模量为21.34 Gpa,表现为阶梯式失效,断裂行为呈现出明显的假塑性.     

乙醇热解制备炭/炭复合材料工艺探索及组织特征

以密度0.47g/cm³的碳毡为预制体,乙醇为前驱体,氮气为载气,在1125℃,压力为20kPa的条件下,用等温压力梯度化学气相渗透法,经114h致密化,制备出密度为1.67g/cm³的炭/炭复合材料.经测试,材料的弯曲强度为137MPa.偏光显微分析显示：该材料各区域沉积的基体热解碳组织结构均为高织构,其消光角为19.5°～20.5°,石墨化处理后测得热解碳的d₀₀₂为0.3362nm.断口扫描电子显微分析结果也进一步证实获得的热解碳组织为高织构.表明乙醇是一种极具潜力的制备炭/炭复合材料的前驱体.     

Fe催化PAN炭纤维原位生长纳米炭纤维

为了研究气相生长纳米炭纤维在炭／炭复合材料制备中的应用，采用均热式化学气相沉积技术，以针刺PAN炭纤维薄毡为基体，二茂铁为催化剂前驱体，丙烯为炭源，氮气为载气，在炉压1．0kPa-1.3kPa，沉积温度880℃、920℃下进行了Fe催化PAN炭纤维原位生长纳米炭纤维的实验。经不同时间沉积后的样品在扫描电镜（SEM）下进行观察，发现880℃时沉积4h后在PAN炭纤维周围生成大量的原位生长纳米炭纤维，而在920℃时因催化剂失效导致热解炭对Fe催化剂颗粒包覆，形成颗粒状热解炭。     

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。     

碳源组成对化学气相渗透C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响

为分析碳源在化学气相渗透过程中的沉积机制,以碳纤维针刺整体毡为预制体,添加丙烯（C₃H₆）的天然气混合气体为碳源,研究了碳源组成对C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响。结果表明:相比于以天然气为碳源,以添加了适当比例C₃H₆的天然气为碳源,可有效提高C/C复合材料的致密化速率及密度分布均匀性;同时,有利于生成高织构的热解炭。最优条件（9vol% C₃H₆）下沉积100 h后,C/C复合材料的密度和径向密度偏差分别为1.40 g/cm3和0.04 g/cm3,热解炭为均一的粗糙层结构,石墨化度高;而以天然气作碳源时,密度和径向密度偏差分别为1.17 g/cm3和0.07 g/cm3,热解炭为二元带状结构,石墨化度较低;当C₃H₆比例增加到17vol%时,其密度和径向密度偏差分别为1.28 g/cm3和0.10 g/cm3,密度及密度分布均匀性较最优条件下制备的复合材料明显降低。      

2D C/C复合材料微观结构与力学性能的研究

采用等温化学气相渗透方法,通过调整沉积工艺,制备了具有不同微观组织结构的2D C/C复合材料.利用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)结合选区电子衍射(SAED),研究了热解炭基体微观组织结构,借助万能试验机测试了材料的三点弯曲性能.结果表明:层状高织构(HT)热解炭基体占优时C/C复合材料表现为假塑性断裂;扁平片状中织构(MT)热解炭与颗粒状各向同性层热解炭(ISO)有利于提高材料的弯曲强度;HT基体与炭纤维界面结合良好,界面处不存在非HT织构,但取向角(OA)略有增大.     

耦合物理场CVI制备炭/炭复合材料及其机理

用液化石油气作碳源、炭毡作增强体,在坯体中埋置导电层诱导产生温度场和电磁场梯度,在自行设计的多元耦合物理场CVI炉中制备C/C复合材料,用偏光显微镜观察热解炭的显微结构,用XRD表征了材料的石墨化度和微晶尺寸等结构参数,所有样品均为一次性沉积所得,其增密曲线是采用把坯体密度与在线电阻进行拟合所得.研究了沉积温度、碳源气体分压对增密速度和材料结构的影响;并对物理场的耦合机理和热解炭的沉积机理作了探讨.研究表明,多元耦合物理场CVI工艺增密速度快,沉积20h,试样的密度达到1.71g/cm³;除了能获得中等织构的光滑层(SL)和带状结构的热解炭,还可获得高织构的粗糙层结构(RL)热解炭,在2300℃、2h热处理后,其石墨化度达到77%以上.     

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。     

TiB2颗粒增强反应结合B4C陶瓷的显微结构与性能

以微孔碳、颗粒级配碳化硼粉体、钛粉和硅粉为原料, 通过多孔预制体真空熔渗Si工艺制备了硼化钛颗粒增强的反应结合碳化硼复相陶瓷, 并通过X射线衍射、扫描电子显微镜、EDS能谱和透射电子显微镜对复合材料的显微结构进行表征。结果表明: 在预制体中钛为15wt%时, 所制备的复相陶瓷抗弯强度和断裂韧性分别为313 MPa和5.40 MPa•m^1/2。原位反应生成的硼化钛对材料的增韧补强起到了积极的作用。     

C/C坯体密度对2D C_f/SiC复合材料结构和性能的影响

通过理论计算,探究C_f/SiC复合材料密度与C/C坯体密度的相关性;而后采用碳纤维布叠层制作2D C/C坯体,经先驱体浸渍裂解工艺增密,制得密度分别为0.98、1.06、1.12g/cm~3的C/C坯体,通过液相渗硅法反应合成2DC_f/SiC复合材料,探究C/C坯体密度对其结构和性能的影响。与理论计算结果来对比。研究结果表明:试验结果与理论数学计算结果基本一致。随着C/C坯体密度的增加,C_f/SiC复合材料的密度出现先上升后下降的趋势,当C/C坯体密度大于0.98g/cm~3后,复合材料的弯曲强度随着C/C坯体密度的增加而降低,C/C坯体密度为0.98g/cm~3时,2DC_f/SiC复合材料结构和性能较优。     

CVI-iC/TaC改性C/C复合材料的力学性能及其断裂行为

以针刺碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透工艺对预制体纤维进行PyC/SiC/TaC的多层复合模式的涂层改性, 然后采用化学气相渗透和热固性树脂浸渍-化进行增密,制备出新型C/C复合材料。对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:包覆在碳纤维表面的PyC/SiC/TaC多层结构均匀致密、无裂纹,在C/C复合材料中形成空间管状网络结构;改性后C/C复合材料的抗弯强度和韧性均大大提高, 平均抗弯强度达到522 MPa,断裂位移达到1.19mm;复合材料弯曲断裂形式表现为脆性断裂,经过2000℃高温热处理以后,复合材料的抗弯强度下降,但最大断裂位移增大,弯曲断裂形式由脆性断裂转变为良好的假塑性断裂。      

前驱体对C/C复合材料的致密化和性能的影响

研究了分别以甲烷和丙烯为前驱体对制备C/C复合材料的新型ICVI工艺致密化速率及组织结构和力学性能的影响.考察了密度与致密化时间之间的变化规律和密度分布,采用偏光显微镜和扫描电镜观察材料的组织结构和试样的断口形貌,利用三点弯曲实验测定材料的弯曲强度.实验结果表明:在致密化时间100h前,以甲烷为前驱体,C/C复合材料的致密化速率比丙烯为前驱体时低,100h后致密化速率发生逆转;以甲烷为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度小,组织结构为粗糙层,弯曲强度为250.87MPa,模量为29.29GPa;而以丙烯为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度大,组织结构为光滑层,弯曲强度为102.75MPa,模量为11.42GPa.因此,相对而言甲烷作为制备C/C复合材料的前驱体优于丙烯.