CVD热解炭的结构、生长特征及可石墨化性

采用TEM表征结构、喇曼光谱表征石墨化度,研究了C/C复合材料中典型粗糙层(RL)和光滑层(SL)结构热解炭生长特征及其与可石墨化性之间的对应关系.结果表明,RL为层状结构,片层呈平直形状,有明显的锥状生长特征,同一锥面中石墨微晶c轴的取向基本相同,相邻锥面中的相差一个小角度,SL没有明显的生长特征;RL比SL结构热解炭容易石墨化,经2400℃石墨化处理后,两者(002)衍射弧宽度分别为39°和66°,对应的石墨化度分别为87.6％和25.6％.提出了一种RL结构热解炭锥状生长结构模型.     

C/C复合材料显微结构的微米、纳米尺度研究

利用扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜以及拉曼光谱对化学气相渗透C/C复合材料的形貌特征、显微结构以及石墨化度进行了系统表征.结果表明,热解炭是由厚度在几十到几百纳米的片层结构组成,这些片层结构围绕炭纤维呈层状排列;热解炭为粗糙层结构,在离子束的轰击下很容易撕裂和扭折.炭纤维/热解炭界面上存在一个宽度大约为15nm的无序区,该区域的形成可能与热解炭的沉积工艺有关.炭纤维和热解炭的石墨化度均很低,热解炭的R(R=ID/IG D')值由内层到外层逐渐降低.     

C/C复合材料石墨化度的喇曼光谱表征

采用显微激光喇曼光谱及XRD测量、表征了C/C复合材料中炭纤维、沥青炭及CVD热解炭经不同温度石墨化处理后的结构参数.结果表明:在3种炭材料的喇曼图谱上都有2个散射强度峰-D峰和G峰,峰位分别位于喇曼位移约1333及1584cm^-1处,随石墨化处理温度改变,2峰峰位没有变化,但2峰相对强度却发生变化.将D峰相对于G峰的强度R的倒数R^-1与XRD法得到的石墨化度g比照,发现2者存在一一对应关系,符合公式:g=1-exp[-2.11(R^-1-0.34)].     

热解炭结构对C/C复合材料烧蚀性能的影响

采用电弧驻点烧蚀试验方法测试了具有典型光滑层和粗糙层热解炭结构的两种C/C复合材料的烧蚀率,研究了热解炭结构对C/C复合材料烧蚀性能的影响.结果表明:热解炭结构对C/C复合材料烧蚀性能有较大的影响.具有粗糙层结构的C/C复合材料石墨化度高,不同炭结构之间结合好,线烧蚀率和质量烧蚀率较小,烧蚀性能较好;具有光滑层结构的C/C复合材料石墨化度低,烧蚀性能较差.     

C/C复合材料不同基体炭的微观结构

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪对C/C复合材料不同基体炭的微观结构进行了研究。结果表明:不同基体炭在偏光显微镜下呈现出不同的光学活性度,其平均光学活性度依次由普通沥青炭、热解炭的光滑层、热解炭的粗糙层、中间相沥青炭逐渐增强;在SEM下,普通沥青以"葡萄状"结构为主,热解炭分为块状和"皱褶状"片层状结构,中间相沥青炭为形状各异的片层条带状结构;在HRTEM下,中间相沥青炭的晶格条纹排列规整,是一种长程有序的晶体结构,晶化程度很高。XRD分析表明,材料B(中间相沥青基C/C复合材料)的石墨化度最高,层间距最小,材料D(热解炭基C/C复合材料)次之。     

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。     

炭布叠层/热解炭复合材料导热系数与石墨化度的关系

采用脉冲激光闪光法和XRD，分析了一种炭布叠层／粗糙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，并运用声子导热机制对其机理进行了探讨。结果表明，复合材料在平行于层面方向的室温导热系数约为垂直方向的2倍，但均随石墨化度的升高、石墨微晶尺寸的增大而逐渐升高．两个方向导热系数与石墨化度之间关系可分别表示为：λ=31．22 8．62exp(g／27．10)及λ=6．08 892exn(g／33.99)。     

不同纤维体积分数CVI 炭/ 炭复合材料的石墨化度

为确定不同纤维体积分数的化学气相浸渗(CVI) C/ C 复合材料的最佳热处理工艺, 以40 %、30 %、25 %三种不同纤维体积分数的针刺整体毡为坯体, 经三次CVI 后制得C/ C 复合材料, 采用X射线衍射和拉曼光谱微区分析测试了三种不同纤维体积分数的CVI C/ C 复合材料试样未经热处理及经2200 ℃、2400 ℃热处理下宏观和微区石墨化度。结果表明: 三次CVI 热解炭均为光滑层结构, 且纤维体积分数越高, C/ C 复合材料的石墨化度也越高;纤维与光滑层热解炭界面及两种不同热解炭界面在高温热处理时会发生应力石墨化, 应力石墨化程度前者大于后者, 这是纤维体积分数高的C/ C 复合材料石墨化度高的原因; 热处理温度越高, 应力石墨化程度越大。      

纤维种类对炭/炭复合材料微观结构和力学性能的影响(英文)

采用6 K的预氧丝和炭纤维制备预制体,通过化学气相渗积制备炭/炭复合材料。通过偏光显微镜、拉曼光谱、纳米硬度和三点弯曲等手段研究其微观结构和力学性能。结果表明,预氧丝复合材料的基体为暗层和粗糙层炭,厚度分别为1.4-2.6μm和10.2-11.6μm;而炭纤维复合材料的基体为光滑层和粗糙层炭,厚度分别为8μm和4.4μm;预氧丝纤维的模量和硬度明显小于炭纤维,同时基体的模量和硬度随消光角的增加而降低;低模量的基体和纤维导致预氧丝复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和模量分别降低了14.5%-24.2%、9.7%-19.8%、7.3%-15.4%和15.1%-18.6%;但其韧性指数却提高了224%-235%,这是高含量的粗糙层炭和纤维的石墨化收缩所致;同时提出了一个三单元复合模型用来模拟复合材料的拉伸模量,模拟误差小于9.9%。     

定向碳纳米管/炭纳米复合材料形貌和显微结构

以CVD法定向碳纳米管(ACNTs)阵列为骨架,利用化学气相渗透(CVI)工艺制备了新型定向碳纳米管/炭(ACNT/C)纳米复合材料。通过偏光金相显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)和Raman光谱等分析方法对其显微结构和热解炭沉积机理进行了研究。结果表明:所制ACNT/C纳米复合材料的热解炭结构主要为类粗糙层结构,围绕碳纳米管生长的热解炭石墨层片结构清晰,并且碳纳米管和热解炭之间具有良好的界面结合;而在相同工艺条件下围绕炭纤维生长的热解炭为典型的光滑层结构。这可能是由于在热解炭沉积过程中存在碳纳米管"诱导"沉积过程,即沿着碳纳米管径向的离域化共轭π键和具有类似结构的芳香族大分子通过π-π非共价键作用相结合,并在CNTs纳米尺寸的影响下,芳香族大分子按照"软取向"(Softepitaxy)围绕碳纳米管生成环形层片状类石墨结构的热解炭。该研究结果有望为热解炭的可控沉积起到一定的借鉴作用。     

C/C复合材料石墨化度P1模型的表征及测定

C/C复合材料的石墨化度反映了材料中碳结构与理想石墨晶体结构的接近程度,并且是影响其性能的一个重要结构参数,石墨化度P1是一种能够比较准确地表示碳材料石墨程度结构的参数,本文利用P1的基本原理,编制了相应的计算程序,通过X光衍射（XRD）分析,计算了不同热处理温度C／C复合材料石墨化度P1,结果表明它可以较好的表征C／C复合材料的石墨化程度,并进一步讨论了热处理温度（HTT）与石墨化度的关系。     

C/C复合材料与石墨材料干态摩擦磨损行为

在M-2000型摩擦磨损实验机上,以GCr15钢为配副,对石墨材料和C/C复合材料在干态条件下的滑动摩擦进行研究。结果表明:C/C复合材料的摩擦系数和体积磨损均比石墨材料的低。具有光滑层炭结构 (SL) 的C/C复合材料的摩擦系数和体积磨损量比具有粗糙层结构 (RL) 的C/C复合材料低;低密度石墨的摩擦系数和体积磨损量比高密度石墨材料高。随时间延长,RL结构的C/C复合材料摩擦系数在60、80、200 N时有小幅度的增长,另三种则下降; SL结构的C/C复合材料摩擦系数除60 N外基本保持平稳;石墨材料的摩擦系数随时间延长表现出增长趋势。SEM观察表明: RL结构的C/C复合材料摩擦表面随载荷增加而趋向完整,SL结构的C/C复合材料的摩擦表面随载荷增加变化不大。而高密度石墨摩擦表面比密度低的石墨完整。C/C复合材料比石墨更适宜用作航空发动机轴间密封材料。      

短切纤维炭/炭复合材料磁电阻特性研究

研究了经不同温度下热处理后短切纤维模压预制体炭／炭复合材料样品的磁电阻特性。研究结果表明C／C复合材料的磁电阻一位向关系曲线的形状与C／C预制体结构有关，不同预制体结构的材料，磁电阻一位向关系曲线形状不同。C／C复合材料出现磁电阻恒为0的起始温度与材料的石墨化特性有很大关系。石墨化程度越高，材料的磁电阻越大，磁电阻达到0时的测量温度越高。研究发现，磁电阻一测量温度曲线回归方程的斜率随热处理温度的增加而降低，且斜率-热处理温度的变化曲线与材料d002随热处理温度的变化曲线形状类似。     

热处理对含CSiCTaCC界面C/C复合材料力学性能的影响

以准三维针刺炭纤维毡为预制体, 采用化学气相渗透工艺在预制体中炭纤维/基体炭之间制备C-SiC-TaC-C复合界面, 利用树脂浸渍-炭化工艺对材料进一步增密, 获得含C-SiC-TaC-C界面的C/C复合材料。研究了1400～2500℃不同温度热处理前后复合材料的微观结构和力学性能。结果表明: 热处理前, SiC-TaC界面为管状结构, 复合材料的抗弯强度为241.6 MPa, 以脆性断裂为主; 经1400～1800℃热处理后, TaC界面破坏呈颗粒状, 复合材料的平均抗弯强度下降到238.9～226.1 MPa, 其断裂方式不变, 但断裂位移由0.7 mm增至1.0 mm; 经2000～2500℃热处理后, SiC、 TaC界面均受到破坏, 复合材料平均抗弯强度急剧下降至158.7～131.8 MPa, 断裂方式由脆性断裂转变为假塑性断裂。      

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)。     

Microstructure and thermal conductivity of carbon/carbon composites containing zirconium carbide

Carbon/carbon (C/C) composites containing zirconium carbide (ZrC) were prepared by a novel method. Carbon fiber felt with addition of zirconia was prepared by a microwave-hydrothermal reaction, followed by densification and graphitization. The crystalline structure of the pyrolytic carbon and morphology of the composites were investigated by X-ray diffraction, Raman spectrascope, polarized light microscope, and scanning electron microscopy. Results show that the ZrC grains with sub-micron size present a homogeneous distribution in carbon matrix. The degree of order of the pyrolytic carbon matrix is decreased due to adding ZrC into the C/C composites. Graphitization degree of the C/C composites is decreased by the addition of ZrC. ZrC grains uniformly embedded in the pyrolytic carbon matrix act as pinning particles blocking the conversion of disordered to ordered structure during graphitization. Thermal conductivity is higher in the C/C composites containing ZrC, which is attributed to the increased phonon-defect interaction produced by the thermal motion of the CO in the micropores and gaps of the composites.     

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.