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。     

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。     

热处理温度对炭／炭复合材料性能的影响

对同一种炭／炭复合材料，经过不同温度的最终热处理后的微观结构、石墨化度和抗弯强度进行了对比研究．研究结果表明：随着最终热处理温度的升高，在偏振光下，易石墨化的热解炭光学活性增强，而难石墨化的热解炭微观结构几乎没有变化；炭／炭复合材料的晶粒逐渐长大，层面间距逐渐缩小，石墨化度有较大幅度的提高；同时，由于基体炭与炭纤堆的热膨胀系数存在差别，随着热处理温度的升高，基体与增强纤维的的结合强度降低，使炭／炭复合材料的抗弯强度降低，但材料的应变性增强，材料的断裂形式由脆断转为假塑性断裂.     

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。     

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。     

复合改性炭沥青稳定性研究

将两种软化剂分别掺入煤沥青,制得软化煤沥青,再与石油沥青混合,经SBS改性后得到复合改性炭沥青。采用四组分分析法和胶体不稳定指数（IC）研究复合改性炭沥青的胶体稳定性。结果表明,加入适量的软化煤沥青能够增加复合改性炭沥青中沥青质含量,减少饱和分含量,同时达到调节芳香分和胶质含量的作用,使复合改性炭沥青的四组分含量分布合理。所制复合改性炭沥青的IC值较低,胶体体系稳定。     

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。     

SBS和EVA对炭沥青的改性研究

采用SBS和EVA对路用煤-石油基混合沥青进行改性处理，对SBS和EVA引起的炭沥青改性效果进行了研究。结果表明，SBS改性后的炭沥青具有更好的高温抗丰辙、低温抗裂性能和感温性能，采用4．5％～6％的SBS改性炭沥青（软化煤沥青比例为15％），所得性能最优。     

XRD测定炭素材料的石墨化度

研究了用X射线衍射（XRD）测定炭素材料石墨化度的原理和方法,指出其本质是精确测定炭石墨六方晶格的C轴点阵常数值,为此,用高纯硅粉作内标以校准测量误差。为提高测量精度,选用高角度的C（004）－Si(311)衍射线对;当试样的石墨化度较低时,因C（004)衍射线强度太小,选用C（002）－Si(331)线对。将它们分别进行Kal,Ka2双线分离处理后,以Ka1峰的半高宽之中心点定峰位并据此计算石墨化度。实验结果表明：在碳／碳复合材料中,由于采用了多种原材料,经高温热处理后形成石墨化的程度不尽相同,即试样中含有不同石墨化度的组分,致使炭石墨的衍射线呈现明显的不对称性,此时必须进行多重峰分离处理,分离出的子峰通学无需再进行双线分离,即可直接用来计算各组分的石墨化度;由各子峰的积分强度可计算不同石墨化度组分的相对含量,以此进行权重计算所得的平均石墨化度更合理地反映了试样内部石墨化度的实际情况。     

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。     

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。     

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.     

对叔丁基苯甲醛改性沥青性能研究

以中温煤沥青为基质沥青、对叔丁基苯甲醛为改性剂和对甲苯磺酸为催化剂,采用化学交联-减压蒸馏法分别在Ar气氛和减压环境下对中温煤沥青进行改性,并考察反应条件对沥青的软化点和残炭率等性能的影响。结果表明,改性沥青性能受改性剂的加入量、反应温度、反应时间和反应压力影响较大。在改性剂与煤沥青质量比为0．2、催化剂加入量为5％时,在反应温度为180℃以及20kPa×8h条件下,制得软化点高达151．5℃、残炭率为75％的优质沥青。     

一种新型多孔炭材料研制成功

中周科学院金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部与澳大利亚昆士兰大学合作,在国家自然科学基金委的支持下,研制成功一种局域石墨化三维层次多孔结构的新型多孔炭材料。该材料在高倍率条件下具有很高的能量密度和功率密度,可用作超级电容器的电极材料。     

沥青基C／C复合材料的致密规律

对采用液相浸渍－碳化工艺、在不同碳化压力条件下（0．1MPa、40MPa、80MPa和100MPa)制备的2D沥青基C／C复合材料的致密规律进行了研究,发现制件密度与浸渍－碳化工艺循环次数联系,并提出了复合材料密度变化规律的数学表达式,该表达式可以用来对复合材料制作的密度进行预测,并可为C／C复合材料制备试验方案的可行性分析与制订提供理论依据。     

C／C复合材料的浸涂抗氧化性能

采用不同浸渍工艺浸涂C／C复合材料，研究了不同浸渍剂渍后试样的抗氧化效果，以及常压浸渍和抽真空－加压浸渍对C／C复合材料抗氧化性能的影响，研究结果表明，材料浸渍磷酸盐后其抗氧化性能可得到明显改善，用磷酸盐加压浸渍是提高C／C复合材料抗氧化性能的一种有效途径；常压浸渍处理时，在所使用的3种浸渍溶液（A溶液、Z溶液、M溶液）中，经Z溶液处理的试样其抗氧化性最好，浸渍了A溶液，Z溶液的试样的氧化失重曲线，其最佳抽真空－加压浸渍压力分别为0．8，1．2MPa.     

添加难熔金属碳化物提高C/C复合材料抗烧蚀性能的研究

高性能固体火箭发动机（SRM）对喉衬材料的烧蚀率提出了更高的要求,传统的炭／炭（C／C）材料有待于进一步发展,讨论了含有难熔金属碳化物（ZrC,TaC) 的多元基体C／C复合材料及其耐烧蚀性能,通过微观结构分析,探讨该种材料抗烧蚀性能提高的机理,展示了这种材料作为高温烧蚀材料的良好前景。     

生物质炭添加比例对煤粉燃烧性能的影响

农业废弃物含有较高的C元素和较低的S元素及灰分,将这类生物质炭化并细磨后,与煤粉混合喷吹进入高炉燃烧,可有效利用可再生能源,减少炼铁工业的CO_2排放,且有利于提高生铁质量,并显著提高煤粉的燃烧率。因此,对玉米秸秆和花生壳热解产物进行了表征分析,采用差热分析法研究这两种生物质炭与煤粉按不同配比混合对煤粉燃烧性能的影响。SEM及BET检测结果均表明,玉米秸秆炭和花生壳炭的组织疏松,比表面积大,硫与灰分含量低,可明显增大试样与氧的接触面积;热重试验结果表明,生物质炭与煤粉按3∶7的质量比混合的燃烧性能最好,着火点明显降低,燃烧过程稳定,燃烧率显著提高。     

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.