沥青基C/C复合材料的致密效率研究

以高温煤沥青为浸渍剂,国产PAN基炭纤维编织的轴棒法预制体为增强材料,采用浸渍炭化致密工艺制备了沥青基炭/炭(C/C)复合材料,考察不同制备步骤下预制体致密效率的变化情况,并用扫描电子显微镜观察了C/C复合材料及基体炭的微观形貌。研究表明,随循环次数的增多,材料密度逐渐增大,密度增量逐渐减小;中间石墨化处理略微降低材料的密度,但材料的最终密度可大于1.90g/cm3。通过显微镜发现沥青基C/C复合材料内部在微观上仍存在少量裂纹和孔隙,基体炭的形态主要有区域型、流线型和镶嵌型。     

由炭布制备C／C复合材料工艺及性能的研究

为通过快速增密和低设备成本降低C／C复合材料的成本,采用中压浸渍、炭化多次循环的工艺制备了快速增密的C／C复合材料。该工艺以Z向增强的层叠炭布为增强体,不同软化点的中间相沥青和改性沥青为浸渍剂。考察了浸渍工艺,并研究了所得C／C复合材料的力学性能和断裂形貌。结果表明,中间相沥青及改性沥青等高残炭收率沥青是C／C复合材料极佳的浸渍剂,有利于快速增密。8次循环后（约2周时间）,复合材料的密度从0.84g/cm^3增至1.76g/cm^3。炭布层叠Z向增强的C／C复合材料有良好的力学性能,而且其性能随着密度的增加而提高。所得复合材料的密度达到1.76g/cm^3时,拉伸强度为87.03MPa,弯强为113.56MPa,压缩强度为199.49MPa。     

C/C泡沫预制体液相硅浸渗制备C/SiC复合材料研究

以中间相沥青浸渍整体碳毡发泡技术制备的一种新型多孔C/C泡沫复合材料为预制体,通过液相硅浸渗(LSI)工艺制备了C/SiC复合材料,研究了预制体不同孔隙率对Si浸渗及C/SiC复合材料力学性能和微观形貌的影响,分析了复合材料的物相组成和晶体结构.结果表明,采用发泡技术可以快速有效地实现C/C预制体的致密化处理.预制体孔隙率为65.41%时液相硅浸渗处理后所得复合材料性能最好,密度为2.64g/cm3,弯曲强度为137MPa,弹性模量为150GPa.纤维未作表面抗硅化涂层处理以及复合材料中存在闭孔是C/SiC复合材料性能不佳的主要原因.     

新技术制备 C/C复合材料及特性研究

为了提高传统等温化学气相渗透（ICVI）工艺的致密化效率，降低C／C复合材料生产成本，本文通过减小预制体周围气体流动空间，将传统负压ICVI工艺加以改进．采用改进后的新型ICVI工艺，在沉积温度1100℃、沉积压力为常压和滞留时间为0．1s的实验条件下，以甲烷为前驱体，氮气为稀释气体，对纤维体积分数为28．7％的2D针刺炭毡预制体进行致密化研究，采用偏光显微镜观察所制试样的组织结构，测定了其三点弯曲强度，并利用SEM观察断面形貌．结果表明：125h制备出密度为1．73g／cm^3且密度分布均匀的C／C复合材料．试样的组织结构为粗糙层，弯曲强度为250．87MPa，模量为29．29GPa，断裂行为呈现明显假塑性．     

煤焦油沥青对炭／炭复合材料成型和性能的影响

煤焦油沥青对炭／炭复合材料成型和性能的影响０引言用高压、高温浸渍工艺生产沥青基炭／炭复合材料减少了致密化循环次数，也提高了复合材料的最终密度。炭基体的微观结构极大地影响着复合材料的最终性能。反过来炭基体的微观结构又受到沥青前驱体物理—化学特性的影响。...     

增强毡C/C复合材料的结构和性能

设计了两种不同结构的预制体,即碳布 碳毡(1#预制体)、无纬布 碳毡(2#预制体),经化学气相沉积(CVD)与浸渍树脂相结合的致密化工艺制备出了高密度的增强毡C/C复合材料.结果表明:1#、2#预制体制备的C/C材料表现出了良好的力学性能,其拉伸强度分别达61.25MPa和53.12MPa,其中2#材料的拉伸破坏表现出了假塑性.结合材料的微观形貌研究了预制体结构、界面对C/C复合材料拉伸性能的影响.     

薄膜沸腾CVI双热源加热法制备C/C复合材料及其致密化特性

采用薄膜沸腾CVI以双热源加热的方法在900~1200℃下热解二甲苯前驱体增密二维针刺炭毡预制体,30~35h内制备出密度1.70g/cm3~1.73 g/cm3的C/C复合材料。研究致密化过程中热解炭基体的沉积速率变化规律,应用排水法和偏光显微镜分别测试材料的密度及热解炭层的厚度。结果表明,当沉积温度由900~1000℃升高至1100~1200℃时,沉积前沿的厚度拓宽,热解炭的初始沉积速率增大,但高沉积温度下预制体边缘将优先完成致密化,导致材料的平均密度由1.72~1.73g/cm3降低至1.70,致密化均匀性变差,材料轴向和径向方向的密度偏差高于0.04g/cm3。上热源开多个轴向通孔可使沉积前沿的厚度减小,前驱体在预制体内的传输效率提高,进而改善较高沉积温度下材料的致密化效果。     

前驱体对CVI制备C/C复合材料的影响

分别以天然气和丙烯为前驱体制备了C/C复合材料.考察了密度和密度分布,借助偏光显微镜观察了沉积炭的显微结构,研究表明,天然气制备的C/C复合材料的密度大于丙烯制备的C/C复合材料的密度;在前60h以天然气为前驱体时C/C复合材料的致密化速率比以丙烯为前驱体时低,60h后致密化速率发生逆转;以天然气为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度小,结构为单一的粗糙层;而以丙烯为前驱体所得C/C复合材料的密度梯度大,结构为光滑层.     

短切炭纤维的表面处理对沥青基C／C复合材料性能的影响

采用模压半炭化成型工艺,在大气环境下制备了短切炭纤维增强的沥青基C／C炭复合材料。借助材料万能试验机和扫描电镜研究了短切炭纤维的表面处理对C／C复合材料体积密度和抗压强度的影响。结果表明：随着短切炭纤维表面处理强度的增大,C／C复合材料的抗压强度明显提高。用联合处理方法改性的短切炭纤维制备的C／C复合材料的抗压强度,比未处理的短切炭纤维增强的C／C复合材料的抗压强度,约提高了138．5％。     

CVI法制备2D C/C复合材料

采用预制体直接加热模式的CVI工艺在25．5h内制备出24mm厚的2DC／C复合材料，分析了该工艺快速致密的机理，并观察和测试了材料的微观结构和力学性能。结果表明：该工艺能在较短时间内制备出结构均匀、力学性能较好的C／C复合材料，是一种制备C／C复合材料较为理想的工艺。其快速致密机理可认为：自由基磁吸引作用、自由基电沉积作用和自由基脱氢聚合三个方面。     

催化化学气相渗透法制备C/C复合材料

为了提高基体炭的沉积效率和抗氧化性能，采用常规化学气相渗透法催化制备C／C复合材料。研究了Ni／ZSM-5负载型催化剂对热解炭的致密化速率和性能的影响，并借助偏光显微镜（PLM）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射法（XRD）表征了热解炭微观结构。结果表明：在添加Ni／ZSM-5的炭布预制体中，热解炭有较快的沉积速率，其微观结构和抗氧化性能均与催化剂有关。     

C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备及性能的影响

以准三维针刺碳纤维预制体,经化学气相渗透(CVI)法制备了4种密度的C/C多孔体,利用先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备和最终性能的影响。结果表明:C/C多孔体密度越低,最终得到的C/C-SiC复合材料开孔隙率及SiC含量较高。SiC的存在使C/C-SiC材料具有较高的弯曲强度,纤维和基体界面也是影响弯曲强度的关键因素,其中密度为1.35g/cm3的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料纤维和基体之间形成较好的结合界面,其弯曲强度最大。同时,SiC含量增加可显著提高C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。     

密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70g/cm~3、1.82g/cm~3、1.89g/cm~3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能。结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低。当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高。材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势。材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数。材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大。热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82g/cm~3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力。在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计。     

氧化处理对MCMB为基体的C/C复合材料性能的影响

以自烧结性中间相沥青炭微球(MCMB)为基体,以沥青基磨碎炭纤维为增强体,采用简单的氧化处理、混合、热压成型、炭化等工艺一步制备C/C复合材料。研究了MCMB氧化处理深度对C/C复合材料的密度、失重、体积收缩率、弯曲强度及断面形态的影响。结果表明:C/C复合材料的密度和体积收缩率均较无炭纤维添加的炭块有所下降,当添加的炭纤维氧化程度足够深时,炭材料的抗弯强度得到明显提高;随着MCMB氧化时间的延长,C/C复合材料的断面逐渐变得平整;经250℃氧化60 min的MCMB与硝酸90℃氧化10h的炭纤维混合,热压成型后1000℃炭化1h得到的C/C复合材料的密度可达1.64 g/cm3,抗弯强度可达72.0 MPa。与现行的制备C/C复合材料的方法相比,本技术具有工艺简单、制备成本低廉等特点,是一种具有很大发展潜力的制备高性能C/C复合材料的新方法。      

密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70 g/cm3、1.82 g/cm3、1.89 g/cm3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能.结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低.当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高.材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势.材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数.材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大.热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82 g/cm3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力.在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计.     

煤油蒸气为前驱体热梯度CVI法制备C/C复合材料

以炭毡为预制体,煤油蒸气为前驱体,利用两个热源分别加热预制体的上下表面,形成两个热梯度和双沉积面,第三个热源加热前驱体保证反应气体的供给,采用这种改进的化学液相气化渗入法快速制备了炭/炭(C/C)复合材料.对C/C复合材料的密度和气孔率进行了表征,并通过XRD,SEM等方法对其石墨化程度、显微结构进行了研究.结果表明:C/C复合材料的密度随沉积温度的升高呈线性增加,而气孔率逐渐减小,体积密度为0.2g/cm3的预制体在1100℃沉积3h后密度达到1.72g/cm3.2200℃热处理后,C/C复合材料的d002显著降低,具有较高的石墨化程度.C/C复合材料中的炭纤维被环状的热解炭所包围.沉积过程中前驱体较短的对流和扩散路径以及预制体中存在的上下热梯度和相应的双沉积面是材料快速制备的主要因素.     

炭纤维针刺预制体增强C/SiC复合材料的制备与性能研究

以炭纤维复合网胎针刺织物为预制体, 采用“化学气相渗透法+先驱体浸渍裂解法”(CVI+PIP)混合工艺, 制备了C/SiC陶瓷复合材料; 研究了针刺预制体的致密化效率以及复合材料的微观结构和力学性能, 并与目前常用的三维编织C/SiC复合材料和预氧丝针刺织物增强C/SiC复合材料进行了对比. 结果表明, 针刺预制体的致密化效率明显高于三维编织预制体, 在相同致密工艺条件下, 炭纤维针刺织物增强复合材料和预氧丝针刺织物增强复合材料的密度分 别达到2.08和2.02g/cm³, 而三维编织预制体增强复合材料的密度仅为1.81g/cm³. 炭纤维针刺复合材料的力学性能高于预氧丝针刺复合材料, 弯曲强度和剪切强度分别达到237和26MPa.     

热处理对C/C复合材料热膨胀行为的影响

以整体炭毡为预制体,采用化学气相渗透(CVI)和树脂压力浸渍-常压炭化(PIC)相结合的工艺进行了复合致密,制备了整体毡基炭/炭(C/C)复合材料。通过对不同热处理工艺下材料的轴向热膨胀行为测试,结果表明:当热处理温度从1800℃升至2500℃时,材料1000℃的热膨胀系数(CTE)由3.30×10-6/℃降低到3.00×10-6/℃;当热处理次数由1次增至2次时,材料1000℃的热膨胀系数由2.28×10-6/℃降低为2.10×10-6/℃。同时发现,当孔隙率相差84%时,热膨胀系数降低约24%。通过研究认为,热处理改变了C/C材料的微观结构,增强了材料石墨化的程度,提高了开口气孔率,可以通过合适的热处理工艺,降低材料的热膨胀系数,提高材料的热稳定性。     

微波热解CVI法制备C/C复合材料

在传统CVI工艺的基础上,提出了一种新的炭/炭复合材料沉积致密化技术-微波热解CVI工艺.该工艺采用微波炉加热炭毡预制体,预制体自身发热,并通过控制微波场强分布和热传导过程产生温度梯度,加上微波对极性分子的极化作用和对热解反应和表面沉积反应的催化作用,使预制体从中心至表面逐层快速致密.通过考察炭毡预制体经微波加热后的温度场分布和沉积样品的体积密度变化和径向密度分布,观察材料的微观结构,分析了预制体的致密化过程.结果表明:微波热解CVI工艺在1075℃～1150℃的沉积温度下,以甲烷为碳源前驱体,经90 h的热解沉积,成功制备出体积密度为1.70 g/nc3的炭/炭复合材料,平均致密化速率达到0.0189g/(cm3·h);避免了表面结壳现象,热解炭沿着纤维表面层状生长;采用该工艺制备了结构均匀、主要为中等织构的热解炭.     

基于数值模拟的热梯度CVI制备C/C 复合材料致密化行为

根据热梯度化学气相渗透(CVI)工艺制备C/C复合材料的特点, 建立了均相与非均相反应的多场耦合数学模型。以2D炭毡为预制体, 天然气为前驱体, 炉压为100 kPa的工艺条件下, 通过计算获得了预制体致密化过程中密度的演变规律; 分析了沉积温度及气体流量对致密化的影响, 获得了合理的沉积温度和气体流量范围。致密化100 h后, 预制体整体密度的计算值与实验值基本一致, 径向密度分布的模拟值与实验值呈相同的变化规律, 验证了模型的可靠性和模拟的预测能力。