快速致密C/C复合材料中的热解碳形貌与沉积机理

采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对煤油、汽油、柴油和环已烷四种液烃前驱体的热解碳分析表明：热解碳的石墨化能力依次为煤油＞柴油＞汽油＞环已烷热解碳。热解碳的沉积按“成核－增长”机理有序进行,碳纤维、碳黑粒子都是有效籽核而促成碳的沉积。     

甲基硅油浸渍对纤维抗氧化性能的影响

采用浸渍工艺在碳纤维和Ｃ／Ｃ复合材料上制备了甲基硅油热解涂层,对涂层中碳纤维和Ｃ／Ｃ复合材料的抗氧化性能进行了研究。结果表明,经浸渍处理后,碳材料的抗氧化性能有一定的提高。另外,由碳纤维编织物经ＣＶＩ方法制备的Ｃ／Ｃ复合材料比碳纤维的抗氧化性增强。     

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。     

两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能

借助偏光显微镜、扫描电镜以及力学性能测试研究了两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能。结果表明:基体碳在偏光显微镜下呈现出热解碳的光滑层组织,沥青碳的各向同性、镶嵌和流域组织。在SEM下普通沥青碳为"葡萄状"结构,中间相沥青碳为片层条带状结构。具有多层次界面结构的材料可以提高材料的弯曲强度,改善材料的断裂韧度,两种材料在载荷-位移曲线中载荷为台阶式下降,呈现出假塑性断裂特征。材料A和材料B的弯曲强度分别为206.68,243.66MPa,断裂韧度分别为8.06,9.66MPa·m1/2,材料B的弯曲强度、断裂韧度均优于材料A。     

C/C复合材料层间裂纹扩展研究

作为一种耐高温高性能复合材料,Ｃ／Ｃ复合材料具优异的高温力学性能,但是材料本身的脆性是其弱点之一,其中,对于二维碳碳复合材料而言,层间裂纹扩展是其主要损伤机理,本文针对Ⅰ型和Ⅱ型层间裂纹扩展进行实验研究,深入分析了不同密度及加入填充剂填充的二维碳／碳复合材料的层间裂纹扩展方式,测试了Ⅰ型和Ⅱ型层间裂纹扩展能,发现裂纹扩展能随密度的增大而增大,加入石墨粉或热解炭粉可以有效提高材料的裂纹扩展能．     

热梯度CVI制备大尺寸C/C复合材料的致密化行为

以整体毡为纤维增强体, 采用外壁恒温控温和内壁恒温控温两种方式, 通过热梯度化学气相渗透(TG-CVI)工艺研究了大尺寸C/C复合材料的致密化行为。结果表明, 外壁恒温控温方式制备的试样密度仅为0.64 g/cm³, 呈现出两边高中间低的特点, 热解碳结构为粗糙层与光滑层相结合。而内壁恒温控温方式制备的试样密度达到0.98 g/cm³, 致密效率相比提高了73.79%, 热解碳结构为具有优异性能的粗糙层结构, 试样内部密度分布均匀。通过与外壁恒温控温相比, 内壁恒温控温方式具有较高的温度和合适的温度梯度, 致密化行为符合理想致密化模型, 能够实现大尺寸C/C复合材料由内至外的正向密度增长, 致密均匀, 致密效率高, 且碳结构优异。     

C/C复合材料的旋转偏振成像方法

本研究提出了一种旋转偏振显微成像方法。根据热解碳独特的双反射特性,设计了仅有一个检偏镜的显微图像采集系统;通过检偏镜的旋转,获取C/C复合材料在不同偏振角位置的单偏光图像;经过图像配准和图像融合,合成最大、最小反射率和双反射率映射图像。这种映射图像反映的信息是采用常规显微镜法不能观察到的,它直观地揭示了材料内部的微观结构特征,可以作为测定热解碳真实反射率的基础。本研究可为C/C复合材料微观结构分析以及相关特征参数测量提供理论依据和实现途径。     

碳／碳复合材料在高能刹车副中的应用

碳／碳材料是碳基体用碳纤维增强的复合材料，它具有良好的韧性、导热性和导电性能，耐腐蚀、耐磨蚀性好，大量应用在飞机高能刹车副作热库材料，本文介绍了Ｃ／Ｃ复合材料用作高能刹车热库时，较钢、铍等金属材料有优势。还介绍了Ｃ／Ｃ材料的有关制造方法和抗氧化工艺等。     

CLVI工艺制备C/C复合材料研究进展

论述了化学液相气化渗透工艺(简称CLVI)制备C/C复合材料的基本原理、工艺特点,分析了该技术的沉积机理、热解碳的形成条件和组织结构与致密化环境之间的关系,以及沉积温度和石墨化温度对材料力学性能的影响,概述了该技术在模拟方面的研究现状,展望了其发展前景并提出了自己的观点.     

一种热解碳基1D—C／C的稳态蠕变

采用自制高温蠕变实验机构和蠕变数据自动测试系统考察了一种热解碳基１Ｄ－Ｃ／Ｃ的高温拉伸蠕行为，测得了描述蠕变行为的重要热激参数分别表现激活能Ｑ＝４２８．９６ｋＪ／ｍｏｌ（σ＝２１３．４６ＭＰａ，Ｔ＝２０１０～２１６０℃，应力指数ｎ＝２．９７（Ｔ＝２０１０℃，σ＝１３３．８３～２１３．４６ＭＰａ）以及表现激活体积Ｖ０＝１．０５９ｎｍ＾３，并初步分析了其蠕变机理。     

预制体对C/C复合材料热膨胀系数的影响

以天然气为前驱气体,整体碳毡和2D针刺碳毡为预制体,采用热梯度化学气相渗积技术制备了两种C/C复合材料,其表观密度均为1.74 g/cm3。借助光学显微镜和扫描电子显微镜观察了热解碳基体的生长特征和微观形貌,采用热膨胀仪测量了两种材料的热膨胀系数(CTE),研究了由不同预制体增强C/C复合材料的CTE,解释了造成材料不同方向CTE差异的主要原因。结果表明,随着温度升高,材料A和B的CTE是逐渐升高的,且Z向CTE值均大于XY向。当两种材料在Z向的纤维体积分数接近时,随着XY方向纤维体积分数增大,材料在Z向的CTE增大,在XY向的CTE降低,两种材料在XY和Z向的CTE呈如下分布:αB-Z>αA-Z>αA-XY>αB-XY。C/C复合材料的CTE主要取决于纤维体积分数和排布、碳基体及材料中的孔隙分布情况,前者起决定作用。     

载气对C/C复合材料CVI热解炭显微结构的影响

在1000℃,0.5 kPa丙烯分压条件下,以N₂、H₂为载气和无载气情况下于热梯度CVI炉中制备了C/C复合材料,研究了载气特别是氢气对材料基体热解炭显微结构的影响。通过偏光显微镜测定材料不同区域CVI热解炭的消光角,分析热解炭显微结构在试样中的分布规律。结果表明: N₂在CVI过程中充当惰性角色,不影响热解炭的显微结构; H₂可以调节热解炭沉积时的微环境气氛,更有利于得到粗糙层结构热解炭。试样增密延长炭源气滞留时间,引起带状结构热解炭中显微结构的突变。借助氢气作为载气,可以实现对C/C复合材料中热解炭显微结构的更优控制。      

混合磨碎法制备B_4C/C复合材料

本文采用混合磨碎法制备了Ｂ４Ｃ／Ｃ复合材料。表征了其物理、力学性能，同时也考察了复合材料在８００℃的抗氧化性能。结果表明，用此方法制备的Ｂ４Ｃ／Ｃ复合材料显著提高了炭材料的力学性能，抗氧化性能也明显得到改善。     

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。      

工业CT在C／C复合材料无损检测中的应用

针对Ｃ／Ｃ复合材料的结构特点及工业ＣＴ独特的技术，采用工业ＣＴ技术对Ｃ／Ｃ复合材料的无损检测进行了研究，结果表明：工业ＣＴ技术能够有效地检测出Ｃ／Ｃ复合材料中的各种缺陷。     

C60—C70涂层的激光增碳强化效应

研究了Ｃ６０－Ｃ７０涂层对４５＾＃钢的激光增碳强化机理，对强化层组织和性能的分析表明：Ｃ６０－Ｃ７０涂使４５＾＃钢产生增碳强化区，得到了挖主亚共晶白口铸铁的定向凝固组织，由细小的马氏体」Ｍ「及莱氏体「Ｌｅ」组成，Ｍ中分布着大量微米级的多边形弥散相，并生成了由不同位向的碳化物细针束构成的组织，淬火后达到的平均硬度为ＨＲＣ６３．８，深冷处理后，平均硬度可达ＨＲＣ６５．４．     

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。     

CLVI制备C/C复合材料的微观结构及力学性能研究

采用快速化学液相气化渗透法制备了碳/碳复合材料,沉积温度为850-1400℃,系统压力约0.1MPa.利用偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了基体热解碳的微观组织结构及断口形貌特征;针对该技术特殊的致密化环境,研究了三种类型热解碳的形成条件及沉积过程;观察结果表明:粗糙层热解碳以层状方式生长,生长层面为曲面形状,热解碳微观结构呈现出锥形生长特征;同时测定了材料的力学性能,发现材料破坏形式属于剪切-拉伸的复式破坏,但拉伸破坏为主导形式,材料的纤维/基体粘结强度较高,薄弱环节是层间结合部位.     

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。