热处理温度对中间相沥青基碳/碳复合材料力学性能的影响

通过三点弯曲实验,并借助XRD,SEM断口形貌分析,研究了最终热处理温度对中间相沥青基碳/碳复合材料微观结构与力学性能的影响,并对其断裂机制进行了探讨.结果表明:随着最终热处理温度的升高,材料的石墨化度增大,层间距d002减小,微晶尺寸Lc增大;材料未经热处理时,纤维与基体间界面结合较强,抗弯强度较高,弯曲断口较为平整,具有脆性断裂特征;随着热处理温度的升高,基体收缩,纤维与基体间界面结合减弱,抗弯强度减小,弯曲断口纤维拔出较长,材料具有韧性断裂特征.     

碳/碳复合材料基体用中间相沥青

中间相沥青具有高残碳率、高密度、低的密度变化及易石墨化等优点 ,是较理想的碳 /碳 (C/C)复合材料基体前驱体。本文从 C/ C复合材料制备工艺的角度 ,阐述了制备 C/ C复合材料用的中间相沥青的主要特性 ,其中包括中间相沥青的流动性、在碳化过程中的稳定化、微观结构以及中间相沥青基 C/ C复合材料的界面结构。     

碳/碳复合基体中间相沥青EI

中间相沥青具有高残碳率、高密度、低的密度变化及易石墨化等优点，是较理想的碳／碳复合材料基体前驱体。本文从Ｃ／Ｃ复合制备工艺的角度，阐述了制备Ｃ／Ｃ复合材料用的中间相的主要特性，其中包括中间相的流动性，在碳化过程中的稳定化、、微观结构以及中间相基Ｃ／Ｃ复合材料的界面结构。     

纤维表面处理对C/C复合材料组织与性能的影响

采用CVI涂层和400℃空气氧化技术对炭纤维进行表面处理,借助偏光显微镜(PLM)、扫描电镜(SEM)和弯曲性能测试研究了炭纤维表面处理对2D中间相沥青基炭/炭复合材料的组织结构与弯曲性能的影响.结果表明:两种表面处理的材料均具有韧性断裂特征,CVI涂层表面处理后材料的"假塑性效应"更为显著,但是其抗弯强度较低,基体炭的组织结构为具有光学活性的热解炭和中间相沥青炭的流线型、广域流线型组织,材料内部形成多层次的界面结构,在断裂破坏过程中,主要发生基体内聚破坏;400℃空气氧化表面处理的材料的基体炭的组织结构为中间相沥青炭的小域、广域流线型组织,材料在断裂破坏过程中,表现为混合破坏,即基体内聚破坏和界面粘结破坏同时发生.     

双基体炭/炭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,透射电镜以及力学性能测试研究了微观结构对双基体炭/炭复合材料力学性能的影响.结果表明:基体炭在偏光显微镜下呈现光学各向异性,材料内部形成多层次的界面结构,热解炭呈现"皱褶状"片层结构,中间相沥青炭呈现片层条带状结构,基体炭片层的走向基本上平行于纤维轴向.材料受载破坏时裂纹通过改变扩展路径而延缓其扩展速度,在纤维-基体界面处以及基体炭片层之间引起滑移,在断口形貌上体现出锯齿状的断裂形式,材料具有韧性断裂的特征,抗弯强度最高可达223MPa.     

沥青基碳/碳复合材料的组织特性

以 １Ｋ ＰＡＮ基碳纤维为增强体、以调制中温煤沥青为基体前躯体,分别在常压下和高压（４０ＭＰａ、８０ＭＰａ）下制备出了沥青基碳／碳复合材料。借助偏光显微镜对碳／碳复合材料试样进行的微观组织的观察发现,碳基体中既有域组织,也有镶嵌组织,而焦炭主要为细镶嵌组织．偏光试样经过酸液氧化腐蚀处理后,利用电子显微镜对其扫描观察,发现各向异性区域呈现出流线组织特征,流线纹路的疏密与沥青碳化时的压力有关．压力越高,纹路越密实,表明碳层面的取向性也就越好．     

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。     

微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜以及力学性能测试研究了微观结构对中间相沥青基炭/炭复合材料力学性能的影响. 结果表明: 基体炭在偏光显微镜下呈现出光学各向异性, 在SEM和TEM下呈片层条带状结构. 基体炭与纤维之间的界面不连续, 为“裂纹型”界面. 材料受载破坏时裂纹通过改变扩展路径而延缓其扩展速度, 在纤维-基体界面处以及基体炭层片之间引起滑移, 在断口形貌上体现出断裂台阶适中且与纤维拔出交替进行, 表现出韧性破坏的断裂特征. 材料具有较高的力学性能, 抗弯强度达到257MPa, 断裂韧性达到11.4MPa·m ^1/2.     

3D混杂梯度结构碳/碳复合材料微观结构和性能研究

采用Z-PIN与粘胶基碳纤维毡、粘胶基碳纤维平纹织物、聚丙烯氰基碳纤维平纹织物制备了3D混杂梯度纤维预制体,多相碳素基体经丙烯等温化学气相渗透(ISO-CVI)和煤焦油沥青高压浸渍碳化(HPIC)复合工艺制备,分析研究了多相碳素基体的组织特征、Z向增强体对粘胶基碳纤维织物碳/碳复合材料(RCC)和聚丙烯氰基碳纤维织物碳/碳复合材料(ACC)层间性能的影响以及失效模式.碳基体的微观组织结构为各向同性层、光滑层和粗糙层多相复合体,粘胶基碳纤维表面和聚丙烯氰基碳纤维表面沉积碳的微观组织存在差异性.采用高密度Z-PIN增强体可提高层间性能40%～60%.失效模式为层间和纤维束内裂纹扩展,基体组织和纤维类型对层间性能的影响很小.     

沥青基炭／炭复合材料的弯曲断裂特征

以1KPAN基高强度炭纤维为增强体、以调制中温煤沥青为基体前躯体,采用压力浸渍－炭化工艺制备出了不同密度二维沥青基炭／炭复合材料。经过对复合材料试样进行的弯曲试验表明,其弯曲断裂特征与材料密度具有密切的联系。根据弯曲强度－位移曲线,高密度复合材料表现为脆性断裂,而低密度复合材料表现为韧性断裂。从弯曲断面的SEM图片来看,脆性断裂时的断面比较平整,韧性断裂时断面上有大量炭纤维拔出。炭／炭复合材料的断裂破坏过程实质上就是基体裂纹在材料内的扩展过程,其扩展的途径与界面结合状况有关。裂纹沿界面的扩展将引起基体与纤维的脱粘,脱粘又导致纤维与基体之间的相对滑动,这种相对滑动将吸收相当一部分能量,从而可以延缓材料的断裂过程,起到韧化作用。     

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。     

沥青过渡层对C/C复合材料力学性能的影响

在2D碳／碳（C／C）复合材料的碳纤维与基体热解碳间引入中间相沥青做过渡层，研究了中间相沥青的引入对C／C复合材料力学性能的影响．结果表明，与没有过渡层，普通沥青做过渡层、中间相沥青做过渡层的三类C／C复合材料比较．采用沥青做过渡层可以提高复合材料的力学性能，采用中间相沥青做过渡层制备的C／C复合材料的弯曲强度比采用普通沥青做过渡层提高44％，剪切强度提高15％．中间相沥青的引入可以使碳纤维束间和束内的结合强度不同，从而使基体断裂产生的裂纹扩散时发生偏转，复合材料的强度和韧性同时得到提高．     

原位生长的气相生长碳纤维增强C/C复合材料的制备及其弯曲性能

以丙烯为碳源, FeCl₃·6H₂O为催化剂, 采用化学气相沉积法(CVD)在碳毡和不同密度的C/C复合材料上原位气相生长碳纤维(VGCFs) , 并以含原位生长VGCFs的碳毡和不同密度的C/C复合材料为基体制备VGCFs-C/C复合材料。研究了反应压力、基体密度对VGCFs生长情况的影响, 借助扫描电镜(SEM)、光学显微镜观察原位生长VGCFs的形貌及基体原位生长VGCFs后热解炭形貌的变化, 并对比研究了C/C复合材料和VGCFs-C/C复合材料的弯曲性能。研究结果表明, 反应压力为3700 Pa, 基体密度低的情况更有利于VGCFs的生长; 原位生长的VGCFs改变了纤维表面热解炭的沉积形貌, 使得热解炭和碳纤维的结合面之间形成具有铆钉作用的球状结构, 增强了界面结合力, 从而提高了原位生长的高VGCFs含量样品的弯曲强度。     

Preparation for 2D–C/C composites with pure RL textures and its characteristic

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/cm$^{3}$(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.     

具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能

采用液相浸渍-炭化和CVI复合工艺, 制备出在炭纤维和热解炭之间具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料, 借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜以及力学性能测试研究了所制备的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能. 结果表明: 在偏光显微镜下中间相沥青炭的光学活性高于热解炭的光学活性, 中间相沥青炭在SEM和TEM下均呈片层条带状结构, 热解炭在SEM下呈“皱褶状”片层结构, 在TEM下为粒状结构; 在HRTEM下, 中间相沥青炭、热解炭和炭纤维的晶化程度依次降低. 在加载过程中, 材料内部多层次的界面通过改变裂纹扩展路径而延缓其扩展速度, 在断口形貌上体现出锯齿状的断裂形式, 纤维拔出长度适中, 材料表现出韧性破坏的断裂特征. 材料具有较高的力学性能, 抗弯强度达到244MPa, 断裂韧性达到9.7MPa·m^1/2.     

微观组织结构对C/C复合材料力学行为的影响

采用快速化学液相气化渗透法制备了2D-C/C复合材料,沉积温度为1200-1250℃, 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不同沉积温度制备的基体热解碳的微观组织结构及断口形貌.实验结果表明,1200℃沉积的基体热解碳中粗糙层组织占大多数,其弯曲强度较高、韧性较低; 1250℃的基体热解碳呈现为光学各向异性程度不同的光滑层/粗糙层交替层状组织,其弯曲强度较低、韧性较高,具有非脆性断裂行为.不同微观结构的材料具有不同的强度及断裂模式,除了纤维/基体间界面结合强度不同外,不同温度沉积得到的热解碳微观结构的不同引起裂纹在不同微观结构碳层内的扩展阻力也会不同.此外,裂纹在光滑层/粗糙层界面处的偏转会导致断裂面的高低不平,从而使后者韧性增强.     

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。