预制体结构对平板CVI过程及材料性能的影响

论文摘要

炭/炭(C/C)复合材料具有密度低、高温强度良好、摩擦磨损性能优异等特点,作为一种新型高温结构材料广泛应用于航空航天以及军事领域。炭纤维预制体结构对CVI过程中气体的传质和C/C复合材料的性能有着重要的影响。通过调节预制体结构,寻求制备工艺简单、周期短、成本低及能够提高材料综合性能的化学气相渗透(CVI)方法,对C/C复合材料的研究具有重要的意义。本文采用无纬布/网胎针刺整体毡和针刺全网胎毡为预制体,借助自行研发设计的CVI炉制备了平板C/C复合材料。研究了预制体结构对CVI工艺致密化过程及基体热解炭微观结构的影响；测试了材料的力学性能、石墨化度、导热系数和电阻率,探讨了预制体结构对C/C复合材料力学性能、石墨化度、导热性能及导电性能的影响。主要结论如下：1预制体的孔隙形状、大小和分布状态影响反应气体的传质,对材料致密化过程有重要影响。随着纤维体积分数的增加,材料的增密速率及最终密度值逐渐减小；布毡比对整体毡材料的增密速率及最终密度影响很小,全网胎材料的增密速率及最终密度均大于整体毡；添加Si02晶须后材料的增密速率及最终密度均增大,添加CaSiO3日须后增密速率减小,最终密度相同。所有材料网胎中热解炭圆壳厚度大小在材料厚度方向呈内部小、两侧大的对称分布；增加纤维体积分数或增加布毡比,材料内部的热解炭增厚程度随之减小。2所得C/C复合材料基体热解炭结构全部为光滑层结构,即基体结构没有因预制体结构的改变而发生明显变化。加入晶须后,基体光学活性略有增强。A晶须的加入,会诱导热解炭呈锥状生长。3材料的石墨化度同时受纤维体积分数和基体热解炭含量的制约和影响,无纬布层内的纤维对应力石墨化贡献较大,添加晶须均可提高材料石墨化度。石墨化度是影响材料导热、导电性能的主要因素,预制体结构仅是辅助性的影响。4预制体结构对材料的弯曲和剪切力学性能有相同影响规律：纤维体积分数的过高和过低均会降低材料的强度；布毡比值的增大会提高材料的强度；加入Si02晶须降低材料的强度,加入CaSiO3晶须后强度略有提高。预制体结构对材料压缩性能的影响规律不一：材料的压缩强度随纤维体积分数增大而降低；与全网胎相比,布毡比变为1：1时,材料的垂直压缩强度降低22%,而后随布毡比的增大强度值逐渐增加；平行压缩强度随布毡比值增大而降低；添加晶须后压缩强度增加,添加A晶须的增幅较大。5除添加Si02晶须的整体毡材料,弯曲、剪切、垂直压缩断裂方式均为韧性断裂,添加SiO2晶须的材料和全网胎材料呈脆性断裂；所有材料的平行压缩断裂方式均呈脆性断裂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 C/C复合材料简介
• 1.2 C/C复合材料用炭纤维预制体
• 1.2.1 单向纤维预制体
• 1.2.2 2D纤维预制体
• 1.2.3 2.5D纤维预制体
• 1.2.4 多向纤维预制体
• 1.2.5 改性预制体
• 1.3 C/C复合材料的增密方法
• 1.3.1 液相浸渍法
• 1.3.2 化学气相渗透法（CVI）
• 1.4 热解炭结构及生长机理
• 1.4.1 C/C复合材料的基体结构
• 1.4.2 基体热解炭的沉积机理
• 1.5 C/C复合材料的物理性能和力学性能
• 1.5.1 C/C复合材料的物理性能
• 1.5.2 C/C复合材料的力学性能
• 1.6 本论文研究的意义、目的及内容
• 第二章 材料制备及性能检测
• 2.1 实验方案
• 2.2 材料的制备
• 2.2.1 预制体的选取
• 2.2.2 CVI增密
• 2.2.3 高温热处理工艺
• 2.3 结构表征
• 2.3.1 金相偏光分析
• 2.3.2 扫描电镜分析
• 2.3.3 物相定性分析
• 2.3.4 喇曼光谱分析
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 物理性能测试
• 2.4.2 力学性能测试
• 第三章 预制体结构对CVI过程与基体结构的影响
• 3.1 预制体结构分析
• 3.1.1 纤维体积分数
• 3.1.2 布毡比
• 3.1.3 晶须添加剂
• 3.2 预制体结构对材料增密过程的影响
• 3.2.1 密度变化
• 3.2.2 致密化度
• 3.2.3 CVI动力学
• 3.3 预制体结构对热解炭结构的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 预制体结构对C/C复合材料物理性能的影响
• 4.1 石墨化度
• 4.1.1 纤维体积分数的影响
• 4.1.2 布毡比的影响
• 4.1.3 晶须的影响
• 4.2 导热性能
• 4.2.1 纤维体积分数的影响
• 4.2.2 布毡比的影响
• 4.2.3 晶须的影响
• 4.3 导电性能
• 4.3.1 纤维体积分数的影响
• 4.3.2 布毡比的影响
• 4.3.3 晶须的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响
• 5.1 弯曲力学性能
• 5.2 剪切力学性能
• 5.3 压缩力学性能
• 5.3.1 垂直压缩力学性能
• 5.3.2 平行压缩力学性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果