微正压ICVI制备C/C复合材料及其结构与性能研究

论文摘要

针对炭/炭复合材料的应用背景,以缩短材料的制备周期、降低成本为目的,本文工作采用微正压等温化学气相渗透工艺制备C/C复合材料。系统地研究了碳源气体浓度、碳源气体种类、沉积温度、气体滞留时间、毡体初始密度、反应容器空间等工艺条件对C/C复合材料增密速度、微观结构的影响。发现减小反应气体在反应容器内的自由流动空间对炭/炭复合材料的致密化有较为显著的影响,采用石油液化气作为碳源气体,氮气作为载气,沉积温度830～950℃,沉积35h可将60mm×20mm×10mm的预制体增密至1.73g/cm~3,总炭收率达32%。采用偏光显微镜、扫描电镜、X—射线衍射仪等手段对热解炭的微观组织结构、沉积表面形貌以及石墨化度进行了研究,结果表明热解炭结构均为中等织构热解炭且石墨化度随沉积温度的升高有明显的增大趋势,材料经2300℃,2h高温石墨化处理后发现在1000℃沉积的样品石墨化度为32.5%,在1100℃达到55.5%。采用本文工艺材料的增密速度和炭收率与负压等温化学气相渗透工艺相比较,均有较大幅度的提高。而且本文工艺无需机械泵抽真空,也不需要循环冷却水,降低了材料的制备成本。对材料的力学性能进行了测试,探讨了影响材料抗弯强度的主要因素以及材料的弯曲破坏机理。结果表明:实验制备的二维C/C复合材料在垂直方向的抗弯强度为20～68MPa。随着炭纤维和热解炭含量的增加,C/C复合材料的抗弯强度也随之增大。C/C复合材料的弯曲破坏属于脆性断裂,微观破坏行为主要表现为由于纤维与热解炭结合强度较强,当施加载荷超过材料的最大承受能力时,基体炭与纤维几乎同时断裂,只有少许纤维从基体炭中拔出且长度很短。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 C/C复合材料的制备技术工艺
• 1.1.1 炭纤维预制体
• 1.1.2 预制体致密化
• 1.1.3 预制体石墨化
• 1.2 C/C复合材料的致密化工艺
• 1.2.1 液相浸渍炭化工艺
• 1.2.2 化学气相渗透工艺
• 1.3 研究背景及主要研究内容
• 第二章 C/C复合材料的制备和实验方法
• 2.1 C/C复合材料的制备及检测工艺
• 2.2 制备C/C复合材料的主要设备
• 2.2.1 化学气相渗透设备
• 2.2.2 石墨化设备
• 2.3 测试分析
• 2.3.1 金相分析
• 2.3.2 扫描电镜分析
• 2.3.3 X射线分析
• 2.3.4 体积密度测量
• 2.3.5 炭收率测量
• 2.3.6 力学性能测试
• 第三章 微正压ICVI增密C/C复合材料工艺的研究
• 3.1 碳源浓度对C/C复合材料增密的影响
• 3.2 沉积温度对C/C复合材料增密的影响
• 3.3 碳源对C/C复合材料增密的影响
• 3.4 毡体密度对C/C复合材料增密的影响
• 3.5 气体滞留时间对C/C复合材料增密的影响
• 3.6 反应器体积对C/C复合材料增密的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 微正压ICVI工艺对热解炭结构的影响
• 4.1 碳源浓度对C/C复合材料热解炭结构的影响
• 4.2 沉积温度对C/C复合材料热解炭结构的影响
• 4.3 碳源对C/C复合材料热解炭结构的影响
• 4.4 毡体密度对C/C复合材料热解炭结构的影响
• 4.5 气体滞留时间对C/C复合材料热解炭结构的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 力学性能
• 5.1 力学性能测试结果
• 5.2 影响材料力学性能的因素
• 5.2.1 纤维含量的影响
• 5.2.2 热解炭含量的影响
• 5.3 弯曲破坏机理研究
• 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的研究成果