碳/碳復合材料具有高比強度、優(yōu)異的高溫強度及摩擦磨損性能,被廣泛應用于航空航天、軍事、生物醫(yī)學等領(lǐng)域。但因復合材料中基體熱解碳結(jié)構(gòu)復雜多樣,其中綜合性能較優(yōu)的熱解碳獲得相對困難,制備工藝范圍相對狹窄。為有效解決這一問題,本研究采用多尺度石墨誘導劑顆粒改性多孔碳纖維預制體,以液化氣為前驅(qū)體,氮氣為稀釋氣體,在自制沉積裝置中,用定向脈沖氣流TG-CVI法快速制備碳/碳復合材料,并利用PLM、SEM、XRD、RMS等分析手段和三點彎曲、單邊缺口梁法等試驗方法,主要研究了MGP（微米石墨顆粒）和CDs（納米碳點）誘導劑濃度、誘導劑顆粒尺寸對復合材料微觀組織結(jié)構(gòu)及性能的影響、碳布對CDs改性二維網(wǎng)胎預制體復合材料微觀組織結(jié)構(gòu)及性能的影響。主要工作和結(jié)果如下:（1）隨著誘導劑溶液濃度的增加,預制體中誘導劑的含量增加。濃度為5mg/ml時,誘導劑在預制體中實現(xiàn)均勻分布。（2）以普通碳氈為預制體,分別研究了不同MGP和CDs誘導劑濃度對碳/碳復合材料致密化速率、微觀組織結(jié)構(gòu)及性能的影響。結(jié)果表明:隨著誘導劑濃度的增加,MGP改性復合材料的致密化速率是逐漸降低的,但一定濃度范圍（≤5mg/ml）內(nèi)CDs... 

【文章來源】：蘭州理工大學甘肅省

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

碳/碳復合材料的組成

MGP和CDs誘導高織構(gòu)碳/碳復合材料的組織及性能研究4三種基本結(jié)構(gòu)熱解碳在材料性能上表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢。SL熱解碳因各向異性程度較高導致與纖維界面及基體碳層間結(jié)合不夠緊密而存在一定的裂紋。RL熱解碳因特殊的生長機制導致其具有最好的石墨化效率。ISO熱解碳雖然因石墨微晶不規(guī)則排列導致材料密度最低，但由于其結(jié)構(gòu)各向同性與纖維的結(jié)合強度最高[27]。圖1.2不同結(jié)構(gòu)熱解碳偏光顯微照片(a)RL;(b)SL;(c)ISO[26]表1.1熱解碳微觀結(jié)構(gòu)特征及其表征方法[28~32]項目粗糙層熱解碳光滑層熱解碳各向同性層熱解碳ρ(g/cm3)2.12±0.011.95±0.051.66±0.02PLM光學活性較高，具有生長錐特征，呈現(xiàn)大量不規(guī)則的消光十字且視覺層次感豐富。Ae≥18°在光學上各向異性程度較高，無生長錐，呈現(xiàn)清晰可見的消光十字且視覺效果光滑。12°≤Ae＜18°光學各向同性，光學活性差，相位移為零，觀察不到十字消光線，呈黑色，無裂紋，Ae＜4°SEM斷口一般呈溝壑狀，沉積表面粗糙、具有類似玉米粒的半球狀突起熱解碳斷口平滑、細膩，一般為齊斷，熱解碳沉積表面光滑斷口類似山峰的片狀結(jié)構(gòu)且上面附著大小不同的顆粒TEM(002)晶格條紋整體上觀察較密集、平直、無扭曲。OA≤50°(002)晶格條紋基本上是平行排列，但整體上觀察扭曲現(xiàn)象比較嚴重，呈波浪狀。50°≤OA≤80°(002)晶格條紋呈現(xiàn)無序混亂的堆積狀態(tài)，OA=180°1.2.2.3碳纖維/基體碳的界面層界面是復合材料的重要組成部分，它是增強體與基體間、熱解碳層與層之間連接的紐帶，是外加載荷傳遞的橋梁，其微結(jié)構(gòu)直接決定到復合材料的最終性能。因此，碳/碳復合材料界面的重要性是不言而喻的[33]。界面作用主要有傳遞效應、阻斷效應、不連續(xù)?

牧洗傭???碌南窒蠛吞匭訹34]。碳/碳復合材料中存在四部分界面層：碳纖維增強體與熱解碳基體間的界面，熱解碳中不同微結(jié)構(gòu)之間的界面，纖維束與基體碳界面，碳基體與孔隙或裂紋之間的界面。其中纖維/基體碳界面尤為重要，其界面結(jié)合力的強弱直接決定到纖維與基體間的應力傳遞方式，最終影響復合材料的整體性能，因而界面研究非常重要。因不同碳源前驅(qū)體衍生的石墨微晶結(jié)構(gòu)類型和纖維界面處的纖維與基體碳間交互影響，碳/碳復合材料中碳纖維與基體的界面結(jié)合層上基體碳層片相對于增強體碳纖維的排列方式大概有四種，如圖1.3所示。其中軸向平行和周向平行型由于有利于基體碳層狀結(jié)構(gòu)的堆疊順序，所以在不同基體的碳/碳復合材料中均可見到。各向同性型的取向方式出現(xiàn)在熱解碳及樹脂碳中，而切向生長層片結(jié)構(gòu)一般不常見。圖1.3基體碳與碳纖維的界面結(jié)合形式[35]1.2.2.4孔隙和顯微裂紋碳/碳復合材料的平均密度(1.5~2.0g·cm-3)與石墨材料理想密度(2.266g·cm-3)之間有顯著差距，這是由于在復合材料中有部分體積是由孔隙和裂紋所占據(jù)。碳/碳復合材料的預制體本身就是一個多孔體系，例如，本課題組所使用的普通碳氈預制體，碳纖維含量僅占復合材料空間體積的8%左右，其余92%的體積則為孔隙所占據(jù)。多孔預制體在化學氣相滲透的過程中，熱解碳將填充大部分孔隙，但由于制備工藝參量的選擇及在CVI過程中總存在一些閉孔，以及在后期復合材料石墨化熱處理過程中碳基體的收縮、石墨微晶的重組等因素，不可避免的產(chǎn)生各種孔隙和裂紋。碳/碳復合材料中存在的孔隙和裂紋會對其性能產(chǎn)生巨大的影響，如會不同程度降低材料的強度和抗氧化性能，但對復合材料的抗熱震性能有積極的貢獻。因此，碳/碳復合材料中的孔隙和裂紋所占體積要根據(jù)材料的使用性能

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本文編號：3421941