基于多通道流场与热场控制的C/C复合材料制备与工艺优化

纤维增强复合材料以耐高温、高比强度等优点在航空航天领域得到广泛应用，为有效提高多孔复合材料沉积过程的可控性与均匀性，该研究提出一种基于双温区-双通道结构的双工艺化学气相渗透/沉积(chemical vapor infiltration/deposition, CVI/CVD)系统。基于装备设计-建造-理论-制备-优化的一体化研究思路，对该系统制备碳纤维增强碳基复合材料(C/C复合材料)进行工艺设计与优化研究。通过建立流动、传热和物质传递反应模型，分析了温度、速度、浓度对致密化过程的影响，其中降低沉积温度能够提高厚度方向的沉积均匀性，通过改变空间温度梯度能够实现沉积位置的控制，初始速度、浓度的匹配能够提高致密化效率。利用双工艺CVI/CVD系统对多孔复合材料进行两步法沉积模拟，验证了C/C复合材料沉积样件均匀性控制与工艺优化的可行性。     

定向脉冲气流TG-CVI法致密C/C复合材料工艺及性能

以液化气为碳源前驱体,氮气为稀释气体,采用定向脉冲气流TG-CVI法,对初始密度为0.14 g·cm^－3的普通碳毡进行致密化处理.研究在不同试验条件下C/C复合材料的致密化过程和密度分布,借助偏光显微镜观察其微观组织,扫描电子显微镜观察其断口形貌,采用三点弯曲法测定C/C复合材料的抗弯强度.结果表明:在热端温度为1 080 ℃、脉冲压力为－3~0 kPa的条件下,经70 h致密化,C/C复合材料的表观密度可达1.836 g·cm^－3,且密度分布均匀;组织为粗糙层(RL)和光滑层(SL)的混合型组织;试样断口形貌呈渐变的锯齿状分布,纤维以拔出为主,表现为假塑性断裂特征,抗弯强度为83.91 MPa.     

化学液相沉积温度对C/C复合材料致密化行为及显微结构的影响

化学液相沉积法(简称CLVD)是一种快速致密C/C复合材料的有效工艺.利用自行研制的沉积装置,以碳毡为预制体,研究了其在不同工艺下的致密化行为.并对复合材料的密度、孔隙率、致密化速率及显微形貌与结构进行了分析.结果表明:自行研制的沉积装置可实现C/C复合材料的快速制备,在1 050℃下经1h沉积后制备出密度近1.6g/cm~3的C/C复合材料,致密化效果显著.沉积的热解碳以碳纤维为轴形成同轴层状结构,沉积温度升高,致密化速率加快,热解碳由光滑层向粗糙层过渡,并向有序的石墨结构进行转化.     

Al2O3界面修饰单向纤维C/C复合材料组织结构及其力学性能

为了缓解C/C复合材料脆性,利用勃姆石溶胶对单向碳纤维预制体进行处理,在纤维表面制备了Al₂O₃涂层.使用自制的热梯度化学气相沉积(TG-CVI)设备对预制体进行致密化,得到致密的C/C复合材料.通过高温热处理进一步调节界面的结合强度和基体碳的石墨化程度.利用排水法测试复合材料的密度,万能材料试验机测试其拉伸性能,采用可视化石墨烯片层技术(VGT)对试样进行处理,使用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)分别研究复合材料的微观组织、界面和断面形貌、以及物相组成.结果表明：涂覆Al₂O₃涂层的C/C复合材料在沉积后期转变为粗糙层(RL)织构.经过高温热处理后,碳基体的石墨化程度提高,改变了C/C复合材料的断裂机制.由复合材料最初的脆性断裂向拟延性转变,延伸率提高.C₍f(Al₂O₃))/C-3样品的峰值应力达到了77.3 MPa,延伸率达到了15%.     

化学液相气化沉积C/C复合材料的性能研究

在不加和加入催化剂的条件下,采用化学液相气化沉积工艺分别在1000℃-10 h及900℃- 8 h内制备出密度为1.67 g/cm~3的大尺寸(φ110 mm×25 mm)C/C复合材料．不加催化剂制备的C/C复合材料主要以粗糙层为主,锥状结构明显,呈脆性断裂模式;在加入催化剂的条件下,由于催化荆的存在能够增加C沉积时的形核点,降低C沉积温度,缩短沉积时间,所以制备的C/C复合材料均匀性增加,组织结构主要为光滑层和各向同性组织,断裂方式为台阶式假塑性断裂．热处理后两种材料的弯曲强度和模量都降低,石墨化度增加,而不加催化剂制备的复合材料的力学性能和石墨化度都高于加入催化剂条件下制备的复合材料．     

CVI法制备C/C复合材料的温度梯度

温度梯度CVI法可在碳纤维预制体内部实现热解碳由高温区域向低温区域的顺序沉积,是快速、低成本制备C/C复合材料的一种有效途径.通过设计变径螺旋感应线圈,可实现被加热工件轴向及径向的温度梯度.变径螺旋感应线圈加热圆柱状石墨试样温度场实测结果显示:沿轴向温度呈线性变化,径向温度场呈"浅盘状"分布.以碳毡为预制体在变径感应线圈中用CVI法制备C/C复合材料,沉积46h后,高温区材料密度从0.08g·cm-3增加到1.487g·cm-3,低温区密度增加到0.398g·cm-3,说明碳毡预制体内热解碳发生了顺序沉积,可实现快速致密化.     

航空刹车用C/C复合材料断口分析

利用SEM断口形貌分析了现役航空刹车用C/C复合材料的结构和界面结合状况,探讨了其断裂机理,分析了化学气相沉积炭的沉积机理.结果表明:C/C复合材料的断裂以"弱界面断裂"为主.裂纹优先在基体炭、炭布层间或长纤维束和短纤维间的弱界面等薄弱环节处产生.当裂纹尖端扩展到基体炭中的微裂纹处时,裂纹扩展转向;当裂纹扩展到纤维时,取道纤维与基体炭间弱界面层向前扩展,纤维经历与基体炭脱粘、弯曲、拔出、断裂等过程,导致整个材料断裂.航空刹车用C/C复合材料中的CVD炭以粗糙层状结构为主,CVD过程包括碳氢气体热解、成核、炭化、沉积生长等过程,其中,成核以物理成核为主.图2,表1,参16.     

碳/碳复合材料制备方法及其新理论

对制备碳/碳复合材料的各种方法和过程作了评述,包括予制体成型,致密化处理,液相浸渍工艺,化学气相沉积工艺等,重点介绍了由德国Karlsruhe大学研究组提出的已为实验所验证的、新的碳沉积理论,最后对碳/碳复合材料在各民用领域的应用趋向作了乐观的展望.     

微正压ICVI制备C/C复合材料的工艺探索

研究了反应气体浓度对微正压等温化学气相沉积制备的C/C复合材料密度和显微结构的影响,结果表明:在微正压和900 ℃的沉积条件下,用丙烯作为碳源、针刺毡作为预制体,氮气与丙烯的气体流量比为25∶1,经过105 h沉积后,C/C复合材料的密度达到1.52 g/cm3;通过偏光显微镜观察分析发现试样外部除了围绕在炭纤维周围的光滑层外,还沉积了大量的再生结构热解炭,试样内部主要以光滑层结构为主.图7,参12.     

快速液相沉积法碳/碳复合材料的致密化工艺

概述了最近几年课题组在低成本快速液相沉积（rapid liquid-phase deposition)碳／碳复合材料致密化工艺技术研究方面的工作。内容包括：快速液相沉积致密化工艺原理、致密化工艺过程的设计、工艺参数的计算化学理论确定方法，以及用该工艺制备的碳／碳复合材料及其观结构研究。     

碳/碳复合材料制备方法及其新理论

对制备碳 /碳复合材料的各种方法和过程作了评述 ,包括予制体成型 ,致密化处理 ,液相浸渍工艺 ,化学气相沉积工艺等 ,重点介绍了由德国Karlsruhe大学研究组提出的已为实验所验证的、新的碳沉积理论 ,最后对碳 /碳复合材料在各民用领域的应用趋向作了乐观的展望     

一种高性能C/C-SiC复合材料摩擦偶件优化选择研究

采用超声波渗硅技术,经化学气相沉积、硅化处理、浸渍/炭化增密和石墨化处理制备C/C-SiC复合材料.用偏光显微镜、扫描电子显微镜观测其微观组织结构,用X射线衍射仪进行物相分析,用MM一1000性摩擦磨损试验机检测C/C-SiC复合材料分别与C/C复合材料、30 CrSiMoVA钢和铁基粉末冶金材料组成摩擦副的摩擦性能.结果表明:C/C-SiC复合材料中只有C相和13-SIC相,C相的组成为炭纤维、沉积炭和树脂炭同时存在;C/C-SiC复合材料与铁基粉末冶金材料组成的摩擦副的摩擦性能优异,其摩擦因数为0.42,摩擦稳定性为85%,磨损值为3.9 μm/(次·面).     

化学液相气化沉积制备C／C复合材料工艺及性能研究

在不加和加入催化剂的条件下，采用化学液相气化沉积工艺分别在1000℃、10h及900℃、8h内制备出密度为1．67g／cm。的大尺寸（Φ110mm×25mm）C／C复合材料．不加催化剂制备的C／C复合材料主要以粗糙层为主，锥状结构明显，呈脆性断裂模式．在加入催化剂的条件下，由于催化剂的存在能够增加C沉积时的形核点，降低C沉积温度，缩短沉积时间，所以制备的C／C复合材料均匀性增加，组织结构主要为光滑层和各向同性组织，断裂方式为台阶式假塑性断裂．热处理后两种材料的弯曲强度和模量都降低，石墨化度增加．不加催化剂制备的复合材料的力学性能和石墨化度都高于加入催化剂条件下制备的复合材料．[第一段]     

C/C复合材料的抗氧化研究现状

目前提高C／C复合材料抗氧化能力的方法有CVI工艺法，浆料浸渍-热解工艺法，涂层法；抗氧化涂层的制备方法主要有化学气相沉积法（CVD），固态渗透法，涂刷法，等离子喷涂法，溶胶-凝胶法；抗氧化涂层有两种典型结构：单层涂层和复合涂层。指出了C／C复合材料高温氧化保护研究方向的发展趋势及前景。     

碳毡体密度对C_f/C复合材料抗弯强度的影响

采用快速化学液相沉积法(RCLD)制备Cf/C复合材料。研究碳毡体密度对Cf/C复合材料抗弯强度的影响;利用应力-应变曲线分析Cf/C复合材料的断裂特征;用扫描电子显微镜观察材料的断面形貌。结果表明:对于沉积工艺相同的试样,Cf/C复合材料抗弯强度随毡体密度的增加而增大;界面结合能力强的材料呈现脆性断裂特征,界面结合适中的材料出现假塑性效应。     

用CVI增密技术制备航空刹车用C/C复合材料

以炭布与炭纤维薄毡交替成叠层,采用针刺技术在垂直布面方向引入增强纤维,制成准三维预制体,在自行研制的热梯度CVI炉中制备了航空刹车用C/C复合材料;采用偏光显微镜研究了沉积炭的显微结构.研究结果表明该CVI炉可实现多试样同时沉积,且位于料柱不同位置的试样密度分布较均匀;对外径为110 mm,内径为45 mm,厚度为15～20 mm的试样,在80 h内,试样的平均密度可达1.60 g/cm3,炭的有效利用率可达27%;在料柱的不同位置以及同一试样中沿径向的不同位置,沉积炭的显微结构都有所不同;沉积炭的显微结构有粗糙层结构、带状结构以及光滑层结构;通过工艺参数的优化,可以得到以粗糙层结构为主的C/C复合材料.     

无粘结剂C/C复合材料的原位烧结工艺研究

对无粘结剂C/C复合材料而言 ,烧结是整个制备工艺过程中最为关键的一个环节 ,烧结制度是否合理直接影响制品的最终质量和性能 .对此 ,分析了影响制品最终质量和性能的主要原因 ,进行了常压烧结和气压烧结两种工艺制度的比较研究 .试验表明 :在 30 0～ 70 0℃之间保持 (0 .7～ 1.7)℃ /min(即 (4 0～ 10 0 )℃ /h)的慢升温速率加压烧结 ,可以获得性能优良的无粘结剂C/C复合材料     

C/C复合材料的体积密度和石墨化度对硬度的影响

测试了几组典型的不同体积密度和石墨化度的C/C复合材料洛氏硬度值,研究了C/C复合材料的体积密度和石墨化度与其硬度特性的关系.结果表明:相同石墨化度的C/C复合材料洛氏硬度随其体积密度的增加而增加,相同体积密度的C/C复合材料洛氏硬度随其石墨化度的增加而降低;C/C复合材料体积密度对硬度的影响随其石墨化度的增加而减小;对体积密度为1.75～1.85g/cm3的C/C复合材料,可据其洛氏硬度的范围大致判断其石墨化度的范围;对一定体积密度和热处理温度的C/C复合材料,可通过洛氏硬度判断基体炭的微观结构特点.     

制备工艺对C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

以碳纤维针刺整体毡为增强体,采用化学气相渗透法(CVI)制备低密度的碳/碳多孔体,再分别采用反应熔体浸渗法(RMI)和先驱体浸渍裂解法(PIP)制备C/C-SiC复合材料。在MM-3000型摩擦磨损试验机上进行模拟飞机正常着陆能量条件下的刹车试验,研究两种制备工艺对C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响。研究结果表明:PIP工艺制备的C/C-SiC复合材料摩擦性能较优,其平均动摩擦因数为0.350,平均磨损率为3.500μm/(面·次);摩擦表面较完整、致密,磨屑为粗颗粒状,表现为磨粒磨损、黏着磨损、氧化磨损的共同作用。RMI工艺制备的C/C-SiC复合材料摩擦表面粗糙,未形成完整的摩擦膜,磨屑为细颗粒状,表现为磨粒磨损、疲劳磨损、黏着磨损、氧化磨损的共同作用。     

沥青基C/C复合材料的致密规律

对采用液相浸渍 -碳化工艺、在不同碳化压力条件下 (0 .1MPa、40MPa、80MPa和 10 0MPa)制备的 2D沥青基C/C复合材料的致密规律进行了研究 ,发现制件密度与浸渍 -碳化工艺循环次数联系 ,并提出了复合材料密度变化规律的数学表达式 ,该表达式可以用来对复合材料制件的密度进行预测 ,并可为C/C复合材料制备试验方案的可行性分析与制订提供理论依据