采用微正压CVD法制备块体各向同性热解炭

以丙烯作为碳源气体,氮气和氢气作为载气和稀释气体,采用自行设计的化学气相沉积(CVD)炉,设计特殊的发热体,利用微正压化学气相沉积法制备块体各向同性热解炭材料.对制备的材料取样分析,利用排水法测量样品的表观密度;通过金相显微镜表征材料的组织结构和表面形貌:利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜表征材料的微观结构和断口特征.提出了一种新的各向同性热解炭的沉积机理即电磁场流态化沉积机理.研究结果表明:在1 000～1 300℃沉积10~40 h,可得到密度为1.73~1.93 g/cm3、厚度为5～15mm的各向同性热解炭材料块体,主要由球形颗粒状热解炭组成,结构致密,孔隙较少,分布均匀,热解炭颗粒之间产生融并现象.     

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.     

化学气相沉积工艺对碳化硅纤维毡热解碳涂层的影响

以丙烷(C_3H_8)为碳源气体、碳化硅纤维(SiC_f)毡为沉积基体,通过化学气相沉积工艺(CVD)在SiC_f毡中沉积热解碳(PyC),分析了不同沉积温度、氮气与丙烷的气压比(P_(N_2)/P(C_3H_8))和沉积时间对PyC沉积形貌和沉积厚度的影响.结果表明:沉积温度低于800℃时,PyC的沉积难以进行;系统总压为10 kPa、PN_2∶PC_3H_8=2∶1、沉积温度为900℃的条件下可以获得均匀致密的PyC层;PN_2/P_(C_3H_8)、沉积温度的改变都可以使PyC层的形貌产生变化;对于厚度为5 mm的碳化硅纤维毡,沉积时间为6 h较为合适.     

采用选区电子衍射法测定人工机械心瓣热解炭的择优取向度

利用选区电子衍射法定量表征热解炭涂层的择优取向.采用扫描电镜观察热解炭涂层自然断面的结构形貌特征,并采用透射电镜测定取向角,通过在同一位置改变选区的面积得到不同的衍射图谱,讨论选区面积对取向角的影响.研究结果表明:热解炭涂层主要由球形颗粒状结构组成,颗粒直径为300～1 000 nm,片层状结构所占体积比很小;热解炭涂层在局部区域(直径为190 nm的选区)内的平均取向角为72°,并且球形颗粒内芳香碳平面的择优取向方向平行于颗粒表面;球形颗粒状结构决定了涂层的取向角随着选区面积的增大而增大,而球形颗粒较高的体积比又将进一步导致热解炭涂层整体呈现各向同性.     

含Cd油菜秆热解实验研究

以含Cd油菜秆(Cd-RS)为研究对象,通过热解实验研究重金属Cd对油菜秆(RS)热解产物的影响规律以及Cd在油菜秆热解过程中的迁移转化机制。研究结果表明:Cd-RS生物油产率随热解温度升高呈先升高后降低趋势,并在500℃达到最大值,为50.95%;适量Cd可有效提高生物油和生物炭产率,同时大幅降低生物气产率。Cd导致气体产物中的H2体积分数升高,CO2,CO和CH4体积分数降低,同时气体热值大幅降低。相比于RS,Cd-RS热解炭中的固定组分的质量分数降低,挥发分和灰分质量分数升高,C和H质量分数降低,O质量分数升高,热值大幅下降。随着热解温度从400升至600℃,Cd的保留率从84.97%快速降至4.29%,适当降低热解温度可有效防止油菜秆中Cd的挥发,油菜秆中的Cd经热解后以单质Cd,CdO和CdS形式存在于热解残炭中,其对环境的危害性大大降低。     

碳源对微正压ICVI炭/炭复合材料的密度和结构的影响

分别采用石油液化气和丙烯作为碳源、氮气作为载气、针刺毡作为多孔预制体，在微正压ICVI沉积炉中制备炭／炭复合材料，沉积温度为820～970℃，每个样品均沉积120h。研究不同的碳源对材料增密、密度均匀性和显微结构的影响，采用偏光显微镜和扫描电镜观察热解炭的显微结构和沉积表面形貌，采用排水法测量材料的密度。研究结果表明，在不同碳源条件下，材料的密度都随沉积温度的升高先增加后减小，热解炭均为中等织构，但是，其微观组织形貌存有差别；以石油液化气作为碳源，在940℃沉积密度达到1．53g／cm^3，样品内外存在0．022g／cm^3密度梯度，沉积表面形貌粗糙、有球状的凸起；丙烯作为碳源，在880℃沉积密度达到1．51g／cm^3，样品内外存在0．036g／cm^3密度梯度，沉积表面光滑。     

CVI-RMI法制备C/SiC复合材料的微观结构与弯曲性能

以T700炭纤维准三维编织针刺整体毡为预制体,在炭纤维表面CVI预沉积热解炭涂层,利用化学气相渗透-反应熔体浸渗法(CVI-RMI)制备C/SiC复合材料,观察材料的微观形貌,并探讨界面对弯曲性能的影响。研究结果表明:利用CVI-RMI联合工艺制备的C/SiC复合材料致密度高,开孔率较小(10%),基体分布均匀;材料弯曲强度达133 MPa,呈逐层破坏机制,表现出良好的假塑性;热解炭涂层与CVI-SiC基体减少了RMI工艺过程对炭纤维的损伤,且热解炭涂层调节了炭纤维与基体之间的界面结合状况,有利于纤维的拔出。     

快速CVD过程中球状热解碳的形成机制

探讨了快速化学气相沉积（ＣＶＤ）过程中球状热解碳的形成机制，实验发现，当沉积温度９５０℃，炉压６．６ｋＰａ，沉积气体流量小于０．１ｍ＾３／ｈ时，形成层状热解碳，而沉积气体流量为０．４～０．８ｍ＾３／ｈ形成球状热解碳，热解碳形貌随工艺条件的变化是碳沉积前过饱和度变化的结果。     

菲分子作为成核和沉积组分的碳烟生长研究

将菲分子(A3)作为成核和沉积组分,重建了碳烟成核和表面沉积模型,结合详细的化学反应机理,模拟了低压乙炔/氧气/氩气层流预混火焰,获得火焰中主要气相组分摩尔分数和碳烟颗粒体积分数、粒径等相关信息.通过将模拟值与实验值对比分析,结果表明:采用改进的碳烟模型可以较为准确地预测主要气相组分的摩尔分数,该模型对碳烟颗粒的数密度、体积分数和表面积的计算更为准确,验证了模型改进的有效性.     

射频溅射两步法制备立方氮化硼（c—BN）薄膜

用常规射频(RF)溅射系统，采用两步法在Si(111)衬底上制备出较高粘附性的立方氮化硼(c—BN)薄膜。沉积过程分为成核(第一步)和生长(第二步)两步，当由第一步变为第二步时，工作气体由Ar气变为Ar和N2的混合气体，衬底温度和偏压也降为较低的值。对不同生长阶段的薄膜进行了SEM、FTIR分析，对最后沉积的薄膜进行了XPS分析。结果表明：采用两步法在Si(111)衬底上沉积的c—BN薄膜内应力较之常规方法减小约11．3GPa，薄膜的B、N原子之比为1．01，c—BN的体积分数为88％，薄膜置于自然环境中6个月尚未有剥离现象。文中还讨论了c—BN薄膜的综合生长机制。     

纤维体积分数对炭/炭复合材料摩擦磨损性能的影响

通过化学气相沉积法将纤维体积分数分别为23%,30%和40%的3种炭纤雏针刺毡预制件增密至1.50 g·cm-3,再浸渍树脂进一步增密至1.80 g·cm-3,进行热处理后制成炭/炭复合材料,观察3种试样的金相显微结构,测试3种试样在不同刹车压力下的摩擦磨损性能;采用扫描电子显微镜对其磨损表面进行观察.研究结果表明:对于热解炭为非典型粗糙层结构的炭/炭复合材料,纤维体积分数增大,其摩擦曲线相对较平稳,磨损量较大;当纤维体积分数超过30%后,磨损量显著增加;在相同的刹车压力下,纤维体积分数对摩擦因数无显著影响.刹车压力低时试样的摩擦因数比刹车压力高时的摩擦因数大;作为摩擦炭/炭复合材料,纤维体积分数为30%左右较适宜.     

丙酮对金刚石膜生长速率的影响

采用灯丝热解化学气相沉积方法，在不同的碳源气体气氛中合成金刚石薄膜，并研究不同工艺条件下的金刚石膜生长速率．结果表明，在较低的灯丝分解气体温度和较近的灯丝与衬底距离条件下，以丙酮为碳源气体合成的金刚石膜具有较高的生长速率和较好的质量．     

热解炭结构对炭/炭复合材料摩擦磨损性能的影响

通过控制化学气相沉积工艺条件,得到粗糙层、光滑层、过渡结构、各向同性等几种具有不同微观结构的热解炭.通过金相观察、石墨化度、摩擦磨损性能的测试,得出:热解炭的微观结构对炭/炭复合材料的摩擦磨损性能有较大影响;制动过程中形成的薄膜使摩擦因数降低;粗糙层结构的炭/炭复合材料石墨化程度高,摩擦因数高,线型平稳,且随着压力的增加,其力矩上升明显,是一种优良的摩擦材料;光滑层结构的炭/炭复合材料石墨化度低,摩擦因数低,磨损小.     

高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体(HTCVD)

研究了SiC晶体高温化学气相沉积生长机理,从Sic晶体高温化学气相沉积生长过程的化学原理、反应条件、反应过程、一般工艺等方面进行探讨,并分析了沉积温度、气体压力、本底真空及各反应气体分压(配比)对SiC单晶生长及其缺陷形成的影响,基于以上分析,得出高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体最佳的工艺条件.     

自持金刚石厚膜上沉积N掺杂ZnO薄膜的生长及电学特性

采用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)两步生长法在自持化学气相沉积(CVD)金刚石厚膜的成核面上制备ZnO薄膜, 并研究了薄膜的生长特性和电学特性. 结果表明, 在基片温度为600 ℃时沉积得到的ZnO薄膜表面均匀, 取向较一致, 为c轴取向生长. 其载流子迁移率为3.79 cm²/(V·s).      

Ni在Ni(100)面的薄膜生长的蒙特卡罗模拟

采用晶格动力学蒙特卡罗(KLMC)方法模拟Ni在Ni(100)面的薄膜生长,对原子的沉积、吸附、扩散、成核、生长等微观过程采用了合理的模型,研究基板温度和沉积速率对薄膜的生长形貌和表面粗糙度的影响.模拟结果表明:沉积在基板上的原子逐步由各个离散型变成紧致型的近四方形的岛,并由二维向三维岛转变,最后连接成膜;基板温度越高,沉积速率越低,生成的薄膜越平整,粗糙度越小;沉积速率一定,表面粗糙度随着基板温度的增加而减小,当基板温度达到一定值时粗糙度降为零.     

炭纤维表面生长纳米碳管对CVI热解炭结构的影响

以单向长纤维预制体为骨架,CO为碳源,Ni为催化剂颗粒,在预制体炭纤维表面催化热解生长纳米碳管(CNT),采用CVI工艺增密,制得含CNT的C/C复合材料,研究纤维表面生长不同加载量的CNT对CVI过程所沉积热解炭微观结构的影响。研究结果表明:由于CNT具有特殊结构,纤维表面适当含量CNT能诱导CVI过程中热解炭的有序沉积,在近纤维层得到高织构度热解炭,改善炭纤维与热解炭的结合状态,拓宽制备粗糙层热解炭的CVI工艺条件范围;但当有过量CNT存在时,由于CNT之间的纠结,反而不利于发挥CNT对热解炭的催化诱导作用。     

乌兰察布褐煤的热解产气与改性特征

为研究乌兰察布矿区褐煤的热解产气与改性特征,在高温三轴多功能试验台进行实验,对褐煤在绝氧条件下,其热解产气量和产出气体的组分进行试验分析.结果表明:乌兰察布褐煤从常温到600℃,产出的烃类气体为110~137Nm~3/t煤,其气体组分主要为CO_2,CH_4,H_2,随热解温度的增加.其气体组分的体积密度发生变化,CO_2浓度随温度增加而降低,CH_4,H_2随温度增加而增加,在600℃时其体积分数均为40%左右.100℃~350℃是褐煤的脱水温度段.350℃~600℃是褐煤提质改性温度段,该温度段褐煤挥发份快速降低,煤质由褐煤改变为无烟煤,煤的发热量快速升高.     

薄毡叠层炭/炭复合材料的高温导热性能

对薄毡叠层结构的炭纤维预制体采用化学气相沉积（CVD）和沥青浸渍增密工艺,制备具有粗糙层热解炭结构和光滑层热解炭与沥青炭复合结构的2种炭／炭复合材料;用JR-3型热物性测试仪测试垂直炭纤维叠层方向室温至800℃的导热性能,并对其导热机制进行分析。研究结果表明：具有粗糙层热解炭结构的样件A的导热系数随温度升高先下降,在400℃后导热系数变化平缓;具有光滑层热解炭及少量沥青炭结构的样件B的导热系数随温度升高先上升,在300℃后导热系数变化平缓;样件A较样件B的导热系数高。2种炭／炭复合材料的导热机理主要由声子导热决定,不同基体炭结构使得2种声子散射机理对导热性能的贡献不一样,粗糙层热解炭结构的样件A的高温导热性能主要由声子间散射路程和比热容的综合作用所决定;光滑层热解炭和少量沥青炭复合结构的样件B的高温导热性能主要由结构不均匀引起的卢子散射和比热容的共同作用所决定。     

植物修复收获物热解制备生物炭过程中重金属的稳定性研究

基于重金属污染土壤植物修复过程中产生大量含重金属的生物质收获物,以含重金属芦竹收获物为研究对象,通过在芦竹收获物中添加化学固定材料,研究其热解制备生物炭过程中As,Cd和Pb等重金属的稳定与富集特征。研究结果表明:热解过程中生物质中重金属主要富集在生物炭中,其质量分数及存在形态明显受热解温度、热解时间、固定材料种类及添加量等因素影响;在250℃下添加0.5%(质量分数,下同)的Na OH、热解0.50 h,生物炭产率达到86%;芦竹生物质热解制备生物炭过程中As的稳定适宜条件为在300℃添加2%Na OH,热解2.00 h;Cd的稳定适宜条件为在250℃添加5%Fe Cl3,热解0.50 h;Pb的稳定适宜条件为在400℃添加5%Ca CO3,热解1.00 h;添加Fe Cl3热解得到的生物炭比表面积达到0.31 m2/mg,重金属固定率提高;添加固定材料Na OH后热解制备的生物炭中As主要以残渣态存在,添加Ca CO3,Al2O3和Fe Cl3等固定材料后热解制备的生物炭中As主要以可氧化态存在;添加Na OH,Ca CO3,Al2O3和Fe Cl3等固定材料后热解制备的生物炭中Cd主要以残渣态存在,Pb主要以可氧化态存在。