低成本快速液相沉积法碳／碳复合材料的致密化工艺项目通过省级专家鉴定

我校化学系王惠副教授主持的陕西省教育厅重大产业化培育项目——低成本快速液相沉积法碳／碳复合材料的致密化工艺项目，于2006年2月28日顺利通过了陕西省科学技术厅组织的专家鉴定。鉴定委员会的7位专家认真听取了该项目的工作报告和技术报告，审查了彬碳复合材料力学性能的测试结果报告和与研究有关的查新报告，一致认为该成果利用量子化学理论计算方法，对液相沉积碳源化合物裂解产生沉积碳的反应机理进行了系统研究，确定了环己烷沉积碳的最佳反应通道，并且自行设计了结构简单、流程可控的液相沉积装置，实现了碳／碳复合材料的快速制备，其理论研究水平达到国际先进水平，并建议与企业结合，尽早实现产业化。彬碳复合材料自问世以来，首先应用在航空、航天等军事领域。     

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     

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.     

定向气流TG-CVI法快速致密化盘状 C/C复合材料工艺

C/C复合材料因其特异性能在航空航天、武器装备等领域得到了广泛应用.但其制备过程中致密化周期很长导致成本居高不下,限制了C/C复合材料在众多领域的应用.采用定向气流温度梯度气相渗透(TG-CVI)快速致密化方法制备盘状C/C复合材料,并对其致密化行为和致密化工艺进行研究.结果表明:定向气流TG-CVI法能有效抑制气相沉积过程中C/C复合材料表面"结壳"现象,实现盘状C/C复合材料的逐层快速致密化,是制备盘状C/C复合材料较为理想的工艺.在1 080℃下,只需沉积67 h,C/C复合材料的密度就可达到1.8 g/cm~3,热解碳结构全部为粗糙层结构(RL).     

预制体几何形状对化学液气相沉积工艺的影响

考察了预制体几何形状在高频辅助化学液气相沉积（CLVD）工艺中的作用。相同高度、不同直径的预制体存在一个最佳直径，形成由内向外的致密化模式，由此获得的碳／碳复合材料表观密度最大，开孔隙率最小。相同直径，不同高度的预制体中，随着预制体高度减小，其致密化模式先由中心向两端，而后由内向外，最后由外向内。h＝70mm的材料表观密度最高，开口孔隙率最小。     

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.     

SiC_W／ZTA（Y）陶瓷基复合材料致密化过程的研究

用粉末冶金制备ＳｉＣＷ／ＺＴＡ（Ｙ）复合材料．致密化是工艺的关键．本文研究了ＳｉＣＷ／ＺＩＡ（Ｙ）陶瓷基复合材料热压致富化的基本过程，发现晶须补强陶瓷基复复合材料的致密化可分为快速致富化、致富化减速、趋于终极密度等三个阶段．分析发现，热压工艺对陶瓷复合材料的终极密度有重要的影晌．虽然ＳｉＣ晶须对陶瓷材料有良好的补强作用，但晶须的存在明显地阴碍复合材料的致密化．优化热压工艺就可以获得致富化程度高、基体晶粒不粗化的陶瓷复合材料．     

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。     

致密热解碳层的混合气体包覆工艺研究

致密热解碳层是高温气冷堆包覆燃料颗粒的关键组成。该文介绍了在流化床包覆炉中采用丙烯（Ｃ３Ｈ６）和乙炔（Ｃ２Ｈ２）的混合气体作为反应体系的包覆工艺,以消除只用丙烯作为包覆气体时产生的热效应。讨论了包覆工艺参数（沉积温度、乙炔浓度等）对致密热解碳层的密度、沉积速率和碳利用率的影响,确定了制备致密热解碳层的最佳工艺条件。研究的结果在生产规模流化床包覆炉中得到了验证和实际应用。     

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。     

Microstructure and properties of SiC gradiently coated Cf/C composites prepared by a RCLD method

The SiC gradiently coated carbon fiber/carbon (C_f/C) composites were prepared by a two-step rapid chemical liquid deposition (RCLD) method. The microstructure and properties of the composites were investigated using X-ray diffraction, scanning electron microscopy together with energy dispersive X-ray analysis, bending tests, and oxidation tests. The experimental results show that the surface layer of the composites is composed of SiC, pyrocarbon, and carbon fibers. Their inner area consists of pyrocarbon and carbon fibers. The SiC content gradiently decreases with increasing distance from the outer surface to the center of the composites. Furthermore, the thickness of the SiC layer increases with increasing tetraethylorthosilicate content and deposition time. SiC coatings have no significant influence on the bending strength of the composites. However, the oxidation resistance of the composites increases with increasing thickness of the SiC layer.     

碳纳米管在碳纤维纸上的生长研究

采用酞菁铁(FePc)作为碳源和催化剂源,利用化学气相沉积(CVD)法在碳纤维纸(CFP)上生长碳纳米管(CNTs),从而制备了碳纳米管/碳纤维纸复合材料,并利用扫描电镜(SEM)测试、X射线衍射(XRD)测试、接触角测试、电导率测试和孔隙率测试等方法对其结构和性能进行了表征.结果表明,碳纳米管能在碳纤维纸表面生长;表面生长碳纳米管后,碳纤维纸的疏水性、孔隙率和电导率均有所提高.     

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     

镧铁复合吸附剂的制备及除磷性能

采用液相沉积法制备了复合除磷吸附剂——镧铁活性炭纤维(LaFe-activated carbon fiber, LaFe-ACF), 讨论了铁镧摩尔比、金属离子总浓度单因素对制备材料的影响. 结果表明, 制备LaFe-ACF 的最佳铁镧摩尔比为3∶7,最佳金属离子溶液浓度为0.15 mol/L. 分别采用静态法和动态法考察了LaFe-ACF的吸附除磷性能. LaFe-ACF 的静态吸附结果表明, Langmuir吸附等温线能很好地描述吸附过程, 说明LaFe-ACF除磷是单分子层吸附过程, 且其最大吸附量计算值为29.44 mg/g.     

原位生长CNTs对于铜基复合材料性能的影响

通过化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）法成功制备了CNTs/Cu-Al₂O₃复合材料。采用内氧化法制备Cu-Al₂O₃粉末,利用CVD技术改善碳纳米管（carbon nanotubes, CNTs）在铜基体中的分散性和界面结合,提高复合材料的性能。在制备的铜基复合材料中,Al₂O₃和CNTs双增强相的加入能够提高复合材料的力学性能,且CNTs独特的纤维结构有助于阻止熔融铜脱离基体表面,保持液态熔池稳定,避免复合材料导电率降低。双增强相的添加提高了复合材料的耐磨性、抑制了腐蚀坑的形成。Al的质量分数为0.35%的CNTs/Cu-Al₂O₃复合材料能够保证导电率较高的情况下得到较高的维氏硬度与致密度。为制备高性能铜基电接触材料提供了新思路。     

三维互通CNTs/Cu复合材料的制备及力学性能研究

对CuCr合金粉末固溶时效处理之后进行预烧结,得到CuCr预压块。以此预压块为基底,采用化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）工艺和放电等离子烧结（sparking plasma sintering, SPS）工艺成功制备了三维互通的碳纳米管/铜（carbon nanotubes/Cu, CNTs/Cu）复合材料。采用扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）,拉曼光谱仪等表征碳纳米管的微观组织结构,利用微拉伸试验机测试复合材料的力学性能。研究结果表明,Cr作为催化剂,对碳纳米管的形貌影响很大,碳纳米管的质量也会对复合材料的力学性能产生影响。当Cr的质量分数为0.6%时,碳纳米管在铜基体表面均匀分布,CNTs/Cu复合材料的力学性能最佳。经SPS烧结和轧制之后,复合材料的导电率和屈服强度分别达到了82.4% IACS和349 MPa,断裂伸长率高达6.4%,这是由于CNTs的加入,起到了第二相强化的作用,提高了复合材料的力学性能。     

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).     

电泳沉积海藻酸钠/碳纳米管修饰高模碳纤维表面

采用纳米材料增加碳纤维（CF）的表面粗糙度及活性官能团,不仅可以改善CF增强复合材料的界面结合状态,而且不会对CF本体造成损伤,是一种极具发展潜力的新型CF表面改性手段。使用电泳沉积技术（EPD）将碳纳米管（CNTs）沉积在高模CF表面,然后与环氧树脂（EP）复合,制备了单向纤维增强层压板（CF/EP复合材料）。使用万能拉力机测试CF/EP复合材料的层间剪切强度（ILSS）,结果表明,在电压为6 V时制备的CF/EP复合材料的ILSS为58.9 MPa,与未经EPD处理的CF/EP复合材料（ILSS=52.2 MPa）相比提高了12.8%。同时,通过EPD制备了海藻酸钠与CNTs共沉积修饰的高模CF,海藻酸钠的加入增加了CNTs与CF表面的黏附性及氧含量,提高了纤维表面对树脂基体的浸润性。当CNTs的质量浓度为0.3 mg/mL、海藻酸钠的质量浓度为1 mg/mL、EPD电压为8 V时,所制备的CF/EP复合材料的ILSS可达68.3 MPa,与未经EPD处理的CF/EP复合材料相比提高了30.8%。     

电泳沉积海藻酸钠/碳纳米管修饰高模碳纤维表面

采用纳米材料增加碳纤维(CF)的表面粗糙度及活性官能团,不仅可以改善CF增强复合材料的界面结合状态,而且不会对CF本体造成损伤,是一种极具发展潜力的新型CF表面改性手段。使用电泳沉积技术(EPD)将碳纳米管(CNTs)沉积在高模CF表面,然后与环氧树脂(EP)复合,制备了单向纤维增强层压板(CF/EP复合材料)。使用万能拉力机测试CF/EP复合材料的层间剪切强度(ILSS),结果表明,在电压为6 V时制备的CF/EP复合材料的ILSS为58.9 MPa,与未经EPD处理的CF/EP复合材料(ILSS=52.2 MPa)相比提高了12.8%。同时,通过EPD制备了海藻酸钠与CNTs共沉积修饰的高模CF,海藻酸钠的加入增加了CNTs与CF表面的黏附性及氧含量,提高了纤维表面对树脂基体的浸润性。当CNTs的质量浓度为0.3 mg/mL、海藻酸钠的质量浓度为1 mg/mL、EPD电压为8 V时,所制备的CF/EP复合材料的ILSS可达68.3 MPa,与未经EPD处理的CF/EP复合材料相比提高了30.8%。