炭化对聚丙烯腈/酚醛基炭/炭复合材料结构和力学性能影响（英文）

由湿法叠涂制得的聚丙烯腈(PAN)/酚醛基碳/碳(C/C)复合材料在高性能结构材料领域具有应用潜力.为了了解炭化步骤对聚丙烯腈/酚醛基碳/碳复合材料结构和力学性能的影响,进行了层间断裂韧性(模式II)测试.由于结构特征与裂纹形成机理的相互关系对C/CSiC复合材料的制备很重要,采用阿基米德方法、扫描电子显微镜(SEM)和三点弯曲试验对复合材料的结构进行表征.实验结果显示,碳/碳(C/C)试件的层间断裂韧性为碳纤维增强酚醛塑料(CFRP)试件的59.7%.     

碳/碳复合材料中不同微区的基体结构

为优化碳基体结构,提高碳/碳(C/C)复合材料综合性能,针对沥青基C/C复合材料中纤维束内及纤维束间不同碳基体结构微区,利用显微Raman光谱、原位纳米力学测试、Micro-CT、扫描电镜(SEM)和压汞仪对碳基体结构进行研究。结果表明:碳基体呈片层结构沿纤维、纤维束表面取向堆积排列,在纤维、纤维束表面区域及纤维束之间碳基体中存在一定孔隙、裂纹等缺陷;纤维间基体的石墨化程度是沿着纤维表面向中心区域逐步增强,靠近纤维表面区域基体的弹性模量高于纤维间区域的弹性模量。C/C复合材料中碳基体形成过程存在渐次性和差异性,从而影响C/C复合材料综合力学性能。     

织物结构对增强复合材料层间断裂韧性的影响

采用粘贴片式双悬臂梁(DCB)试件和端部切口弯曲(ENF)试件研究了平纹织物的经纬纱密度对玻璃平纹织物/环氧树脂复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性的影响.实验结果表明,织物的密度对层间断裂韧性有显著的影响.提出了在织物增强复合材料层合板中,基体在织物孔洞中形成层间铆接,并研究了其与层间GⅠC和GⅡC的关系.     

基体含量对炭/炭复合材料的影响

研究了最终密度为 1.85～ 1.86g/cm3的二维 ( 2D)炭 /炭复合材料的不同基体成分———CVD炭和树脂炭的含量对 2DC/C复合材料力学性能的影响 ;并在扫描电镜下进行断口分析 ,探索了C/C复合材料的损伤机理 .此外 ,通过观察炭纤维与CVD炭以及CVD炭与树脂炭的结合状态、纤维拔出、韧断等断口微观形貌 ,从微观上分析了不同基体炭以及它们的微观结合对 2DC/C复合材料强度性能的影响 .结果表明 :CVD炭含量越高 ,剪切强度越低 ;而抗弯强度、弯曲弹性模量和抗压强度则先增加后降低 ,有一个明显的起伏 ,说明CVD炭与树脂炭的含量有一个最佳配比 ,即CVD炭含量约为 4 4 %时 ,可以使 2DC/C复合材料力学性能得到最佳值 ;炭纤维与CVD炭成树脂炭粘结并不是特别牢固 ,其界面具有缓冲裂纹传播速度或改变裂纹传播方向的作用 ,或界面剥离吸收掉集中的应力 ,从而使炭纤维的强度得到很好的利用 ,C/C复合材料的强度得以提高     

炭/炭复合材料的摩擦磨损性能

选取由CVD预增密至一定密度,再进行树脂浸渍/炭化补充增密至1.85 g/cm3的炭/炭复合材料作摩擦环试样.测试了该试样在一系列刹车速度时的摩擦磨损性能,并对其摩擦面及磨屑进行了SEM观察,对摩擦面进行显微喇曼光谱分析.研究结果表明炭/炭复合材料的摩擦磨损性能随刹车速度的变化而发生显著变化,在10 m/s时出现最高峰,在25 m/s出现亚高峰;磨损量随刹车速度的增加而增加,而氧化磨损在刹车速度为25 m/s时开始大量产生,在28 m/s时达最大值.其摩擦表面形貌、结构及磨屑亦有较大差别.刹车速度从5 m/s升至20 m/s时,摩擦面石墨化度降低,石墨结构向无定型碳结构转变,但在高速时石墨化度反而升高,无定型碳结构又向石墨结构转变.     

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.     

编织碳/碳复合材料剪切性能测试方法研究

根据Iosipescu剪切试验原理和编织碳/碳(C/C)复合材料的微结构特征,设计了相应的夹具和试件,建立了三维碳/碳复合材料剪切性能的试验方法。利用该方法对细编穿刺C/C复合材料进行了剪切试验,得到了材料在不同方向上的载荷-应变曲线。结果表明改进的Iosipescu试验方法能有效测定编织C/C复合材料的剪切性能。通过试件的断口分析,揭示了材料在加载过程中微结构不断演化导致材料最终破坏的断裂机理,材料的τ-γ曲线也体现了明显的分段线性特征,不同材料方向的剪切性能和破坏模式也不相同。     

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%.     

热处理温度对炭/炭复合材料性能的影响

对同一种炭/炭复合材料,经过不同温度的最终热处理后的微观结构、石墨化度和抗弯强度进行了对比研究.研究结果表明:随着最终热处理温度的升高,在偏振光下,易石墨化的热解炭光学活性增强,而难石墨化的热解炭微观结构几乎没有变化;炭/炭复合材料的晶粒逐渐长大,层面间距逐渐缩小,石墨化度有较大幅度的提高;同时,由于基体炭与炭纤维的热膨胀系数存在差别,随着热处理温度的升高,基体与增强纤维的的结合强度降低,使炭/炭复合材料的抗弯强度降低,但材料的应变性增强,材料的断裂形式由脆断转为假塑性断裂.     

液相法制备炭/炭复合材料的显微结构

采用光学显微镜和扫描电子显微镜对用液相法制备的3种单向纤维增强炭/炭复合材料的显微结构进行了观察和分析.这3种炭/炭复合材料分别采用纯沥青作基体和沥青加焦炭粉、树脂加焦炭粉作预浸初基体制得.在热压成形初坯体内,收缩的微裂纹沿纤维轴向与外界相通,可被再浸渍填充,而孔洞则大多与外界隔绝,不能被再浸渍填充.实验结果表明焦炭填充料的添加改变了复合材料的显微结构,可调整炭/炭复合材料的纤维体积分数,减少气孔的形成,有利于再浸渍致密化;它还扰乱基体层状结构组织,导致其围绕焦炭粉颗粒呈紊乱状态.     

粘结剂对C/C复合材料 抗氧化涂层性能的影响

通过对几种粘结剂对飞机刹车副用C/C复合材料抗氧化涂层的抗氧化性能的影响规律及其作用机理的研究,发现不同的粘结剂对涂层最终抗氧化性能有很大的影响,其中以硅溶胶及磷酸盐为粘结剂的涂层具有良好的抗氧化性能,二者各自在一定温度范围内有最佳的抗氧化效果．在900℃,4h静态氧化试验时最佳抗氧化效果是以硅溶胶作为粘结剂的试样,样品失重率不超过1%(质量分数);而在700℃,4h时以磷酸盐为粘结剂的试样,其静态氧化失重率不超过0.37%(质量分数);在试验中涂层保持完整,表明涂层具有较好的抗热震性能．     

Fabrication method and microstructural characteristics of coal-tar-pitch-based 2D carbon/carbon composites

The lignin-cellulosic texture of wood was used to produce two-dimensional (2D) carbon/carbon (C/C) composites using coal tar pitch. Ash content tests were conducted to select two samples among the different kinds of woods present in Iran, including walnut, white poplar, cherry, willow, buttonwood, apricots, berry, and blue wood. Walnut and white poplar with ash contents of 1.994wt% and 0.351wt%, respectively, were selected. The behavior of these woods during pyrolysis was investigated by differential thermal analysis (DTA) and thermo gravimetric (TG) analysis. The bulk density and open porosity were measured after carbonization and densification. The microstructural characteristics of samples were investigated by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy. The results indicate that the density of both the walnut and white poplar is increased, and the open porosity is decreased with the increasing number of carbonization cycles. The XRD patterns of the wood charcoal change gradually with increasing pyrolysis temperature, possibly as a result of the ultra-structural changes in the charcoal or the presence of carbonized coal tar pitch in the composite's body.     

由碳还原KMnO4制备氧化锰/碳超级电容材料

以碳粉为还原剂，在酸性条件下与KMnO₄反应制备了粉末状氧化锰/碳复合材料，研究了碳还原剂种类（活性炭、石墨化中间相碳微球和膨胀石墨）以及镍、钴、铒离子对制备的氧化锰/碳粉末结构及电化学性能的影响。采用X-衍射技术和扫描电子显微镜（SEM）分析了氧化锰/碳的结晶结构及表面形态。结果表明，活性炭具有较强的还原能力，氧化锰/碳材料具有良好的电化学电容行为，其中以活性炭为还原剂制备的氧化锰/碳具有较高的电容量，质量比容量达117F/g，掺杂镍、钴后质量比容量达到185F/g。     

WO3/碳点/TiO2复合纳米材料的制备及其光致阴极保护作用研究

采用两步阳极氧化法制备了TiO₂纳米阵列（TNAs）,然后分别采用浸泡法和电沉积法在TNAs表面负载碳点层和WO₃层,得到WO₃/碳点/TNAs复合纳米光阳极（TCW）,并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS）对其进行了表征。采用紫外可见漫反射光谱法（UV-Vis DRS）和电化学方法测定了TCW光阳极的光吸收和电化学性能,并评价了在模拟海水溶液中TCW对Q235碳钢的光致阴极保护作用。结果显示：与TNAs相比,TCW的吸收边从紫外光区（384 nm）扩展至可见光区（426 nm）,带隙宽度（E_g）从3.23 eV降低到2.91 eV,对光的吸收能力显著提升;可见光响应电流密度提高了6.85倍,达到157 μA/cm²。将TCW光阳极与Q235碳钢阴极耦合后,阴极表面的稳态光响应电流密度达到101 μA/cm²;与耦合前相比,其自腐蚀电位降低了0.41 V （vs.Ag/AgCl）,电化学电流噪声（ECN）振幅增大,腐蚀过程受到明显抑制。以上结果表明TCW对Q235碳钢具有优异的光致阴极保护作用。     

WO3/碳点/TiO2复合纳米材料的制备及其光致阴极保护作用研究

采用两步阳极氧化法制备了TiO₂纳米阵列(TNAs),然后分别采用浸泡法和电沉积法在TNAs表面负载碳点层和WO₃层,得到WO₃/碳点/TNAs复合纳米光阳极(TCW),并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)对其进行了表征。采用紫外可见漫反射光谱法(UV-Vis DRS)和电化学方法测定了TCW光阳极的光吸收和电化学性能,并评价了在模拟海水溶液中TCW对Q235碳钢的光致阴极保护作用。结果显示：与TNAs相比,TCW的吸收边从紫外光区(384 nm)扩展至可见光区(426 nm),带隙宽度(E_g)从3.23 eV降低到2.91 eV,对光的吸收能力显著提升;可见光响应电流密度提高了6.85倍,达到157μA/cm²。将TCW光阳极与Q235碳钢阴极耦合后,阴极表面的稳态光响应电流密度达到101μA/cm²;与耦合前相比,其自腐蚀电位降低了0.41 V(vs. Ag/AgCl),电化学电流噪声(ECN)振幅增大,...     

潜在的航空发动机材料--碳/碳复合材料

文中给出了碳／碳复合材料的性质并与其他材料的性质进行了比较，对碳／碳复合材料构件的制造技术进行了归类，并对碳／碳复合材料材料的发展方向提出了建议。     

Li/SOCl2电池阴极成型方法的探讨

探讨了微波技术在Li／SOCI2电池碳阴极成型中的应用．用水稀释聚四氟乙烯乳液后直接混合乙炔黑及相关添加剂,再控制微波加工的功率、时间等和调整聚四氟乙烯的含量,得到合适孔率、孔径等的碳阴极．结果表明利用微波技术可改善Li／SOCl2电池的大电流、低温放电和滞后等电性能．     

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。