MGP和CDs诱导高织构碳/碳复合材料的组织及性能研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:pdahome
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碳/碳复合材料具有高比强度、优异的高温强度及摩擦磨损性能,被广泛应用于航空航天、军事、生物医学等领域。但因复合材料中基体热解碳结构复杂多样,其中综合性能较优的热解碳获得相对困难,制备工艺范围相对狭窄。为有效解决这一问题,本研究采用多尺度石墨诱导剂颗粒改性多孔碳纤维预制体,以液化气为前驱体,氮气为稀释气体,在自制沉积装置中,用定向脉冲气流TG-CVI法快速制备碳/碳复合材料,并利用PLM、SEM、XRD、RMS等分析手段和三点弯曲、单边缺口梁法等试验方法,主要研究了MGP(微米石墨颗粒)和CDs(纳米碳点)诱导剂浓度、诱导剂颗粒尺寸对复合材料微观组织结构及性能的影响、碳布对CDs改性二维网胎预制体复合材料微观组织结构及性能的影响。主要工作和结果如下:(1)随着诱导剂溶液浓度的增加,预制体中诱导剂的含量增加。浓度为5mg/ml时,诱导剂在预制体中实现均匀分布。(2)以普通碳毡为预制体,分别研究了不同MGP和CDs诱导剂浓度对碳/碳复合材料致密化速率、微观组织结构及性能的影响。结果表明:随着诱导剂浓度的增加,MGP改性复合材料的致密化速率是逐渐降低的,但一定浓度范围(≤5mg/ml)内CDs诱导剂能加快复合材料的致密化速率;未改性复合材料热解碳为光滑层组织,经5 mg/ml的MGP或CDs诱导剂溶液改性后,复合材料M-C/C 5及N-C/C 5均变为粗糙层热解碳;随着诱导剂浓度的增加,材料的石墨化度是逐渐增加的,经5 mg/ml的MGP或CDs诱导剂溶液改性后,复合材料的石墨化度成倍增加;复合材料的弯曲强度随着诱导剂浓度的增加总体呈现出下降的趋势,但复合材料的断裂韧性随着诱导剂浓度的增加呈现出先增加后降低的趋势,材料M-C/C 5和N-C/C 5的断裂韧性值分别提高35.56%、47.856%。(3)在相同的诱导剂浓度下,研究了诱导剂颗粒粒径对碳/碳复合材料的致密化行为、微观组织结构及性能的影响。结果表明:诱导剂尺寸为纳米级时,复合材料综合性能最好。其中致密化速率为1.273 g/h,热解碳全部为粗糙层组织,复合材料N-C/C 5(22.09%)的石墨化度较M-C/C 5(12.33%)提高79.16%;弯曲强度为69.6 MPa,断裂韧性为1.551 MPa·m1/2,呈假塑性断裂。(4)以二维网胎为预制体,研究了碳布对CDs改性二维网胎预制体复合材料微观组织结构及性能的影响。结果表明:复合材料N-Cw/C 0为光滑层热解碳,经5mg/ml的CDs诱导剂改性后,复合材料N-Cw/C 5及N-Cwt/C 5均变为粗糙层热解碳;复合材料N-Cw/C 0与N-Cw/C 5平均密度和弯曲强度相当,材料N-Cw/C 5断裂韧性为1.776 MPa·m1/2,较材料N-Cw/C 0提高27.3%,说明CDs对复合材料有增韧作用;复合材料N-Cw/C 5经碳布二次增强后,两者密度相差不大,材料N-Cwt/C 5弯曲强度、断裂韧性分别为97.26 MPa、2.57 MPa·m1/2,较复合材料N-Cw/C 5分别提高28.72%和30.89%,其中,复合材料N-Cwt/C 5综合性能最好。(5)揭示了MGP和CDs对碳/碳复合材料组织结构的诱导机理。在碳纤维预制体中引入诱导剂颗粒,一方面,石墨诱导剂颗粒在微区气相反应中充当各种尺寸自由基的原位核,导致热解碳生长机制的形成;另一方面,诱导剂表面的P轨道(大π键)会吸引具有类似杂化原子轨道的C6类大分子烃,迫使其形成有序的堆叠层,从而形成粗糙层热解碳。
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