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碳/碳(Carbon/carbon,C/C)复合材料是由碳纤维增强的碳基复合材料。热解碳(Pyrocarbon,Py C)强度低、脆性大的力学特性致使C/C复合材料在制备过程中极易出现基体环状开裂、界面松弛等微观缺陷,严重制约了复合材料力学性能的充分发挥,极大限制了其在尖角、锐形等特殊构件上的应用,制约了国防高科技装备的发展。借助催化化学气相沉积(Catalytic Chemical Vapor Deposition,CCVD)引入纳米纤维,构建微米碳纤维与纳米纤维多尺度预制体增强C/C复合材料(简称多尺度C/C复合材料)是解决上述问题的有效途径。然而CCVD工艺存在诸多问题,包括周期长、成本高、碳纤维损伤严重、制备的多尺度复合材料碳纤维主导力学性能差等。针对这些问题,本文提出采用电泳沉积(Electrophoretic Deposition,EPD)在碳纤维表面掺杂碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)、碳化硅纳米线(Silicon Cabide Nanowire,Si CNW),构建纳米纤维-碳纤维多尺度预制体,进而制备多尺度C/C复合材料的思路。本文具体探究了EPD工艺对碳纤维表面掺杂纳米纤维分布形貌的影响;探究了EPD纳米纤维对C/C复合材料化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltation,CVI)致密化过程、微观组织和力学性能的影响,并揭示了相关机制;针对EPD纳米纤维掺杂C/C复合材料的力学特性,率先开展了界面设计工作,实现了EPD纳米纤维对C/C复合材料力学强度和假塑性的显著改善,得出主要结论如下:优化了EPD制备纳米纤维-碳纤维多尺度预制体的工艺参数:当EPD电压为40 V,EPD距离为1 cm,电泳液浓度分别为1.0 g·L-1(CNT/异丙醇)、0.5 g·L-1(Si CNW/异丙醇)时,碳纤维表面EPD的纳米纤维分布均匀性良好;碳纤维预制体中纳米纤维含量随EPD时间增大而线性增加。由于CNT和Si CNW自身长径比、曲直度等的差异,其沉积形貌存在显著不同:EPD CNT堆积密度较高,三维特征不显著,呈现平面内随机分布特点,其内孔隙为纳米级;而Si CNW堆积密度较小,三维空间分布特征明显,其内孔隙多为微米级。研究了EPD纳米纤维掺杂C/C复合材料的致密化行为:不同沉积温度与不同前驱体分压下CNT-C/C复合材料的平均致密化速率低于纯C/C复合材料,且随CNT含量增加,平均致密化速率越低,密度分布均匀性越差;但是CNT-C/C复合材料的初始致密化速率高于纯C/C复合材料,且随着CNT含量的增加,初始速率越大。而Si CNW-C/C复合材料的致密化速率均高于纯C/C复合材料,且随着Si CNW含量增加,致密化速率升高。当沉积温度为1080°C、碳源分压为20 k Pa、前驱体气体滞留时间为0.1 s时可快速致密化纳米纤维掺杂C/C复合材料,且制得的复合材料密度分布均匀性良好。探究了纳米纤维对Py C沉积行为的影响:限于纳米孔隙中传质的困难性,Py C优先在EPD CNT网状结构外围区域沉积,而不是沉积于其内部,导致大量闭孔的产生,进而影响了材料的表观密度及分布均匀性;Si CNW三维结构中孔隙尺度较大、分布规则,有利于Py C的快速沉积,因此,EPD Si CNW掺杂C/C复合材料的表观密度较高且分布均匀性佳。研究了EPD纳米纤维对基体组织结构的影响:纳米纤维掺杂后,复合材料Py C基体均由单一中织构(Medium Texture,MT)转变为多级结构,即各向同性(Isotropic,ISO)-高织构(High Texture,HT)-MT交替结构;随纳米纤维含量增加,ISO、HT区域变大;论证了EPD纳米纤维诱导ISO-Py C生长的必然性。CNT、Si CNW对Py C组织结构的影响不同:在HT区域,CNT诱导基体生成“皮-芯”结构,即围绕CNT生长了HT-Py C;而在Si CNW掺杂Py C中未见类似结构;相比于CNT-C/C复合材料,Si CNW-C/C复合材料的纳米纤维富集区Py C的石墨片层有序度更高,具有更小的d002值和更大的Lc值。研究了EPD纳米纤维对C/C复合材料力学性能的影响:对弯曲性能而言,适量EPD CNT会提高C/C复合材料弯曲强度,最高幅度约为35%,而继续提高EPD CNT含量则会导致复合材料密度降低、孔隙增多,使得弯曲性能降低。EPD CNT在碳纤维表面的加入导致复合材料弯曲断裂脆性增大,这与CNT诱导界面结构各向同性化有关。对于层间剪切性能而言,EPD CNT的加入可显著提高层间剪切强度,提高幅度约为100%,而此时复合材料的II型断裂韧性也相应提高43%。EPD CNT对复合材料的增强途径可概括为“直接强化”和“间接强化”两种,“直接强化”主要是CNT通过掺杂来改善Py C基体力学性能;而“间接强化”则是CNT诱导细化外围Py C,使其内聚力提高,进而改善复合材料力学性能。相较于CNT,Si CNW对C/C复合材料力学性能的改善程度更佳,适量即可使C/C复合材料弯曲强度和层间剪切强度分别提高50%和200%以上,Si CNW的加入亦导致复合材料断裂脆性增大。针对碳纤维表面直接掺杂纳米纤维易导致复合材料断裂脆性变大的问题,开展了纳米纤维-C/C多尺度复合材料界面改性研究,设计了HT-Py C和氧化石墨烯两种界面。针对不同复合材料力学性能的测试可知,界面相的引入可显著改善多尺度C/C复合材料的断裂假塑性,断裂延性系数(FD)较直接掺杂高出1100%,且能进一步提升纳米纤维对C/C复合材料的增强效果。分析认为,界面相的引入可在多尺度C/C复合材料中构筑“硬质基体-软质界面-硬质纤维”的“硬-软-硬”结构,满足了高强高韧复合材料的结构特性,使得C/C复合材料的断裂强度和假塑性得以全面改善。另外,从C/C复合材料实际应用条件出发,开展了EPD SiCNW在制备高性能C/C复合材料上的拓展探索,发现EPD Si CNW可作为一种快速、高效的强韧手段,显著提高高温热震条件下涂层涂覆C/C复合材料的热稳定性能,为C/C复合材料先进中温防护涂层的开发指出了可行方向。