碳納米管改性碳-碳復(fù)合材料組織及性能研究.pdf

1、碳/碳（C/C）復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能已從單一的燒蝕熱防護(hù)材料發(fā)展成為既是熱防護(hù)材料又是結(jié)構(gòu)材料的雙功能復(fù)合材料，被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但在C/C復(fù)合材料制備過程中，熱解碳基體易產(chǎn)生環(huán)形裂紋，且與碳纖維結(jié)合不佳，這些問題影響了C/C復(fù)合材料的綜合性能。在碳纖維預(yù)制體中嫁接CNTs可以增強纖維/基體結(jié)合和加固熱解碳基體，提高 C/C復(fù)合材料的性能，但目前多采用原位生長法制備CNTs/碳纖維多尺度預(yù)制體，該方法存在成本偏高、工藝復(fù)雜及

2、損傷碳纖維等問題。本文采用電泳沉積法實現(xiàn)了在碳纖維預(yù)制體中均勻嫁接CNTs，該方法對碳纖維無損傷且成本較低，并可大大縮短CNTs-碳纖維多尺度預(yù)制體的制備時間。研究了CNTs含量對C/C復(fù)合材料致密化速率、熱解碳微觀結(jié)構(gòu)、氧化性能及層間剪切性能方面的影響，得出的主要結(jié)論如下：
　　研究了電泳時間對CNTs沉積的影響。改變電泳時間可以控制CNTs在碳?xì)种械某练e量，隨著電泳時間的增加，預(yù)制體中CNTs的含量增加。電泳時間為60s時，C

3、NTs在碳?xì)直砻婧蛢?nèi)部均能實現(xiàn)均勻分布。
　　分析了不同含量CNTs改性C/C復(fù)合材料的致密化過程。CNTs的引入能提高C/C復(fù)合材料的致密化速率，但隨著CNTs含量的增加，致密化速率的提高程度先增加后減小。其中，電泳時間為60 s時，CNTs含量為3.43 wt％的CNT-C/C復(fù)合材料內(nèi)部CNTs的含量適中且分布均勻，致密化速率最快。
　　闡述了不同含量CNTs對C/C復(fù)合材料熱解碳微觀組織的影響。CNTs的引入改變了熱

4、解碳的沉積行為，使得熱解碳同時圍繞碳纖維和 CNTs生長，CNTs顯著細(xì)化了纖維周圍的熱解碳，誘導(dǎo)熱解碳圍繞CNTs有序沉積，提高了熱解碳結(jié)構(gòu)完整性以及石墨化度，但由于CNTs取向隨機，CNTs富集區(qū)熱解碳在微觀上表現(xiàn)為ISO組織。CNTs含量過少或過多對熱解碳微晶結(jié)構(gòu)有序性提高均不明顯。
　　研究了不同含量CNTs改性預(yù)制體和復(fù)合材料的氧化性能。發(fā)現(xiàn)引入CNTs后，碳纖維表面積增大、活性點增多，預(yù)制體的起始氧化溫度隨CNTs含量

5、增加而降低。CNTs能誘導(dǎo)熱解碳的有序沉積，減少了熱解碳中的缺陷，提高了 C/C復(fù)合材料的起始氧化溫度。在600-900 oC的等溫氧化性能測試中，CNT-C/C復(fù)合材料顯示出比C/C復(fù)合材料更低的氧化速率。隨著CNTs含量增加，CNT-C/C復(fù)合材料的抗氧化性能的提高程度先增大后減小，這是由于適量CNTs可作為連接熱解碳基體的橋梁，增加了基體的凝聚力，減少了快速氧化通道的產(chǎn)生，其中，電泳時間為60 s時，CNTs含量為3.43 wt%

6、的CNT-C/C復(fù)合材料的抗氧化性能最好。
　　揭示了CNTs對C/C復(fù)合材料層間剪切性能的影響機制。CNTs的引入增強了碳纖維與基體的結(jié)合，加固了碳纖維周圍的熱解碳基體，裂紋易于沿著熱解碳的球形外表面擴展，吸收了更多的能量，使得 CNT-C/C復(fù)合材料的層間剪切強度和模量均高于純C/C復(fù)合材料。其中，電泳時間為60 s，CNTs含量為3.43 wt%時，復(fù)合材料的層間剪切強度和模量最大，分別為19.85 MPa和675.85 M