碳纖維-石墨烯氣凝膠改性ZrC復(fù)合材料的制備與研究.pdf

1、高超聲速飛行器的發(fā)展對(duì)耐超高溫材料提出了迫切的需求。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料克服了傳統(tǒng)陶瓷材料的脆性和抗熱沖擊性差等缺點(diǎn)，且具有低密度、低膨脹、耐高溫和性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。本文針對(duì)新型Cf/ZrC復(fù)合材料，開展了石墨烯氣凝膠改性碳纖維的研究，篩選出了適于PIP工藝的改性碳纖維，隨后采用前驅(qū)體浸漬-裂解（PIP）工藝制備了Cf/ZrC復(fù)合材料，重點(diǎn)研究了裂解溫度與浸漬次數(shù)對(duì)復(fù)合材料的性能的影

2、響。
　　本文通過改進(jìn)Hummers法制備氧化石墨烯，在沉降實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)2.5h超聲得到的氧化石墨烯片層厚度為1.24nm左右，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯含有C-O-C、-OH、COOH等含氧官能團(tuán)。三聚氰胺作為交聯(lián)劑可以使氧化石墨烯凝膠，改變pH值可以使其發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。本文采用兩種方法制備了還原石墨烯氣凝膠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣凝膠孔分布均勻，與水熱制備的還原石墨烯氣凝膠相比，水合肼還原的石墨烯氣凝膠孔徑尺寸比較大，且石墨烯片層較薄，

3、經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯中的C-O-C被還原，-COOH、-OH等含氧基團(tuán)含量降低，并且還原并沒有使石墨烯的缺陷度降低，反而進(jìn)一步破壞了石墨烯的晶體規(guī)整性。
　　本文分別制備了水合肼還原的碳纖維/氧化石墨烯氣凝膠和水熱還原的碳纖維/氧化石墨烯氣凝膠，通過水合肼還原發(fā)現(xiàn)很少的石墨烯氣凝膠均勻地分散并包覆在碳纖維表面上，而通過水熱還原發(fā)現(xiàn)石墨烯的含量增加，并且得到更多互聯(lián)網(wǎng)狀的石墨烯氣凝膠結(jié)構(gòu)均勻分散在碳纖維編制體的孔隙中。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，氧

4、化石墨烯C-O-C峰消失，含氧官能團(tuán)的峰明顯變?nèi)酰瑢?duì)還原石墨烯氣凝膠的N1s峰進(jìn)行分峰擬合在檢測到四價(jià)N，即-NH3+這也證明三聚氰胺的-NH2與CF或氧化石墨烯中的-COOH發(fā)生反應(yīng)，以離子鍵結(jié)合，而且碳纖維/還原石墨烯氣凝膠在Ar氣氛下的熱穩(wěn)定性得到極大的提高。
　　本文采用真空浸漬方法，制備了不同浸漬次數(shù)的碳纖維/石墨烯氣凝膠改性ZrC陶瓷，并在不同溫度下裂解得到復(fù)合材料。對(duì)ZrC陶瓷前驅(qū)體在不同溫度下進(jìn)行裂解，分析發(fā)現(xiàn)，1

5、000℃時(shí)，僅有t-ZrO2相，1000℃以上發(fā)生t-ZrO2向m-ZrO2的相轉(zhuǎn)化，當(dāng)溫度高于1500℃，體系發(fā)生碳熱還原反應(yīng)得到ZrC陶瓷，1600℃時(shí)裂解得到了ZrC陶瓷，而且裂解產(chǎn)率極低；通過不同裂解溫度對(duì)材料性能的影響發(fā)現(xiàn)，碳纖維參與體系碳熱還原反應(yīng)，隨著溫度的升高，碳纖維被腐蝕的越嚴(yán)重，石墨烯的引入能一定程度的降低碳纖維參與碳熱還原反應(yīng)；通過不同浸漬次數(shù)對(duì)材料性能的影響發(fā)現(xiàn)，引入石墨烯的復(fù)合材料密度和壓縮強(qiáng)度均比碳纖維編織體