炭纖維表面原位生長碳納米管對C-C復合材料結構和熱物性的影響.pdf

1、C/C復合材料以其優(yōu)異的高溫性能早已廣泛地應用在很多領域。但在C/C復合材料生產中，熱解炭結構不易控制，且與炭纖維之間容易產生同心環(huán)狀微裂紋，這都影響C/C復合材料的性能。本文希望采用原位生長納米碳管(carbon nanotubes，CNT)對炭纖維表面進行改性，并作為C/C復合材料的二次增強相，來加強基體炭與炭纖維之間的結合，改善熱解炭的微觀結構，增強復合材料的熱物理性能。本文首先分析比較了不同的催化劑加載方法的優(yōu)缺點，接著采用比較

2、好的催化劑加載方法將催化劑的前驅體加載到預制體中的炭纖維表面上，并以甲烷為碳源原位生長CNT，最后采用等溫化學氣相滲透法(CVI)熱解天然氣制備出原位CNT/C/C復合材料。希望通過研究不同的工藝條件下以及不同加載量和初始石墨化度的CNT對C/C復合材料界面結構、熱解炭微觀組織和熱物理性能的影響，而得到CNT改善C/C復合材料界面結構和熱解炭微觀組織進而改善試樣熱物理性能之間的聯系及機理。 實驗結果表明： 1)原位共沉淀

3、法和均勻沉淀法得到的催化劑不僅在炭纖維表面分布較均勻，粒徑分布范圍較窄，而且在催化裂解甲烷時也表現出了高活性，均在炭纖維表面生長了非常濃密而均勻的三維網狀“竹節(jié)”結構的CNT，兩法均為比較適合的催化劑加載方法。而溶膠-凝膠法和浸漬法分別在工藝和催化劑的活性上存在問題。 2)在形成SL結構為主的CVI工藝條件下，CNT的加入可以誘導生成易于石墨化的以RL結構為主的帶狀結構并改善了熱解炭和炭纖維之間的界面結合，所得復合材料的熱導率為

4、傳統(tǒng)C/C復合材料1.80倍左右。當CVI工藝條件本身就能生成RL結構時，兩者均為RL結構的熱解炭，在平均石墨化度相近的情況下，CNT使復合材料熱導率提高了13.0％；但兩者的平均石墨化度和熱導率均高于在SL工藝條件下制備的原位CNT/C/C復合材料。 3)CNT引入的催化劑使原位CNT/C/C中的熱解炭呈現半球狀生長，使炭纖維表面生成了更多的細小粒狀組織，引起復合材料平均石墨化度降低，熱導率大幅下降。 4)在炭纖維表面

5、呈現三維網狀分布的CNT能使炭纖維和熱解炭之間形成一個從RL結構到ISO結構轉變的界面區(qū)。隨CNT在炭纖維預制體中加載量的增加該界面區(qū)厚度增加，復合材料微晶尺寸降低，平均石墨化度略微上升，熱導率顯著的下降。 5)隨著CNT初始石墨化度的降低，原位CNT/C/C復合材料的平均石墨化度隨之輕微的降低，其微晶尺寸卻有一定的上升，隨后趨于平穩(wěn)，熱導率呈緩慢上升趨勢。 6)在一個很大的溫度范圍內，CNT在C/C復合材料中可以起穩(wěn)定