炭纖維表面原位生長碳納米管對C-C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和熱物性的影響.pdf

1、C/C復(fù)合材料以其優(yōu)異的高溫性能早已廣泛地應(yīng)用在很多領(lǐng)域。但在C/C復(fù)合材料生產(chǎn)中，熱解炭結(jié)構(gòu)不易控制，且與炭纖維之間容易產(chǎn)生同心環(huán)狀微裂紋，這都影響C/C復(fù)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(jìn)行改性，并作為C/C復(fù)合材料的二次增強(qiáng)相，來加強(qiáng)基體炭與炭纖維之間的結(jié)合，改善熱解炭的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)復(fù)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(diǎn)，接著采用比較

2、好的催化劑加載方法將催化劑的前驅(qū)體加載到預(yù)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(xué)氣相滲透法(CVI)熱解天然氣制備出原位CNT/C/C復(fù)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(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)、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(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)和熱解炭微觀組織進(jìn)而改善試樣熱物理性能之間的聯(lián)系及機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)也表現(xiàn)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(wǎng)狀“竹節(jié)”結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為主的CVI工藝條件下，CNT的加入可以誘導(dǎo)生成易于石墨化的以RL結(jié)構(gòu)為主的帶狀結(jié)構(gòu)并改善了熱解炭和炭纖維之間的界面結(jié)合，所得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為

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

5、呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀分布的CNT能使炭纖維和熱解炭之間形成一個(gè)從RL結(jié)構(gòu)到ISO結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的界面區(qū)。隨CNT在炭纖維預(yù)制體中加載量的增加該界面區(qū)厚度增加，復(fù)合材料微晶尺寸降低，平均石墨化度略微上升，熱導(dǎo)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(fù)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(dǎo)率呈緩慢上升趨勢。 6)在一個(gè)很大的溫度范圍內(nèi)，CNT在C/C復(fù)合材料中可以起穩(wěn)定