【基金標(biāo)書】2011CB605800-高性能炭 炭復(fù)合材料高效制備與服役基礎(chǔ)研究

項(xiàng)目名稱： 高性能炭 /炭復(fù)合材料高效制備與服役基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 熊翔 中南大學(xué) 起止年限： 托部門： 教育部 二、預(yù)期目標(biāo) 1. 總體目標(biāo) 發(fā)展長(zhǎng)程傳輸快速 密技術(shù)、高效液相增密技術(shù)，實(shí)現(xiàn)炭結(jié)構(gòu)可控可調(diào)，奠定高性能 C/C 復(fù)合材料的低成本制備技術(shù)基礎(chǔ)；發(fā)展 C/C 復(fù)合材料基體改性技術(shù)和涂層技術(shù)，建立改性組織結(jié)構(gòu)、多相界面結(jié)構(gòu)與多樣化性能的內(nèi)在聯(lián)系，提高 C/C 復(fù)合材料在苛刻環(huán)境下的使用性能，擴(kuò)展其使用范圍，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域；探明 C/C 復(fù)合材料高溫長(zhǎng)時(shí)間服 役行為與防護(hù)機(jī)理，解決國(guó)家中長(zhǎng)期規(guī)劃大飛機(jī)工程、 速飛行器工程等國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)高性能C/C 復(fù)合材料的需求。 2. 五年預(yù)期目標(biāo) (1) 理論成果 研究物理場(chǎng)、氣體流場(chǎng)和碳源組分對(duì) 程中碳源基團(tuán)長(zhǎng)程快速傳輸及演變規(guī)律，揭示快速增密過程機(jī)理； 研究多相界面結(jié)構(gòu)特征，探明 C/C 復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系； 研究 C/C 復(fù)合材料在燒蝕、導(dǎo)熱、吸波、輻照環(huán)境中的服役行為，建立材料失效防 護(hù)理論體系。 (2) 技術(shù)原型 大尺寸異形 C/C 材料快速增密技術(shù)； C/C 材料基體改性技術(shù)和涂層技術(shù)； C/C 材料高溫長(zhǎng)時(shí)耐燒蝕涂層制備技術(shù)； C/C 材料結(jié)構(gòu)功能一體化制備技術(shù)。 (3) 技術(shù)指標(biāo) 均密度 度不均性 8%； 臨近空間條件下 ,工作時(shí)間 1200s。 (4) 應(yīng)用成果 滿足載人航天與探月工程、大飛機(jī)工程、 速飛行器工程等國(guó)家中長(zhǎng)期規(guī)劃對(duì)高性能 C/C 復(fù)合材料的急需； 滿足滿足化工、核能、新能源等對(duì)低成本高性能 C/C 復(fù)合材料的需求。 (5)論著與人才培養(yǎng) 發(fā)表論文 200 篇以上 (其中 刊物 150 篇以上 )，出版專著 2 本； 申請(qǐng)發(fā)明專利 2025 項(xiàng)，獲省部級(jí)以上科技獎(jiǎng)勵(lì) 4 項(xiàng)； 培養(yǎng)博士后 1015 人，博士生 1520 人，碩士生 3035 人，培養(yǎng)和造就一支高水平的研究團(tuán)隊(duì)，建立與發(fā)展本領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新基地。 三、研究方案 1. 總體研究思路 C/C 復(fù)合材料具有多種制備方法和復(fù)雜的工藝過程，制備技術(shù)的多樣性直接導(dǎo)致了其組織結(jié)構(gòu)和性能的多樣化，從而可滿足應(yīng)用的多樣性要求。本項(xiàng)目以長(zhǎng)路徑傳輸快速增密和高效液相增密為突破口，解決大尺寸異形 C/C 復(fù)合材料構(gòu)件高效制備的基礎(chǔ)問題；結(jié)合基體陶瓷改性和表面涂層防護(hù)及一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)化多相界面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的多樣化，解決 C/C 復(fù)合 材料苛刻環(huán)境服役的基礎(chǔ)問題；在此基礎(chǔ)上，建立高性能 C/C 復(fù)合材料設(shè)計(jì)與服役的理論體系，形成低成本制備技術(shù)原型。 C/C 復(fù)合材料基礎(chǔ)研究學(xué)術(shù)思路圖 2. 技術(shù) 路線 (1) 高性能 C/C 復(fù)合材料高效增密與過程控制 以化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)為基礎(chǔ)，以氣相色譜、拉曼光譜等為分析手段，研究碳源基團(tuán)的演變規(guī)律。 采用碳源復(fù)合技術(shù)，探明 質(zhì)高速增密的規(guī)律。 以氣體擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)模擬，探明碳源基團(tuán)等氣體流在坯體中的消耗傳質(zhì)沉積規(guī)律。 設(shè)計(jì)物理場(chǎng)和氣體流場(chǎng)，探討各向同性熱解炭和高溫?zé)峤馓拷Y(jié)構(gòu) 的生長(zhǎng)和快速沉積機(jī)理，以及高密度炭纖維預(yù)制體和大尺寸異形件的 程影響因素。 以煤瀝青和糠酮樹脂為對(duì)象，詳細(xì)探討預(yù)制體孔隙尺寸與浸漬用前驅(qū)體之間的匹配規(guī)律，精確控制浸漬過程。 研究熱解炭與瀝青炭，熱解炭與樹脂炭，瀝青炭和樹脂炭之間的匹配過程和規(guī)律，優(yōu)化協(xié)同增密的工藝參數(shù)和工藝過程，形成材料性能調(diào)控技術(shù)。 (2) C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制 分析影響 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱性能的主次因素，結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，建立 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱數(shù)學(xué)理論模型，給出 C/C 復(fù)合材料獲得高導(dǎo)熱性能的典型 結(jié)構(gòu)特征。 從宏觀、細(xì)觀、微觀角度開展高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的多層次設(shè)計(jì)，利用國(guó)產(chǎn)中間相瀝青及中間相瀝青炭纖維為增強(qiáng)體，采用熱壓、高溫浸漬 /炭化等多種方法進(jìn)行材料制備，獲得材料結(jié)構(gòu)與制備工藝之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 通過 C/C 復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能表征與分析，并與材料的晶體結(jié)構(gòu)、孔隙、界面等因素的相結(jié)合，將之反饋于高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的控制，建立高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料工藝 性能的關(guān)聯(lián)性。 通過分析高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料高溫組織結(jié)構(gòu)特征及其演變，研究高導(dǎo)熱C/C 復(fù)合材料導(dǎo)熱性能隨溫度的變化 規(guī)律，建立高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與其高溫導(dǎo)熱性能的相關(guān)性，并探索高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料在服役環(huán)境中使用的可行性。 (3) 炭 /炭復(fù)合材料多相界面設(shè)計(jì)與表征評(píng)價(jià) 利用高分辨透射電鏡、場(chǎng)發(fā)射高空間分辨透射電鏡，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡等顯微分析手段，從微米尺度到納米原子尺度研究表征各種炭 金屬界面的原子結(jié)構(gòu)及缺陷結(jié)構(gòu)；電子能量損失譜 (究 C/C 復(fù)合材料相界面精細(xì)結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)；選擇性制備截面電鏡樣品，以保證從宏觀、介觀到微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)觀察。 利用納米壓痕法以及其它微尺度力學(xué)性能原位測(cè)量裝 置研究界面區(qū)的納微尺度力學(xué)性能和界面結(jié)合強(qiáng)度。研究界面對(duì) C/C 復(fù)合材料力學(xué)、熱物理性能的影響規(guī)律及其機(jī)理。 采用有限元方法，分析異質(zhì)連接界面應(yīng)力，并采用 X 射線衍射等 進(jìn)行 實(shí)測(cè)驗(yàn)證 ，優(yōu)化設(shè)計(jì)界面過渡結(jié)構(gòu) ； 采用高溫接觸角測(cè)量?jī)x研究金屬對(duì) C/C 復(fù)合材料表面的潤(rùn)濕性，探討 C/C 復(fù)合材料表面改性方法及機(jī)理，改善潤(rùn)濕性 。 研究高溫或熱循環(huán)作用下異質(zhì)連接過渡層結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律 ，分析 過渡層結(jié)構(gòu)變化對(duì)界面各層微觀力學(xué)行為、層間結(jié)合及接頭連接強(qiáng)度的影響， 進(jìn)一步優(yōu)化界面過渡結(jié)構(gòu) 。 (4) C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)控制及力學(xué)與吸波性能 協(xié)同設(shè)計(jì) 在不同溫度下，測(cè)試具有不同熱解炭基體結(jié)構(gòu)、不同結(jié)構(gòu)和性能特性炭纖維、不同炭纖維含量和排列結(jié)構(gòu) C/C 復(fù)合材料的電磁參數(shù)，以及對(duì)不同頻率雷達(dá)波的反射率，確定影響 C/C 復(fù)合材料電磁波響應(yīng)特性的主要因素。 在炭纖維表層摻雜納米金屬顆粒，以及在炭纖維表面原位生長(zhǎng)炭纖維炭納米纖維和碳化物納米纖維，改變炭纖維的成分、晶型、截面形狀和表面結(jié)構(gòu)，提高炭纖維對(duì)電磁波的損耗。 進(jìn)行炭纖維、基體和涂層阻抗匹配設(shè)計(jì)，根據(jù) C/C 復(fù)合材料吸波特性控制和高溫力學(xué)性能要求，設(shè)計(jì) C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)和多相界面，通過炭纖維和基體 改性、復(fù)合涂層和制備工藝等控制 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)。 表征分析 C/C 復(fù)合材料經(jīng) 800 、 1000 和 1200 氧化后的微結(jié)構(gòu)變化，并分別測(cè)試材料力學(xué)性能和雷達(dá)波反射率。在 800 、 1000 和 1200 分別測(cè)試 C/C 復(fù)合材料的力學(xué)性能和雷達(dá)波反射率。研究高溫服役過程中 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)和吸波性能的演變機(jī)制。 進(jìn)行 C/C 復(fù)合材料高溫力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)，研究高溫承載吸波一體化 C/C 復(fù)合材料制備方法。 (5) C/C 復(fù)合材料高溫長(zhǎng)時(shí)燒蝕行為與控制方法 采用 漬 陶 瓷相對(duì) C/C 復(fù)合材料基體進(jìn)行改性，探討相成分、界面結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)及體積含量等與 C/C 復(fù)合材料力學(xué)性能、抗氧化耐燒蝕性能的關(guān)聯(lián)性。 采用 滲或噴涂技術(shù)，制備 復(fù)合涂層，探討耐燒蝕涂層多層次微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制 (包括成分梯度分布指數(shù)、涂層厚度、涂層層數(shù)以及晶體結(jié)構(gòu) )。 綜合涂層技術(shù)、基體改性技術(shù)，研究涂層 /基體一體化 C/C 復(fù)合材料改性調(diào)控技術(shù)。 以高溫風(fēng)洞模擬，佐以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證和修正，研究材料的環(huán)境損傷行為，探討防護(hù)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)高溫、高馬赫、富氧長(zhǎng)時(shí)間耐燒蝕 C/C 復(fù)合 材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。 (6) C/C 復(fù)合材料輻照損傷機(jī)理與改性 利用同軸源原子氧試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行 C/C 材料及其改性材料的原子氧轟擊試驗(yàn)，通過改變轟擊時(shí)間而實(shí)現(xiàn)原子氧通量的不同。利用同步輻射加速器進(jìn)行材料的粒子輻照試驗(yàn)；利用獨(dú)立中子源進(jìn)行材料的中子輻射；利用 合環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行材料的質(zhì)子和電子輻照試驗(yàn)。 利用 手段分析材料組分和鍵合變化，確定輻照環(huán)境中，基體改性物質(zhì)、涂層與 C/C 復(fù)合材料的相互作用機(jī)理，結(jié)合單一炭結(jié)構(gòu)或單一物質(zhì)在輻照環(huán)境中的微結(jié)構(gòu)和性能演變規(guī)律等損傷特征，逐 步還原 C/ 通過建立材料組分、鍵合變化與微結(jié)構(gòu)、熱物理性能和力學(xué)性能演變規(guī)律的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定 C/C 復(fù)合材料、基體改性 C/C 復(fù)合材料、梯度涂層 C/C 復(fù)合材料和梯度涂層 /基體改性 C/C 復(fù)合材料的輻照損傷表征參數(shù)，然后綜合建立完整的 C/C 復(fù)合材料輻照損傷表征體系。 基于 C/C 復(fù)合材料及其改性材料的損傷機(jī)理對(duì)比，確定改性物質(zhì)的輻照環(huán)境的防護(hù)作用機(jī)制，在力 學(xué)性能與抗輻照性能協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上確定輻照防護(hù)體系，并發(fā)展輻照 防護(hù) 改性技術(shù)。 3. 可 行性分析 (1) C/C 復(fù)合材料具有多種制備 技術(shù)和復(fù)雜的工藝過程，制備技術(shù)的多樣性直接導(dǎo)致了材料組織結(jié)構(gòu)和性能的多樣性；引入陶瓷改性炭基體與表面涂層，賦予了材料的組織結(jié)構(gòu)更加多樣化和性能高端化。美、法等國(guó)家取得了很大進(jìn)展，C/C 復(fù)合材料已實(shí)際應(yīng)用于不同苛刻環(huán)境。我國(guó)要迎頭趕上，使 C/C 復(fù)合材料的制備和應(yīng)用整體技術(shù)水平盡快進(jìn)入世界先進(jìn)行列。 (2) 本項(xiàng)目集中了我國(guó)從事 C/C 復(fù)合材料研究的優(yōu)勢(shì)單位，各承擔(dān)單位具有長(zhǎng)期的工作積累，承擔(dān)單位間有著良好的合作關(guān)系，為本項(xiàng)目的開展準(zhǔn)備了良好的軟件條件和充分的硬件條件。 (3) 前期 973 項(xiàng)目 “高性能 C/C 復(fù)合材 料的基礎(chǔ)研究 ”，解決了 “碳原子排列機(jī)理及其演變機(jī)制 ”、典型 C/C 復(fù)合材料 “結(jié)構(gòu)及界面特性與表征 ”和 1700 富氧“環(huán)境服役動(dòng)態(tài)過程與防護(hù)機(jī)理 ”三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，初步奠定了發(fā)展高性能 C/為本項(xiàng)目的開展打下了堅(jiān)實(shí)的前期工作基礎(chǔ)。 (4) 結(jié)合我國(guó)國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，本項(xiàng)目各課題承擔(dān)單位已承擔(dān)過與所承擔(dān)課題相關(guān)的技術(shù)研究工作，為本項(xiàng)目各課題的開展作好了較充分的前期準(zhǔn)備。各課題擬定了具體清晰的技術(shù)路線，明確了所需解決的科學(xué)問題。與國(guó)家需求緊密結(jié)合，通過本項(xiàng)目的研究，可奠 定 C/C 復(fù)合材料高效制備技術(shù)的理論基礎(chǔ)，大幅度提高材料性能。 (5) 為提高 C/C 復(fù)合材料在不同應(yīng)用領(lǐng)域的使用性能，突破其性能固有的局限性，近年來，本項(xiàng)目承擔(dān)單位承擔(dān)完成了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家863 計(jì)劃項(xiàng)目和軍工配套項(xiàng)目等，掌握了相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)。 (6) 我國(guó)已建設(shè)有馬赫數(shù)為 6 的風(fēng)洞試驗(yàn)基地，為本項(xiàng)目高馬赫數(shù)、高溫長(zhǎng)時(shí)間耐燒蝕性能的研究提供了條件。 (7) 由于國(guó)外對(duì)原材料的出口限制和技術(shù)封鎖，我國(guó)高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的研制一直處于低水平。近年來，隨著原材料的逐步國(guó)產(chǎn)化，市場(chǎng)需求加大以及技術(shù)的進(jìn)步， 為高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究提供了良好契機(jī)。 (8) 建于中國(guó)核動(dòng)力院的高通量工程試驗(yàn)堆是我國(guó)現(xiàn)役最大的多功能綜合性試驗(yàn)堆，主要承擔(dān)軍用和民用核電站燃料組件、堆用材料及部件的輻照考驗(yàn)，可滿足本課題的輻照研究需要。 4. 創(chuàng)新點(diǎn)與特色 結(jié)合 C/C 復(fù)合材料制備過程及改性的微結(jié)構(gòu)形成機(jī)制和多種服役環(huán)境的損傷機(jī)理，進(jìn)行多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造： (1)優(yōu)化構(gòu)建 程的物理場(chǎng)、氣體流場(chǎng)和碳源基團(tuán)，調(diào)控中間基團(tuán)長(zhǎng)程快速遷移、裂解、聚合行為，實(shí)現(xiàn)大尺寸異型構(gòu)件的高速高質(zhì)增密； (2)利用國(guó)產(chǎn)中間相瀝青和中間相瀝青 炭纖維，進(jìn)行高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制； (3)精細(xì)表征炭 入過渡結(jié)構(gòu)，調(diào)控界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多相界面設(shè)計(jì)； (4)通過炭纖維和基體改性、表面涂層設(shè)計(jì)，控制 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)和多相界面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能與電磁響應(yīng)特性協(xié)同； (5)多相基體與涂層協(xié)同改性，構(gòu)筑苛刻服役環(huán)境 C/C 復(fù)合材料防護(hù)體系； (6)結(jié)合多種高能粒子對(duì) C/C 復(fù)合材料的損傷演變規(guī)律，揭示輻照對(duì) C/C 復(fù)合材料的損傷機(jī)理。 5. 課題設(shè)置 圍繞項(xiàng)目提出的要解決的三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題及項(xiàng)目總目標(biāo) ， 設(shè)置 6 個(gè)課題。 關(guān)鍵科學(xué)問題 課題名稱 碳源基團(tuán)高質(zhì)高速增密過程機(jī)理與控制 (1)高性能 C/C 復(fù)合材料高效增密與過程控制 (2)C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制 C/(3)炭 /炭復(fù)合材料多相界面設(shè)計(jì)與表征評(píng)價(jià) (4)C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)控制及力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì) C/(5)C/C 復(fù)合材料高溫長(zhǎng)時(shí)燒蝕行為與控制方法 (6)C/C 復(fù)合材料輻照損傷機(jī)理與改性 通過研究長(zhǎng)程傳輸快速 密過程機(jī)理和液相 增密過程特征，研究 C/解決大尺寸異形件低成本制備問題、炭結(jié)構(gòu)調(diào)控問題 (設(shè)置課題 1)以及采用國(guó)產(chǎn)原材料制備高性能 C/C 復(fù)合材料問題(設(shè)置課題 2)提供理論基礎(chǔ)。通過精細(xì)表征 C/C 復(fù)合材料中炭 究 C/C 復(fù)合材料微觀組織和多相界面結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理 (設(shè)置課題 3)，研究炭纖維、基體改性技術(shù)和復(fù)合梯度涂層技術(shù)，研究 C/C 復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和多相界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法 (設(shè)置課題 4)，為實(shí)現(xiàn) C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多樣化和性能高端化奠定理論基礎(chǔ)。通過研究高馬赫、 高溫、富氧環(huán)境下 C/設(shè)置課題 5)，研究輻照損傷機(jī)理 (設(shè)置課題 6)，探明C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境下的失效機(jī)理，為提高 C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境服役能力奠定理論基礎(chǔ)。在這些基礎(chǔ)上，建立高性能 C/C 復(fù)合材料高效制備與服役的理論體系，形成低成本制備技術(shù)原型。 課題 1： 高性能 C/C 復(fù)合材料高效增密與過程控制 研究目標(biāo)： 實(shí)現(xiàn)炭結(jié)構(gòu)可控可調(diào)，形成高性能 C/C 復(fù)合材料低成本制備技術(shù)原型。 主要研究?jī)?nèi)容： 程中物理場(chǎng)、氣體流場(chǎng)和碳源組分的構(gòu)建，中間基團(tuán)的高速、高質(zhì)增密原理； 單一和復(fù)合碳源對(duì) 程中炭結(jié)構(gòu)和增密速率的影響規(guī)律； 大尺寸、異形件 程的影響因素； 特種熱解炭結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制； 液相碳源高速、高效、低成本增密原理與過程控制； 優(yōu)化復(fù)合增密過程，形成材料性能調(diào)控技術(shù)。 承擔(dān)單位： 中南大學(xué)， 西安航天復(fù)合材料研究所 課題負(fù)責(zé)人： 黃啟忠 學(xué)術(shù)骨干： 張曉虎、謝志勇、張明瑜、王坤杰 經(jīng)費(fèi)比例： 23% 課題 2： C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制 研究目標(biāo)： 掌握高導(dǎo)熱抗氧化 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制、抗氧化防護(hù)以及整體性能優(yōu)化的相關(guān)理論和制備技術(shù) 。 主要研究?jī)?nèi)容： C/C 復(fù)合材料的高導(dǎo)熱機(jī)理建模； 高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的典型結(jié)構(gòu)特征； 高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表征及控制； 高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料組織、結(jié)構(gòu)及性能的高溫演變機(jī)制； 高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料氧化防護(hù)方法。 承擔(dān)單位： 航天材料及工藝研究所、 中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 課題負(fù)責(zé)人： 馮志海 學(xué)術(shù)骨干： 李秀濤、樊楨、郭全貴、李同起 經(jīng)費(fèi)比例： 14% 課題 3： 炭 /炭復(fù)合材料多相界面設(shè)計(jì)與表征評(píng)價(jià) 研究目標(biāo)： 優(yōu)化多相界面結(jié)構(gòu)。 主要研究?jī)?nèi)容： C/C 復(fù)合材料 炭 炭 炭 面精細(xì)結(jié)構(gòu)表征； 界面結(jié)構(gòu)及微觀力學(xué)性能； 界面結(jié)構(gòu)與 C/C 復(fù)合材料宏觀性能之間的關(guān)系； C/C 復(fù)合材料與異質(zhì)界面過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 異質(zhì)連接界面結(jié)構(gòu) 的 高溫演變與失效機(jī)制 。 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，中南大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 賀連龍 學(xué)術(shù)骨干： 張福勤、于澍、沈智奇、杜華 經(jīng)費(fèi)比例： 15% 課題 4： C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)控制及力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì) 研究目標(biāo)： 掌握 C/C 復(fù)合材料力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)與制備技術(shù)。 主要研究?jī)?nèi)容： C/C 復(fù)合材料的電磁波響應(yīng)特性及機(jī)理； 服 役過程 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)和吸波性能的演變機(jī)制； C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、吸波性能控制方法； 高效吸收劑改性基體炭機(jī)理； C/C 復(fù)合材料力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)與制備。 承擔(dān)單位： 中南大學(xué)，湖南大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 肖鵬 學(xué)術(shù)骨干： 劉洪波、李專、湯中華、李江鴻 經(jīng)費(fèi)比例： 15% 課題 5： C/C 復(fù)合材料高溫長(zhǎng)時(shí)燒蝕行為與控制方法 研究 目標(biāo)： 構(gòu)筑 C/C 復(fù)合材料高溫長(zhǎng)時(shí)耐燒蝕技術(shù)體系，滿足 速飛行器的工作要求。 主要研究?jī)?nèi)容： 高溫長(zhǎng)時(shí)燒蝕行為與失效機(jī)理； 高溫長(zhǎng)時(shí)耐燒蝕涂層設(shè)計(jì) 與制備技術(shù)； 基體改性技術(shù)與控制； 涂層 /基體改性一體化設(shè)計(jì)與制備； 長(zhǎng)時(shí)間高溫富氧環(huán)境下涂層 /基體改性一體化復(fù)合材料的失效與防護(hù)機(jī)制。 承擔(dān)單位： 中南大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 熊翔 學(xué)術(shù)骨干： 李國(guó)棟、陳招科、張武裝、尹健 經(jīng)費(fèi)比例： 19% 課題 6： C/C 復(fù)合材料輻照損傷機(jī)理與改性 研究目標(biāo)： 確定 C/C 輻照損傷機(jī)理，建立損傷表征體系，掌握輻照防護(hù)改性方法。 主要研究?jī)?nèi)容 ： 輻照環(huán)境中 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能演變規(guī)律； 輻照環(huán)境中 C/C 復(fù)合材料損傷機(jī)理與表征方法； 輻照環(huán)境中基體改性物質(zhì)、涂層 與 C/C 復(fù)合材料的相互作用機(jī)理； 力學(xué)性能與抗輻照性能協(xié)同設(shè)計(jì)； 輻照環(huán)境中 C/C 復(fù)合材料改性技術(shù)。 承擔(dān)單位： 西北工業(yè)大學(xué)，中南大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 成來飛 學(xué)術(shù)骨干： 欒新剛、陳潔、李克智、陳博 經(jīng)費(fèi)比例： 14% 四、年度計(jì)劃 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1）多元 物理場(chǎng)長(zhǎng)程傳輸 置及氣體流場(chǎng)設(shè)計(jì)； 2）液相增密浸漬劑選擇及組分優(yōu)化； 3）高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)建模分析； 4） C/C 復(fù)合材料界面精細(xì)結(jié)構(gòu)表征方法； 5） C/C 復(fù)合材料 電磁波響應(yīng)特性 ； 6） C/C 復(fù)合材料的基體改性 機(jī)理 和方法； 7） C/C 材料的輻照損傷 及 表征 。 1）形成大尺寸、異形件復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，獲得 程中物理場(chǎng)和氣體流場(chǎng)作用的初步規(guī)律； 2）建立 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱數(shù)學(xué)理論模型； 3） 揭示炭纖維與不同結(jié)構(gòu)基體炭界面，基體炭與基體炭界面結(jié)構(gòu)特征； 4） 揭示 C/C 復(fù)合材料的 電磁波響應(yīng)機(jī)理 ； 5） 形成 C/C 復(fù)合材料陶瓷相基體改性技術(shù)原型 ； 6） 建立 C/C 材料的輻照損傷表征體系，科學(xué)表征損傷失效 ； 7） 申請(qǐng)專利 4 5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 60 篇，其中 I 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 1） 碳源對(duì)長(zhǎng)程傳輸 密 速 率的影響； 2） 液相增 密過程中預(yù)制體結(jié)構(gòu)和炭結(jié)構(gòu) 的 演變 ； 3） 高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4） C/C 復(fù)合材料異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)表征及界面應(yīng)力分析； 5） 吸收劑與 基體炭的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)吸波性能的影響 ； 6） C/C 復(fù)合材料的 涂層 改性 技術(shù)； 7） 基體改性 C/C 復(fù)合 材料 的 輻照損傷 特征。 1）優(yōu)化碳源組合，獲得最佳的快速效增密的技術(shù)條件； 2） 給出高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的典型結(jié)構(gòu)特征； 3） 揭示炭 立界面精細(xì)結(jié)構(gòu)表征體系； 4） 闡明 吸收劑 的組成、分布及其與基體炭炭的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)吸波性能的影響規(guī)律 ； 5） 設(shè)計(jì)出多層次復(fù)合涂層微結(jié)構(gòu) ，優(yōu)化陶瓷涂層組合模式； 6） 掌握基體改性 C/C 復(fù)合材料的 輻照損傷機(jī)理 ； 7） 申請(qǐng)專利 4 5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 60 篇，其中 I 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。 第 三 年 1） 長(zhǎng)程傳輸 程中間產(chǎn)物及熱解炭結(jié)構(gòu)控制； 2） 高導(dǎo)熱碳 /碳復(fù)合材料工藝 3） C/C 復(fù)合材料界面微觀力學(xué)行為； 4） 吸收劑改性炭纖維和基體炭對(duì)C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的影響 ； 5） 涂層 /基體改性一體化 C/C 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制 ； 6） 梯度涂層 C/C 復(fù)合 材料 的 輻照損傷 特征。 1） 揭示 間產(chǎn)物和熱解炭微觀結(jié)構(gòu)多樣性之間關(guān)系； 2） 掌握 高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)控制方法； 3） 探明界面微觀力學(xué)性能的影響因素； 4） 探明基體炭與耐高溫吸收劑的協(xié)同吸波機(jī)制 ； 5） 掌握 一體化 改性 C/C 材料的制備技術(shù) ； 6） 確定 梯度涂層 C/C 材料的輻照損 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 傷機(jī)理 ； 7） 申請(qǐng)專利 4 5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 60 篇，其中 I 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。 第 四 年 1） 大尺寸、異形件液相增密過程中長(zhǎng)程傳輸 增密機(jī)制； 2） 高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及性能的高溫演變； 3） C/C 復(fù)合材料異質(zhì)界面在高溫下的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律； 4） C/C 復(fù)合材料力學(xué)、氧化燒蝕與吸波性能的協(xié)同設(shè)計(jì) ； 5） 一體化 C/C 復(fù)合 材料高馬赫、高溫、富氧服役環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間燒蝕行為 ； 6） 梯度涂層 /基體改性 C/C 復(fù)合 材料的 輻照損傷 特征。 1） 確定大尺寸、異形件高效液相增密關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制容限，建立液2） 相致密化過程浸漬效率評(píng)價(jià)體系； 探明高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料導(dǎo)熱性能高溫演變規(guī)律； 3） 揭示異質(zhì)連接界面在高溫下的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及失效機(jī)制； 4） 實(shí)現(xiàn) C/C 復(fù)合材料抗氧化燒蝕、力學(xué)性能與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì) ； 5） 探明一體化材料高馬赫、高溫、富氧服役條件下的失效機(jī)制 和防護(hù)機(jī)理 ； 6） 確定 梯度涂層 /基體改性 C/C 復(fù)合材料的輻照損傷機(jī)理 ； 7） 申請(qǐng)專利 4 5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 60 篇，其中 I 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 五 年 1） 相增密復(fù)合增密過程優(yōu)化； 2） 高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料性能優(yōu)化； 3） C/C 復(fù)合材料異質(zhì)界面在熱循環(huán)作用下的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律； 4） 高溫服役過程中 C/C 復(fù)合材料吸波性能的穩(wěn)定性 ； 5） 一體化 高溫長(zhǎng)時(shí)燒蝕 C/C 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ； 6） C/C 復(fù)合材料的輻照防護(hù)改性機(jī)制及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 1）探明 C/C 復(fù)合材料高效復(fù)合增密機(jī)制； 2） 優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備新型高導(dǎo)熱 C/ 3） 進(jìn)一步優(yōu)化多相界面結(jié)構(gòu)和異質(zhì)連接界面結(jié)構(gòu)； 4） 探討高溫服役過程中穩(wěn)定 C/C 復(fù)合材料吸波性能的技術(shù)途徑 ; 5） 掌握 C/C 復(fù)合 材料的輻照防護(hù)技術(shù) 和改性技術(shù) ，顯著提高 C/C 材料在輻照環(huán)境中的結(jié)構(gòu)、熱物理性能和力學(xué)性能的穩(wěn)定性 ； 6） C/C 復(fù)合材料 均密度 度不均性 8%；臨近空間條件下 8,工作時(shí)間1200s。 7）申請(qǐng)專利 4 5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 篇以上，其中 I 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。 一、研究?jī)?nèi)容 1. 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題 前期 973 項(xiàng)目解決了 “碳原子排列機(jī)理及其演變機(jī)制 ”、典型 C/C 復(fù)合材料“結(jié)構(gòu)及界面特性與表征 ”和 1700 富氧 “環(huán)境服役動(dòng)態(tài)過程與防護(hù)機(jī)理 ”三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，初步奠定了制備高性能 C/C 復(fù)合材料的理論基礎(chǔ)。 為滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)對(duì) C/C 復(fù)合材料越來越高的性能要求和低成本要求，尚待解決以下五個(gè)方面的基本問題： (1)大尺寸異形 C/C 復(fù)合材料 低成本制備； (2)C/C 復(fù)合材料基體炭結(jié)構(gòu)的可控可調(diào)； (3)C/C 復(fù)合材料中多相界面，涂層界面，以及異質(zhì)連接界面的表征、設(shè)計(jì)和控制； (4)C/C 復(fù)合材料高馬赫、高溫、富氧環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間耐燒蝕和高導(dǎo)熱實(shí)現(xiàn)機(jī)制； (5)C/C 復(fù)合材料高溫吸波行為和輻照行為及防護(hù)。這些基本問題涉及如下三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題： (1) 碳源基團(tuán)高質(zhì)高速增密過程機(jī)理與控制； (2) C/C 復(fù)合材料微觀組織和界面結(jié)構(gòu)形成與作用機(jī)制； (3) C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間服役行為與防護(hù)。通過解決上述三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，奠定高性能 C/C 復(fù)合材料高效制備和 服役的理論基礎(chǔ)，推動(dòng)我國(guó) C/C 復(fù)合材料制備及應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。 圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題一 “碳源基團(tuán)高質(zhì)高速增密過程機(jī)理與控制 ”， 開展高性能C/C 復(fù)合材料高效增密過程與微觀結(jié)構(gòu)控制研究，發(fā)展長(zhǎng)程傳輸、長(zhǎng)程擴(kuò)散快速密技術(shù)和液相增密技術(shù)， 解決大尺寸異形 C/C 復(fù)合材料低成本制備問題，及其炭結(jié)構(gòu)的調(diào)控問題； 開展 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究，解決采用國(guó)產(chǎn)原材料 制備高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論問題。 圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題二 “C/C 復(fù)合材料微觀組織和界面結(jié)構(gòu)形成與作用機(jī)制 ”，開展 炭 /炭復(fù)合材料多相界面 設(shè)計(jì)與表征評(píng)價(jià) 研究，解決 C/C 復(fù)合材料中炭 C/C 復(fù)合材料與涂層界面控制，以及C/C 復(fù)合材料異質(zhì)連接界面的設(shè)計(jì)和控制問題 ；開展 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)控制及力學(xué)與吸波性能協(xié)同研究，設(shè)計(jì) C/C 復(fù)合材料中炭纖維、基體和涂層微結(jié)構(gòu)，解決承載吸波一體化 C/C 復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制備的基礎(chǔ)理論問題 。 圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題三 “C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間服役行為與防護(hù) ”， 開展 C/C 復(fù)合材料高溫長(zhǎng)時(shí)燒蝕行為與防護(hù)方法研究，通過多相基體改性和表面涂層防護(hù)，突破 高馬赫、高溫、富氧環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間耐燒 蝕 C/C 復(fù)合材料制備的理論和技術(shù)瓶頸 ；開展 C/C 復(fù)合材料輻照損傷機(jī)理與改性 研究，解決 C/C 復(fù)合材料輻照防護(hù)的基礎(chǔ)理論問題。 2. 主要研究?jī)?nèi)容 項(xiàng)目以大型、異型構(gòu)件的高效、均勻增密制備技術(shù)和富氧環(huán)境下高溫、長(zhǎng)時(shí)燒蝕行為與防護(hù)作為研究重點(diǎn)。 (1) 高性能 C/C 復(fù)合材料高效增密與過程控制 深入研究復(fù)合碳源組分、物理場(chǎng)、氣體流場(chǎng)、中間基團(tuán)等對(duì)提高 密速率和調(diào)控?zé)峤馓拷Y(jié)構(gòu)的作用，探明沉積過程中基團(tuán)的演變規(guī)律；進(jìn)一步探討不同坯體結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀構(gòu)件的 密過程機(jī)理，發(fā)展長(zhǎng)程傳輸、長(zhǎng)程擴(kuò)散快速 密技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)大尺寸異形構(gòu)件的 質(zhì)高速制備；探索特種熱解炭的結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理，滿足特殊用途應(yīng)用需要；研究液相增密過程機(jī)理，設(shè)計(jì)、優(yōu)化浸漬劑組分