炭炭復(fù)合材料制備工藝詳解

1、LOGO高性能炭高性能炭/ /炭復(fù)合材料炭復(fù)合材料提綱提綱炭/炭復(fù)合材料及其應(yīng)用1炭/炭復(fù)合材料的制備2炭/炭復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能35炭/炭復(fù)合材料的研究前沿4炭/炭復(fù)合材料快速CVI致密化技術(shù) 1 C/C復(fù)合材料及其應(yīng)用復(fù)合材料及其應(yīng)用 C/C復(fù)合材料是一種炭纖維增強(qiáng)炭基體的復(fù)合材料是一種炭纖維增強(qiáng)炭基體的先進(jìn)復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料。低密度低密度(約約1.8 g/cm3) 高比強(qiáng)高比強(qiáng)/比模比模耐高溫耐高溫(3000)摩擦磨損性能優(yōu)異摩擦磨損性能優(yōu)異性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)10m炭纖維炭纖維基體炭基體炭孔隙孔隙炭是難熔材料炭是難熔材料, ,石墨的熔點(diǎn)高達(dá)石墨的熔點(diǎn)高達(dá)41774177。優(yōu)異的高溫力學(xué)

2、性能優(yōu)異的高溫力學(xué)性能C/CC/C材料應(yīng)用現(xiàn)代交通材料應(yīng)用現(xiàn)代交通 C/C復(fù)合材料質(zhì)輕、摩擦磨損性能優(yōu)異，是飛機(jī)、高速列車(chē)、磁懸浮列車(chē)、賽車(chē)等現(xiàn)代交通工具最新一代制動(dòng)材料。 飛機(jī)用制動(dòng)盤(pán)飛機(jī)用制動(dòng)盤(pán)與金屬基相比，與金屬基相比，C/C 使波音使波音757減重減重550Kg剎車(chē)副壽命提高剎車(chē)副壽命提高56倍倍高速列車(chē)高速列車(chē)C/CC/C材料應(yīng)用大型制造業(yè)材料應(yīng)用大型制造業(yè)熱結(jié)構(gòu)熱結(jié)構(gòu)耐蝕耐蝕耐熱耐熱 C/C復(fù)合材料耐熱、耐腐蝕，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代大型工業(yè)加熱、化工等領(lǐng)域。霧化管管片噴嘴支架蝶架圓襯管葉輪換熱器換熱器 C/CC/C材料應(yīng)用國(guó)家大型核能工程材料應(yīng)用國(guó)家大型核能工程 C/C復(fù)合材料具有抗強(qiáng)輻

3、射、耐等離子體沖刷、高導(dǎo)熱等優(yōu)異綜合性能，是“國(guó)家大科學(xué)工程聚變實(shí)驗(yàn)裝置” 先進(jìn)第一壁材料。熱核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)堆熱核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)堆C/C C/CC/C材料應(yīng)用航天工程材料應(yīng)用航天工程運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管 C/C復(fù)合材料具有十分優(yōu)異的耐高溫、抗燒蝕性能，是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、翼緣、鼻錐等關(guān)鍵部件的首選材料。C/C 可使運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可使運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)承受溫度提升至承受溫度提升至3000以上以上結(jié)構(gòu)重量減輕結(jié)構(gòu)重量減輕3050% C/CC/C材料應(yīng)用現(xiàn)代國(guó)防建設(shè)材料應(yīng)用現(xiàn)代國(guó)防建設(shè)沒(méi)有高性能沒(méi)有高性能C/C復(fù)合材料，就沒(méi)有現(xiàn)代化的國(guó)防復(fù)合材料，就沒(méi)有現(xiàn)代化的國(guó)防相比于鎢滲銅相比于鎢滲銅結(jié)構(gòu)重量減

4、輕結(jié)構(gòu)重量減輕80% 射程顯著增加射程顯著增加戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈炭戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈炭/ /炭復(fù)合材料推進(jìn)系統(tǒng)炭復(fù)合材料推進(jìn)系統(tǒng)重量減輕重量減輕80% 射程顯著增加射程顯著增加過(guò)渡環(huán)喉襯擴(kuò)散段其它應(yīng)用領(lǐng)域其它應(yīng)用領(lǐng)域l 高溫?zé)岱雷o(hù)l 半導(dǎo)體工業(yè)l 熱壓模具 2 C/C復(fù)合材料的制備復(fù)合材料的制備碳纖維預(yù)制體化學(xué)氣相沉積 （CVD或CVI）熱固性樹(shù)脂浸漬、固化瀝青浸漬碳化9001500C/C復(fù)合材料碳化1000石墨化處理（21002800）C/C復(fù)合材料反復(fù)多次坯體的制備坯體的制備致密化致密化石墨化石墨化抗氧化涂層抗氧化涂層C/CC/C復(fù)合材料制備的關(guān)鍵技術(shù)復(fù)合材料制備的關(guān)鍵技術(shù)坯體的制備坯體的制備炭纖

5、維針刺整體氈炭纖維針刺整體氈(0o/90o，0.550.05g/cm3)0.30.10.70.1細(xì)編穿刺氈細(xì)編穿刺氈熱解炭的化學(xué)氣相沉積或滲透熱解炭的化學(xué)氣相沉積或滲透 CVI工藝工藝是把炭纖維預(yù)制體置于專(zhuān)用的是把炭纖維預(yù)制體置于專(zhuān)用的CVI爐中，加熱至要求的溫度，爐中，加熱至要求的溫度，通入碳源氣（通入碳源氣（CH4、C2H4、C3H6、C3H8）這些氣體熱解并在炭纖維）這些氣體熱解并在炭纖維上沉積炭，以填充多孔預(yù)制體中的孔隙。上沉積炭，以填充多孔預(yù)制體中的孔隙。 它是高性能炭它是高性能炭/炭材料實(shí)現(xiàn)增炭材料實(shí)現(xiàn)增密的首選工藝。密的首選工藝。致密化致密化熱壁式熱壁式CVI冷壁式冷壁式CVI熱

6、解炭的化學(xué)氣相沉積熱解炭的化學(xué)氣相沉積是指含碳?xì)怏w是指含碳?xì)怏w(主要是烴類(lèi)主要是烴類(lèi)氣體氣體)發(fā)生發(fā)生復(fù)雜的熱解化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜的熱解化學(xué)反應(yīng)并在基體表面生成固體并在基體表面生成固體炭的過(guò)程。炭的過(guò)程。1atm和不同溫度下烴分子、氫氣、石墨、和不同溫度下烴分子、氫氣、石墨、 C60和無(wú)定形碳的吉布斯自由能比較和無(wú)定形碳的吉布斯自由能比較從甲烷生成從甲烷生成C2的主要化學(xué)反應(yīng)路線的主要化學(xué)反應(yīng)路線(1100，10kPa)1. 1. 生成生成C2H6C2H6和和H2H2的初級(jí)反應(yīng)的初級(jí)反應(yīng)CH4CH3+HCH4CH3+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H22CH3C2H62CH3C2H6總反應(yīng)

7、為總反應(yīng)為 2CH4C2H6+H22CH4C2H6+H22. C2H62. C2H6的次級(jí)反應(yīng)的次級(jí)反應(yīng)CH3+C2H6CH4+C2H5CH3+C2H6CH4+C2H5C2H5C2H4+HC2H5C2H4+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2可逆（單分子）反應(yīng)為可逆（單分子）反應(yīng)為C2H62CH3C2H62CH3總反應(yīng)為總反應(yīng)為 C2H6C2H4+H2C2H6C2H4+H23. C2H43. C2H4的次級(jí)反應(yīng)的次級(jí)反應(yīng)CH3+C2H4CH4+C2H3CH3+C2H4CH4+C2H3C2H3C2H2+HC2H3C2H2+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2總反應(yīng)為總反應(yīng)為

8、C2H4C2H2+H2C2H4C2H2+H2自由基鏈的甲基化自由基鏈的甲基化CH3CH3C2H4n-C3H7C2H4n-C3H7n n-C3H7C3H6+H-C3H7C3H6+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2總反應(yīng)為總反應(yīng)為 C2H4C2H4+CH4C3H6+H2+CH4C3H6+H2甲烷熱解的部分基元化學(xué)反應(yīng)甲烷熱解的部分基元化學(xué)反應(yīng)4. C2H24. C2H2的次級(jí)反應(yīng)的次級(jí)反應(yīng)CH3+C2H2CH4+C2HCH3+C2H2CH4+C2HC2HC2+HC2HC2+H自由基鏈的甲基化為自由基鏈的甲基化為CH3+C2H2CH3CHCHCH3+C2H2CH3CHCHCH3CHCHC

9、H3CCH+HCH3CHCHCH3CCH+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2總反應(yīng)為總反應(yīng)為 C2H2+CH4CH3CCH+HC2H2+CH4CH3CCH+H2 25. C3H65. C3H6的次級(jí)反應(yīng)的次級(jí)反應(yīng)CH3+C3H6CH4+C3H5CH3+C3H6CH4+C3H5C3H5CH2CCH2+HC3H5CH2CCH2+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2總反應(yīng)為總反應(yīng)為 C3H6CH2CCH2+H2C3H6CH2CCH2+H2自由基鏈的甲基化為自由基鏈的甲基化為CH3+C3H6CH3CH2CHCH3CH3+C3H6CH3CH2CHCH3CH3CH2CHCH3CH3C

10、H2CH=CH2CH3CH2CHCH3CH3CH2CH=CH2+H+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2總反應(yīng)為總反應(yīng)為 C3H6+CH4CH3 C3H6+CH4CH3 CH2CH=CH2+H2CH2CH=CH2+H2烴類(lèi)氣體烴類(lèi)氣體芳香烴和多芳香烴和多環(huán)芳香烴環(huán)芳香烴固體炭顆粒固體炭顆粒氣相熱解氣相形核烴類(lèi)氣體烴類(lèi)氣體表面吸附表面化學(xué)反應(yīng)與表面脫附非均勻形核熱解炭熱解炭均氣相反應(yīng)均氣相反應(yīng)氣氣固兩相反應(yīng)固兩相反應(yīng)表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散表面化學(xué)反應(yīng)表面化學(xué)反應(yīng)均氣相化學(xué)反應(yīng)均氣相化學(xué)反應(yīng)基體表面基體表面氣氣固相邊固相邊界層界層沉積速率沉積速率曲線曲線熱解炭熱解炭延長(zhǎng)氣相滯留時(shí)間延長(zhǎng)氣相滯留

11、時(shí)間熱解炭的化學(xué)氣相沉積是復(fù)雜的均氣相化學(xué)反應(yīng)熱解炭的化學(xué)氣相沉積是復(fù)雜的均氣相化學(xué)反應(yīng)和氣和氣固表面化學(xué)反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)作用的結(jié)果。固表面化學(xué)反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)作用的結(jié)果。l 反應(yīng)氣體進(jìn)入反應(yīng)室；反應(yīng)氣體進(jìn)入反應(yīng)室；l 反應(yīng)氣體擴(kuò)散進(jìn)入預(yù)制纖維多孔體；反應(yīng)氣體擴(kuò)散進(jìn)入預(yù)制纖維多孔體；l 反應(yīng)氣體分子吸附在纖維表面；反應(yīng)氣體分子吸附在纖維表面；l 吸附分子熱解成炭；吸附分子熱解成炭；l 氣相副產(chǎn)物分子脫附并擴(kuò)散排出多孔體；氣相副產(chǎn)物分子脫附并擴(kuò)散排出多孔體；l 氣相副產(chǎn)物排出反應(yīng)室氣相副產(chǎn)物排出反應(yīng)室。 l 氣體分子可以在固體表面上發(fā)生物理吸附和化學(xué)吸附。氣體分子可以在固體表面上發(fā)生物理吸附和化學(xué)吸附。

12、l 物理吸附是高度可逆的過(guò)程，氣體分子在固體表面的物理吸附隨溫度物理吸附是高度可逆的過(guò)程，氣體分子在固體表面的物理吸附隨溫度的升高迅速減弱。的升高迅速減弱。l 化學(xué)吸附是氣體分子和固體表面的原子發(fā)生的成鍵作用，化學(xué)鍵的形化學(xué)吸附是氣體分子和固體表面的原子發(fā)生的成鍵作用，化學(xué)鍵的形成對(duì)固體表面和氣體分子雙方都具有選擇性。成對(duì)固體表面和氣體分子雙方都具有選擇性。l 氣體分子在固體表面的化學(xué)吸附隨溫度的升高而增強(qiáng)，并且當(dāng)發(fā)生脫氣體分子在固體表面的化學(xué)吸附隨溫度的升高而增強(qiáng)，并且當(dāng)發(fā)生脫附時(shí)，往往有新物質(zhì)生成。附時(shí)，往往有新物質(zhì)生成。氣體分子在固體表面的吸附：氣體分子在固體表面的吸附：整個(gè)整個(gè)CVIC

13、VI過(guò)程可分步驟表述如下過(guò)程可分步驟表述如下 ： 炭材料表面的活炭材料表面的活性位是指某種氣體組性位是指某種氣體組分能夠在上面發(fā)生化分能夠在上面發(fā)生化學(xué)吸附的碳原子。學(xué)吸附的碳原子。 活性碳原子都有活性碳原子都有未飽和的未飽和的SPSP單電子單電子或者空的成鍵軌道。或者空的成鍵軌道。 在在1100和和10kPa壓強(qiáng)條件下，甲烷和氫氣分子的平均自由程分別壓強(qiáng)條件下，甲烷和氫氣分子的平均自由程分別為為2.53m和和5.83m。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程與孔直徑的差。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程與孔直徑的差別大小，由濃度梯度引起的氣體分子在多孔體內(nèi)的擴(kuò)散，可分為分子別大小，由濃度梯度引起的氣體分子

14、在多孔體內(nèi)的擴(kuò)散，可分為分子擴(kuò)散（擴(kuò)散（Fick diffusion）和努森擴(kuò)散（）和努森擴(kuò)散（Knudsen diffusion）兩種。分）兩種。分子擴(kuò)散通過(guò)氣體分子之間的碰撞進(jìn)行，努森擴(kuò)散通過(guò)氣體分子與孔壁子擴(kuò)散通過(guò)氣體分子之間的碰撞進(jìn)行，努森擴(kuò)散通過(guò)氣體分子與孔壁的碰撞進(jìn)行。的碰撞進(jìn)行。 通過(guò)通過(guò)CVI 在炭纖維多孔預(yù)制體內(nèi)部沉積熱解炭的開(kāi)始階段，孔的直在炭纖維多孔預(yù)制體內(nèi)部沉積熱解炭的開(kāi)始階段，孔的直徑一般都在數(shù)百微米，此時(shí)分子擴(kuò)散是氣體輸運(yùn)的主要方式；到了徑一般都在數(shù)百微米，此時(shí)分子擴(kuò)散是氣體輸運(yùn)的主要方式；到了CVI的后期，孔的平均直徑下降到的后期，孔的平均直徑下降到10m以下，此

15、時(shí)努森擴(kuò)散成為主要的氣以下，此時(shí)努森擴(kuò)散成為主要的氣體輸運(yùn)方式。體輸運(yùn)方式。 由于努森擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分子擴(kuò)散系數(shù)，由于努森擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分子擴(kuò)散系數(shù)，在在CVI的后期，熱解炭在的后期，熱解炭在坯體內(nèi)部的沉積變得異常緩慢，這是等溫等壓坯體內(nèi)部的沉積變得異常緩慢，這是等溫等壓CVI技術(shù)致密化周期長(zhǎng)技術(shù)致密化周期長(zhǎng)、相對(duì)密度很難快速提高的重要原因。相對(duì)密度很難快速提高的重要原因。CVICVI工藝的局限性工藝的局限性復(fù)合增密復(fù)合增密C/CC/C材料的偏光顯微結(jié)構(gòu)材料的偏光顯微結(jié)構(gòu)炭纖維炭纖維熱解炭熱解炭樹(shù)脂炭樹(shù)脂炭碳的晶體結(jié)構(gòu)碳元素的原子序號(hào)為6，碳原子的6個(gè)基本電子的軌道為1S22S22P2。由

16、于在最多可容納10個(gè)電子的L殼層只有4個(gè)電子，因此，鄰近碳原子間很容易通過(guò)2S和2P軌道間的雜化形成和兩種強(qiáng)共價(jià)鍵。根據(jù)電子雜化方式的不同， 碳原子可呈現(xiàn)SP3，SP2，SP等不同的雜化價(jià)態(tài)，并可形成不同的炭的同素異型體如金剛石、石墨、富勒烯等。 3 C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能利用含碳?xì)怏w發(fā)生的氣相化學(xué)反應(yīng)和表面利用含碳?xì)怏w發(fā)生的氣相化學(xué)反應(yīng)和表面反應(yīng)技術(shù)可以制備碳的所有同素異形體。反應(yīng)技術(shù)可以制備碳的所有同素異形體。成鍵軌道成鍵軌道雜化軌道雜化軌道（orbital hybridization ）Carbon 12.012.26 C 6 1s22s22p23.574300

17、18602s1 2p1orbital hybridizationsp2sp3In a planeIn 3D3.1碳的晶體結(jié)構(gòu)碳的晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶體結(jié)構(gòu) Bond: sp3ABCcd0Diamond石墨平面結(jié)構(gòu)石墨平面結(jié)構(gòu)SP2ABAcGraphite石墨晶體結(jié)構(gòu)石墨晶體結(jié)構(gòu) C60晶體Fullerenes (C60) 除了幾種結(jié)晶形態(tài)外，碳的另一類(lèi)同素異形體為除了幾種結(jié)晶形態(tài)外，碳的另一類(lèi)同素異形體為無(wú)定型碳。無(wú)定形碳一般多指炭黑、木炭、活性炭等。無(wú)定型碳。無(wú)定形碳一般多指炭黑、木炭、活性炭等。實(shí)際上它們并非真正的無(wú)定形碳，而是屬于微晶碳，實(shí)際上它們并非真正的無(wú)定形碳，而是屬于微

18、晶碳，其成鍵軌道為其成鍵軌道為spsp2 2 + sp + sp3 3。在結(jié)晶形碳和無(wú)定形碳之間，存在著大量的過(guò)渡在結(jié)晶形碳和無(wú)定形碳之間，存在著大量的過(guò)渡態(tài)碳，它是無(wú)定形碳向晶形碳過(guò)渡的中間產(chǎn)物，其結(jié)態(tài)碳，它是無(wú)定形碳向晶形碳過(guò)渡的中間產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)屬構(gòu)屬亂層石墨結(jié)構(gòu)亂層石墨結(jié)構(gòu)。無(wú)定形碳和過(guò)渡態(tài)碳無(wú)定形碳和過(guò)渡態(tài)碳 碳結(jié)構(gòu)Franklin 模型 無(wú)定形炭及過(guò)渡態(tài)炭的石墨化無(wú)定形炭及過(guò)渡態(tài)炭的石墨化炭的晶體結(jié)構(gòu)還與原材料密切相關(guān)。Franklin將炭分成易石墨化炭和難石墨化炭，以及介于兩者之間的部分易石墨化炭。如右圖所示： 碳結(jié)構(gòu)石墨化隨高溫處理溫度的變化 炭/炭復(fù)合材料的重要組元CVD熱解炭

19、屬于亂層堆積的六方晶碳型，缺乏晶體結(jié)構(gòu)的三維有序排列。經(jīng)適當(dāng)高溫處理，熱解炭?jī)?nèi)部可產(chǎn)生一種石墨晶體結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)隨高溫處理溫度變化的示意圖如左圖所示。石墨化石墨化通過(guò)加熱的方式把熱力學(xué)非穩(wěn)定態(tài)的炭材通過(guò)加熱的方式把熱力學(xué)非穩(wěn)定態(tài)的炭材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)的石墨的過(guò)程。料轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)的石墨的過(guò)程。3.2炭炭/炭復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)炭復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)粗糙層粗糙層(RL)(RL)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)各向同性各向同性(ISO)(ISO)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)光滑層光滑層(SL)(SL)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)偏光顯微照片偏光顯微照片(a) CFSLRL (b) CFRLSL (c) CFSLRLSL(a) CFSLRL (b) CFRLSL (c)

20、CFSLRLSL 三種典型的帶狀結(jié)構(gòu)三種典型的帶狀結(jié)構(gòu)PyCPyC場(chǎng)發(fā)射高分辯場(chǎng)發(fā)射高分辯SEMSEMRLRL結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)SLSL結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)ISOISO結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)(002)(002)面高分辯晶格條紋像面高分辯晶格條紋像RLRL結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)SLSL結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)ISOISO結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3.3炭炭/炭復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的觀察與表炭復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的觀察與表征征 偏光顯微鏡偏光顯微鏡 場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電鏡（場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電鏡（SEMSEM） 透射電鏡（透射電鏡（TEMTEM） 拉曼光譜拉曼光譜 X X射線衍射（射線衍射（XRD)XRD)熱解炭結(jié)構(gòu)的五熱解炭結(jié)構(gòu)的五個(gè)層次：個(gè)層次：碳原子結(jié)構(gòu)（碳原子結(jié)構(gòu)（SP2SP2、SP3SP3

21、雜雜化軌道）化軌道）亂層結(jié)構(gòu)（亂層結(jié)構(gòu)（LaLa、LcLc、d002)d002)亂層結(jié)構(gòu)組織（亂層結(jié)構(gòu)組織（L1L1、L2L2、d002)d002)織態(tài)結(jié)構(gòu)織態(tài)結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)（1 1） 炭材料由許多大小不同的石墨烯（平面大小用炭材料由許多大小不同的石墨烯（平面大小用L L1 1和和LaLa表征）組成，石墨表征）組成，石墨烯內(nèi)部和層間幾乎不存在任何缺陷，因而保持完整的平面結(jié)構(gòu)；烯內(nèi)部和層間幾乎不存在任何缺陷，因而保持完整的平面結(jié)構(gòu)；（2 2） 石墨烯之間相互聯(lián)結(jié)形成連續(xù)的芳香碳平面，在石墨烯聯(lián)結(jié)的區(qū)域都含有石墨烯之間相互聯(lián)結(jié)形成連續(xù)的芳香碳平面，在石墨烯聯(lián)結(jié)的區(qū)域都含有許多缺陷（五元環(huán)、空

22、穴、雜原子和層間缺陷等），因此芳香碳平面實(shí)際上許多缺陷（五元環(huán)、空穴、雜原子和層間缺陷等），因此芳香碳平面實(shí)際上不是平面，而是連續(xù)的曲面（平面大小用不是平面，而是連續(xù)的曲面（平面大小用L L2 2表征）；表征）；（3 3） 數(shù)目不等的芳香碳平面（平面數(shù)量用數(shù)目不等的芳香碳平面（平面數(shù)量用N N表征）大致相互平行和大致等間距表征）大致相互平行和大致等間距（層間距即（層間距即d d002002值）地堆積在一起，構(gòu)成炭材料的微觀結(jié)構(gòu)組織（堆垛高度值）地堆積在一起，構(gòu)成炭材料的微觀結(jié)構(gòu)組織（堆垛高度LcLc）; ;（4 4） 每個(gè)微觀結(jié)構(gòu)組織內(nèi)部的芳香碳平面隨機(jī)取向，層與層間的碳原子不存在每個(gè)微觀結(jié)構(gòu)

23、組織內(nèi)部的芳香碳平面隨機(jī)取向，層與層間的碳原子不存在周期性位相關(guān)系；周期性位相關(guān)系；（5 5） 芳香碳平面之間以一定的傾斜的折疊角度相互聯(lián)結(jié)，大小不同的結(jié)構(gòu)組織芳香碳平面之間以一定的傾斜的折疊角度相互聯(lián)結(jié)，大小不同的結(jié)構(gòu)組織在空間中以不同的程度定向，構(gòu)成炭材料中碳原子排列的長(zhǎng)程序，或者稱(chēng)為在空間中以不同的程度定向，構(gòu)成炭材料中碳原子排列的長(zhǎng)程序，或者稱(chēng)為織態(tài)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)織構(gòu)（用織態(tài)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)織構(gòu)（用BaconBacon各向異性系數(shù)各向異性系數(shù)BAFBAF、定向角、定向角OAOA和消光角和消光角AeAe來(lái)表來(lái)表征）。征）。（6 6） 不同織態(tài)結(jié)構(gòu)的亂層結(jié)構(gòu)組織和孔隙共同構(gòu)成炭材料的宏觀結(jié)構(gòu)。不同織

24、態(tài)結(jié)構(gòu)的亂層結(jié)構(gòu)組織和孔隙共同構(gòu)成炭材料的宏觀結(jié)構(gòu)。關(guān)于炭材料的結(jié)構(gòu)特征描述：關(guān)于炭材料的結(jié)構(gòu)特征描述：熱解炭結(jié)構(gòu)炭源氣、載氣、纖維表面炭源氣、載氣、纖維表面特性與坯體的初始密度特性與坯體的初始密度溫度、壓力、流溫度、壓力、流量、炭源氣分壓量、炭源氣分壓爐膛體積、溫度爐膛體積、溫度場(chǎng)、氣流方式場(chǎng)、氣流方式原料因素原料因素工藝因素工藝因素設(shè)備因素設(shè)備因素3.4熱解炭結(jié)構(gòu)的控制熱解炭結(jié)構(gòu)的控制影響熱解炭結(jié)構(gòu)的因素：影響熱解炭結(jié)構(gòu)的因素：微氣氛對(duì)熱解炭結(jié)構(gòu)的影響微氣氛對(duì)熱解炭結(jié)構(gòu)的影響控制氣體在沉積微區(qū)停留時(shí)間是控制微氣氛的關(guān)鍵控制氣體在沉積微區(qū)停留時(shí)間是控制微氣氛的關(guān)鍵vCVICVI過(guò)程的復(fù)雜之處

25、在于，在反應(yīng)氣體吸附、熱解成炭之過(guò)程的復(fù)雜之處在于，在反應(yīng)氣體吸附、熱解成炭之前，反應(yīng)氣體本身還將發(fā)生一系列分解和聚合的過(guò)程。前，反應(yīng)氣體本身還將發(fā)生一系列分解和聚合的過(guò)程。延長(zhǎng)氣相滯留時(shí)間延長(zhǎng)氣相滯留時(shí)間氣氣氣均氣均相反應(yīng)相反應(yīng)氣氣固多固多相反應(yīng)相反應(yīng)炭源氣炭源氣k1k2芳烴類(lèi)芳烴類(lèi)物質(zhì)物質(zhì)C6k3稠 環(huán) 芳 烴稠 環(huán) 芳 烴聚聚集物集物C6n氣相成氣相成核核碳黑碳黑k4k5k6PyC(A)PyC(B)PyC(C)脂肪烴類(lèi)物脂肪烴類(lèi)物質(zhì)質(zhì)(C1與與C2)600VeffPToQTPo易于控制氣體停留時(shí)間易于控制氣體停留時(shí)間不能控制氣體停留時(shí)間不能控制氣體停留時(shí)間反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體擴(kuò)散進(jìn)入擴(kuò)散進(jìn)入

26、孔隙內(nèi)孔隙內(nèi)熱解、縮聚熱解、縮聚吸附，脫吸附，脫H H副產(chǎn)物擴(kuò)散排出副產(chǎn)物擴(kuò)散排出解吸解吸CVICVI技術(shù)裝備技術(shù)裝備（發(fā)明專(zhuān)利：ZL00114790.0、 03105528.1）逆定向流逆定向流- -徑向熱梯度徑向熱梯度CVICVI示意圖進(jìn)氣口電 極炭盤(pán)發(fā)熱體爐膛壓力壓力/Pa炭盤(pán)炭盤(pán)徑向溫度徑向溫度徑向氣體徑向氣體壓力壓力溫度溫度/徑向溫度梯度、壓力梯度示意圖3.5C/C復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能3.4.13.4.1熱物理性能熱物理性能%100354. 3440. 3440. 3002dgcosKLC石墨化溫度對(duì)石墨化溫度對(duì)C/C材料材料g與與LC的影響的影響 ABCD 四種不同熱解炭結(jié)

27、構(gòu)四種不同熱解炭結(jié)構(gòu)C/C材料的材料的XRD譜線譜線 不同結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)C/C材料在平行和垂直方材料在平行和垂直方 向的導(dǎo)熱系數(shù)隨熱處理溫度的變化向的導(dǎo)熱系數(shù)隨熱處理溫度的變化 不同不同CF的熱導(dǎo)率的熱導(dǎo)率(1)ffmfpVVV 熱解炭基熱解炭基C/C復(fù)合材料的斷口復(fù)合材料的斷口SEM密度的影響密度的影響不同密度的不同密度的RL結(jié)構(gòu)材料與結(jié)構(gòu)材料與SL結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能（T預(yù)預(yù)、T終終均為均為2300）3.4.2 3.4.2 力學(xué)性能力學(xué)性能 終處理溫度的影響終處理溫度的影響 經(jīng)不同終處理溫度（經(jīng)不同終處理溫度（T終終）后兩種）后兩種C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能復(fù)合材料的力學(xué)性能（

28、dRL=1.680.02g/cm3，dSL=1.720.02g/cm3）坯體結(jié)構(gòu)的影響坯體結(jié)構(gòu)的影響坯體結(jié)構(gòu)CVI炭結(jié)構(gòu)密度(g/cm3)炭纖維體積分?jǐn)?shù)（%）F (MPa)S (MPa) C (MPa)炭布疊層SL1.7542.0199.5627.66248.05預(yù)氧絲薄氈疊層SL1.7637.8111.3118.64159.20炭纖維薄氈疊層SL1.7436.2114.9818.48165.90預(yù)氧絲薄氈加炭布混合疊層SL1.7442.8105.7017.54152.35普通炭氈SL1.729.360.559.69117.82 不同坯體結(jié)構(gòu)的不同坯體結(jié)構(gòu)的C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能（復(fù)合材料的

29、力學(xué)性能（T預(yù)預(yù)及及T終終均為均為2400） RL結(jié)構(gòu)材料，無(wú)緯布區(qū) SL結(jié)構(gòu)材料，無(wú)緯布區(qū)RL結(jié)構(gòu)材料，網(wǎng)氈區(qū) SL結(jié)構(gòu)材料，網(wǎng)氈區(qū) C/C復(fù)合材料抗彎試樣斷口掃描照片復(fù)合材料抗彎試樣斷口掃描照片抗彎，RL 抗彎，SL 抗剪，RL 抗剪，SL 抗壓，RL 抗壓，SL C/C復(fù)合材料的載荷復(fù)合材料的載荷-變形曲線變形曲線210023002500RL結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)SL結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基體炭結(jié)構(gòu)對(duì)炭基體炭結(jié)構(gòu)對(duì)炭/ /炭材料摩擦性能的影響炭材料摩擦性能的影響C/CC/C航空剎車(chē)副航空剎車(chē)副CVI熱解炭應(yīng)為熱解炭應(yīng)為RL結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3.4.3 3.4.3 摩擦磨損性能摩擦磨損性能摩擦磨損性能測(cè)試MM1000慣性測(cè)功儀

30、模擬B757飛機(jī)的制動(dòng)條件正常著陸：正常著陸：n0=7500rpm，J=3.0Kgfcms2，P=60或或100N/cm2。(不少于不少于10次次)超載著陸：超載著陸：n0=8500rpm，J=3.0Kgfcms2，P=100N/cm2。(不少于不少于5次次)中止起飛：中止起飛：n0=8500rpm，J=5.0Kgfcms2，P=120N/cm2。(23次）次）不同結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)C/CC/C材料的摩擦系數(shù)隨剎車(chē)壓力的變化材料的摩擦系數(shù)隨剎車(chē)壓力的變化CVI增密，RL結(jié)構(gòu)CVI炭 復(fù)合增密，RL結(jié)構(gòu)CVI炭 CVI增密，SL結(jié)構(gòu)CVI炭 三種三種C/C復(fù)合材料摩擦表面實(shí)物照片（模擬正常著陸條件）復(fù)

31、合材料摩擦表面實(shí)物照片（模擬正常著陸條件） CVI增密，RL結(jié)構(gòu)，正常著陸 CVI增密，RL結(jié)構(gòu)，中止起飛 復(fù)合增密，RL結(jié)構(gòu)，正常著陸 復(fù)合增密，RL結(jié)構(gòu)，超載著陸 三種三種C/C復(fù)合材料摩擦表面的偏光顯微照片復(fù)合材料摩擦表面的偏光顯微照片 復(fù)合增密，RL結(jié)構(gòu)，中止起飛 CVI增密，SL結(jié)構(gòu)，正常著陸 CVI增密，SL結(jié)構(gòu)，超載著陸 CVI增密，SL結(jié)構(gòu)，中止起飛 三種三種C/C復(fù)合材料摩擦表面的偏光顯微照片復(fù)合材料摩擦表面的偏光顯微照片 摩擦磨損機(jī)理由磨屑經(jīng)摩擦擠壓、剪切堆摩擦磨損機(jī)理由磨屑經(jīng)摩擦擠壓、剪切堆 積在表面形成的磨屑層所決定。積在表面形成的磨屑層所決定。膜片膜片磨屑磨屑摩擦膜摩

32、擦膜膜片細(xì)化膜片細(xì)化游離磨屑游離磨屑膜膜自自修修復(fù)復(fù)v 剪切成膜機(jī)制剪切成膜機(jī)制RLRL結(jié)構(gòu)熱解炭結(jié)構(gòu)熱解炭C/CC/C復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)理復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)理不同類(lèi)型炭纖維氧化特性不同類(lèi)型炭纖維氧化特性預(yù)氧絲炭化炭纖維具有更高的氧化活性預(yù)氧絲炭化炭纖維具有更高的氧化活性 等溫吸附曲線等溫吸附曲線 900900等溫氧化曲線等溫氧化曲線 預(yù)氧絲炭化炭纖維炭纖維炭纖維預(yù)氧絲炭化炭纖維3.4.4 3.4.4 氧化特性與防護(hù)氧化特性與防護(hù)氧化前氧化前預(yù)氧絲炭纖維增強(qiáng)預(yù)氧絲炭纖維增強(qiáng)C/CC/C材料材料炭纖維增強(qiáng)炭纖維增強(qiáng)C/CC/C材料材料v氧化順序：氧化順序：失重失重3535后后預(yù)氧絲炭化炭纖維預(yù)氧

33、絲炭化炭纖維先于先于基體炭基體炭先于先于炭纖維炭纖維C/CC/C復(fù)合材料中纖維、基體炭氧化特性復(fù)合材料中纖維、基體炭氧化特性不同結(jié)構(gòu)熱解炭的氧化特性不同結(jié)構(gòu)熱解炭的氧化特性 973K973K時(shí)等溫氧化時(shí)等溫氧化 粗糙層粗糙層RLRL為主的為主的C/CC/C復(fù)合材料氧化最慢，光滑層復(fù)合材料氧化最慢，光滑層SLSL為主的氧化最快。為主的氧化最快。變溫氧化曲線，加熱速率變溫氧化曲線，加熱速率5/min 5/min RLSL+RLSL500600700800900100011000.00.20.40.60.81.0 HTo-1 MTo-1 LTo-1氧 化殘重T(oC)RLSL+RLSLSLRLSL+RL氧化殘重開(kāi)孔率和孔比表面積對(duì)氧化速率的影響開(kāi)孔率和孔比表面積對(duì)氧化速率的影響決定氧化速率的是微孔比面積，而不是開(kāi)孔孔隙率決定氧化速率的是微孔比面積，而不是開(kāi)孔孔隙率等溫氧化速率曲線等溫氧化速率曲線(900) (900) 010203040506070801.11.21.31.41.51.6 F (S=6.026m2/g,P=15.66%) G (S=3.573m2/g,P=18.32%) H (S=2.262m2/g,P=12.16%)R(%/minute)Time(minute)表面積表面積6.026m2/g孔隙率孔隙率15.66表面積表面積3