● 摘要
炭/炭（C/C）复合材料由于其优越的性能已被成功应用在航空航天及军事等领域。然而，由于传统的两大致密化工艺（液相浸渍工艺和化学气相渗积工艺）制备周期长、制造工艺复杂、制品成本高，在很大程度上限制了其在民用领域的广泛发展和应用，所以探索新的致密化工艺一直是C/C复合材料发展的焦点。本课题针对这一问题，开展了以下几个方面的研究工作。1．提出液相法制备C/C复合材料的新构思，以航空煤油为前驱体，普通炭毡为预制体，设计出合适的发热体以及石墨导油管等辅助工装，并配合工艺参数的调整，通过大的温度梯度以及分子传输方式的改善使致密化速率不再像传统ICVI工艺那样受控于反应物传输过程，反应物分子可以快速渗透到预制体的致密化前沿发生裂解沉积，实现预制体由上至下逐步快速致密，大大加快了致密化进程。在此基础上确定了该新技术优化的工艺参数为：温度，1080℃；炉压，100KPa；升温功率，150kw；保温功率，55kw；沉积样品定位于石墨发热体的下端；沉积中途的补油措施，平均每15分钟补油一次，油量为13.5L。利用该工艺，仅用23h便将大尺寸预制体的密度沉积到了1.68g/cm3，制备时间比传统ICVI工艺提高了近两个数量级。2．通过实验系统研究了液相工艺的沉积机理。随沉积温度的改变，热解炭的沉积模式可能发生由表面化学反应成核-生长模式向气相成核-生长模式过渡，在炭纤维上可得到不同表面形态的热解炭。在致密化前期，由于传输方式的改善，反应气体向致密化前沿快速流动、扩散，沉积过程受控于化学反应动力学，大大加快了致密化进程；而在致密化中、后期，试样的沉积主要包括其内部孔隙的致密和外表面的沉积两部分，由于反应气体的传输受到限制，预制体表面活性位增加，其沉积速率下降。结合动力学分析探讨了沉积温度对致密化过程的影响，发现1080℃是最理想的沉积温度，样品的沉积过程受传输限制的影响最小，孔隙沉积速率最大，致密化结构最均匀，以RL组织为主，并且在密度达到1.71g/cm3后，其开口孔隙率高达13.2%，仍可继续沉积。3．分析测试了采用该新工艺制备C/C复合材料的力学性能，通过对比发现，本实验1080℃下沉积样品弯曲强度比曾经报道的数据提高了一倍多，并呈现出了一定的假塑性特征。结合弯曲试验曲线和断口形貌进行分析，提出了该材料的断裂机理。适中结合强度的炭纤维/基体炭界面，不仅能充分湿润，而且在一定外应力下又能脱粘，从而借助界面层的破坏增大了表面能、拔出功和摩擦功，这样，通过多界面及多纤维的增强作用，材料表现出良好的假塑性特征。