题目：木基炭/炭复合材料制备及性能研究

木材是最重要的可再生资源，经过千百万年自然界的演化，形成了其特有的生物结构，多层次、管胞结构、纤维状、各向异性是其主要特点，这种结构在很多情况下具有独特的优势。利用木材这种天然材料所具有的独特生物学结构，能够被用作模板，通过有机——无机转变来制备具有生物结构和独特性能的新型陶瓷材料。常规的炭/炭复合材料以炭纤维为预制体，通过化学液相浸渍或化学气相沉积方法渗积碳制备而成，尽管性能优异，但由于成本过高，至今仍只限于航空航天以及军事领域。在力学性能要求不高的情况下，可考虑利用炭化后的木材作为预制体制备木基炭/炭复合材料，为材料的结构设计提供了新思路。本课题先将六种木材在70℃的温度下干燥24h，再在真空炭化炉中以1℃/min的升温速率升至规定温度（500、600、700、800和900℃），恒温2h后，以不超过2℃/min的速度降温，制成六种炭化试样。发现六种木材的残炭率和三个方向的收缩率基本不受树种影响，残炭率随炭化温度的升高而降低，而收缩率与炭化温度成正比，由于木材的各向异性，其三个方向的收缩率都不相同，切向的收缩率要大于径向和纵向的收缩率。通过炭化后六种试样的宏观和微观分析，选择在800℃下炭化的榉木和水曲柳试样作为预制体，以丙烷作为前驱体，利用等温化学气相沉积法在1050℃下沉积30h，致密后两种试样的密度分别达到0.713和0.623 g/cm3。通过扫描电镜、偏光显微镜、X射线衍射仪、扫描探针显微镜研究了榉木和水曲柳试样炭化和沉积后的微观结构，发现炭化后榉木中的大孔隙聚在一起呈集团状分布，孔径约为21~94 μm，由木纤维和轴向薄壁组织细胞炭化形成的小孔隙分布不规则，孔径仅为0.7~5 μm，而对于水曲柳试样，圆柱形大孔隙的数量相对较少，且彼此互不相连，单独存在，孔径约为50~120 μm，而小孔隙分布均匀，孔径大约在5~12 μm之间。沉积后，在榉木和水曲柳试样中同时发现有大量热解炭生成，由于Fe、Ni催化剂的存在，在导管形成的大孔隙中生成了气相生长炭纤维。在沉积过程中，榉木试样获得了比与水曲柳试样更快的沉积速率，这是由于其具有较多数量的大孔隙所致。同时由它们的X射线衍射图发现，无论是炭化还是沉积后的试样都没有出现完整的晶形结构，属于无定型炭范畴。测试了木基炭/炭复合材料的力学性能，发现致密后榉木和水曲柳试样的弯曲强度分别达到了17.6和10.41 MPa，弯曲模量分别达到了8.58 GPa 和6.99 GPa，它们都属于脆性断裂，通过断口形貌分析了其断裂方式，榉木基C/C复合材料的断裂机理为晶间断裂，而水曲柳基C/C复合材料中则表现晶间断裂和空洞聚集两种机理。