● 摘要
炭基复合材料由于其具有优异的力学、热物理和摩擦磨损性能，已广泛应用于航空、航天、核能、交通、生物医学和民用等领域。但是目前化学气相渗积法制备炭基复合材料存在增密周期长、致密化效率低和生产成本高等缺点。缩短制备周期和降低成本是目前研究者的主要目标。本文针对这一学科前沿问题，从提高前躯体裂解效率、降低预制体成本、消除表面结壳这三个方面开展了研究工作：
1．通过对比模拟研究，发现向甲烷中添加少量的乙烷和丙烷，可以促进甲烷裂解，大幅度提高甲烷转化率和气体组成平衡浓度，但天然气中含有的少量杂质烃不能满足目前快速制备高织构炭基体的需求，因此提出了天然气+丙烷新型前躯体体系，通过模拟和正交试验表明：新型前躯体体系可以在很短的滞留时间（小于0.5s）内，达到气体裂解平衡，并且随着丙烷的增加，乙炔浓度逐步降低，其它关键成炭气源浓度均获得了提高，进一步降低了气相中C2/C6比例，并提出晶格生长填充模型进一步完善高织构热解炭形成机制。当为了获得较快沉积速率时，化学气相渗积最优参数为温度1150℃，压力为8 kPa，天然气/丙烷比例为6/1；当为了获得最高石墨化度热解炭时，化学气相渗积最优参数为温度1100℃，压力为5 kPa，天然气/丙烷比例为6/1。
2. 跟踪国外先进技术炭基复合材料制备技术，发现采用预氧丝制备炭基复合材料为目前国外先进技术，因此本文探索采用便宜的预氧丝代替昂贵炭纤维制备炭基复合材料来降低成本，研究表明：预氧丝通过炭化，其密度、炭含量和力学性能获得较大得提高，但预制体炭化后，体密度降低，体积收缩比较明显，力学性能下降。与炭纤维相比，预氧丝纤维表面存在着大量的表面缺陷，大大加速热解炭的沉积速率，降低了热解炭织构，但是这些缺陷可以反复生长放大而形核诱导形成高织构热解炭。因此，预氧丝纤维更容易获得粗糙体热解炭基体。低性能的纤维导致预氧丝复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和模量分别降低了14.5%-24.2%、9.7%-19.8%、7.3%-15.4%和15.1%-18.6%，同时提出了一个三单元复合模型用来模拟复合材料的拉伸模量，实验结果证明模拟误差小于9.9%。但是由于预氧丝的硬度与基体接近，所以不管是基体中的预氧丝，还是脱落的预氧丝都很容易变形和研磨而形成润滑膜，而炭纤维硬度高很少部分脱落的纤维都可能诱导滚动摩擦和破坏摩擦膜，降低摩擦系数，提高磨损率，导致预氧丝炭基复合材料在不同摩擦条件下均表现出优异的摩擦磨损性能。
3. 实验研究表明炭基复合材料致密化时间长，是由于表面结壳，未能形成由内向外的渗积方式，且炭基复合材料孔隙填充过程可以归因于孔内渗积和表面沉积之间的竞争。只有当孔内渗积速率大于表面沉积速率时，表面才不会结壳闭孔，最终体密度和致密化时间都将得到大大改善。由于二氧化碳作为氧化气体可以大大降低热解炭表面沉积速率，而不影响孔内渗积，因此提出采用二氧化碳作为载气制备炭基复合材料的新构思。当载气从氢气变成二氧化碳时，炭基复合材料的体密度从1.626 g/cm3增加到1.723 g/cm3，最大径向密度梯度从0.074 g/cm3 减小到 0.056 g/cm3，基体炭从纯的粗糙体炭转变为杂化粗糙体炭含有过度生长锥，且平均石墨化度从62.7%下降到 50.8%，最重要的是，由内向外的渗积被获得，这是由于二氧化碳的氧化作用降低了表面沉积速率，却没有降低孔内沉积速率，但由于大量的缺陷形成于层状石墨烯结构中导致形成过度生长锥，降低了热解炭织构。二氧化碳+氢气混合载气不仅不能消除二氧化碳氧化影响，而且使由于缺陷形核而成的过度生长锥更为明显，降低了热解炭的整体织构性。但由于过度生长锥增加了热解炭层与层之间的连接，提高了基体强度，与纯粗糙体结构复合材料相比，炭基复合材料弯曲强度提高了27.3%，储能模拟、损耗模量和内耗（25℃，10Hz和0.025%应变）分别提高了3.5%、30.5%和23.1%。炭基复合材料微观结构与内耗相关性研究表明：在室温条件下，炭基复合材料的内耗主要与炭基体的缺陷有关，即内耗正比于D峰半高宽；随着温度的提高，炭基复合材料的内耗逐渐由炭基体的层间滑移所决定，即内耗与层间距成正比；但储能模拟仅与缺陷有关，所以在炭基复合材料中，最大的内耗与最大的储能模量是很难同时兼得的。
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