题目：电热法定向渗积炭/炭复合材料研究

化学气相渗透(CVI)工艺是制备高性能炭/炭（C/C）复合材料的首选办法，尽管目前已开发出了多种CVI工艺，然而得到大规模工业应用的主要还是等温CVI工艺。等温CVI工艺虽然具有不受预制体几何形状影响和易于实现工业化生产的特点，但其制备周期太长(上千小时)，导致致密效率低下和生产成本居高不下。因此必须研发出一种低成本的快速制备新工艺。本文针对这一问题，开展了以下几个方面的研究工作。1．提出ECVI制备C/C复合材料的新原理，即以天然气作为沉积气，利用预制体的导电特性将其作为发热体，并设计出预制体定向渗积和冷却等关键装置，利用定向渗积装置使天然气定向流动，从而在预制体轴向和径向上形成大的温度梯度，沉积气从预制体表面（低温区）流过，靠自由扩散作用到达预制体内部（高温区）发生裂解沉积，实现自预制体内部向外部的快速定向一次性渗积。并在此基础上系统深入研究了工艺参数对渗积过程的影响，确定了该新技术的优化工艺参数为：渗积温度1000～1050℃，炉压100KPa。采用该新工艺在80小时内成功制备出了密度为1.71g/cm3的大尺寸C/C复合材料样件， 比传统工艺制备周期缩短了90％，大大提高了渗积速率，而且试样致密，密度均匀。2．通过实验系统研究了热解炭的快速沉积机理，并提出了热解炭的生长方式。热解炭的沉积包括甲烷分子的热解、基团聚合和在纤维表面的附着等气固相过程。宏观上较为平整的热解炭实际上是由大量小热解炭颗粒连接而成，当挤压在一起的两个小颗粒取向合适时，长到一定大小时就连为一体，变成大颗粒，小颗粒因大量生长点的沉积而源源不断地产生，两个过程持续不断，构成了热解炭的主要生长模式。3． 通过偏光显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪分析研究了ECVI工艺制备C/C复合材料的微观结构，发现其热解炭结构主要为粗糙层组织，与传统方法制备的材料相比， 其石墨化度提高了46.1％，而微晶高度和微晶宽度分别增大了14.4％和107.6％。4． 系统研究了ECVI工艺制备C/C复合材料的热膨胀、比热容、热扩散率、导热系数等热物理性能，结果表明本工艺所制备的C/C复合材料热物理性能优异，并确定了热解炭微观结构对热物理性能的影响规律，提出了其导热的物理机制。预制体中炭纤维的取向和体积分数对热物理性能有着巨大影响；热解碳结构越好（粗糙层组织越多），材料的热导率越高，热膨胀系数越大。C/C复合材料结构的多样性导致了两种声子散射机理对热导率的贡献不一样。5． 分析测试了ECVI工艺制备C/C复合材料的力学性能，通过与传统工艺制备的材料对比发现，其层间剪切强度稍低于传统工艺制备样品，但其拉伸强度和模量分别提高了12.0％和68.9％，垂直方向弯曲强度和模量分别提高了6.6％和49.3％，并提出了其断裂机理，其断裂特征主要取决于炭纤维/基体界面结合状态、基体炭结构以及材料内部的缺陷。适中结合的炭纤维/基体界面对材料的抗裂纹扩展有着极大的贡献，使材料具有较高的韧性。6． 利用摩擦试验机，对该工艺所制备C/C复合材料的低能、静和动摩擦性能进行了全面系统和深入研究，发现其摩擦性能良好，确定了刹车条件对其摩擦性能的影响规律，提出了该种材料的摩擦磨损机理。