题目：化学液气相法制备炭/炭复合材料研究

炭/炭(C/C)复合材料是国际上高技术领域重点研究和开发的一种新型材料，其热膨胀系数低、热稳定性好，尤其是高温力学性能优异，因此已经广泛应用于航空、航天、核能、交通、生物医学等领域。目前，国内外科学家均致力于研究C/C复合材料的制备方法，其中化学液气相渗透(CLVI)是一种新型方法，能够大幅度缩短C/C复合材料致密化时间。该工艺目前存在的主要问题是制备的试样尺寸小、且一炉只能制备一个样品。本论文针对这一学科前沿问题，主要开展了以下几项创新性研究工作。(1) 研发出中频感应加热设备及渗积装置，设计的发热装置具备较快的升温速率及良好的温度均匀性，并采用CLVI工艺成功制备出大尺寸（外径为450 mm）C/C复合材料样件，以炭毡为预制体、航空煤油为前驱体，在15 h内将单盘大尺寸样件密度增至1.52~1.64 g/cm3，25 h内将多盘样件密度增至1.60~1.68 g/cm3。(2) 系统研究了工艺条件（渗积温度、预制体位置、前驱体补给方式等）及预制体种类（炭毡、针刺毡）对C/C复合材料致密化速率及热解炭组织的影响，并优化了渗积工艺。得到最优的工艺参数如下：升温功率150 kw、渗积温度1020~1100 °C、渗积压力1~1.05 atm、预制体置于发热体下表面、每隔15 min补一次油每次补油量约为6 L。(3) 系统研究了CLVI工艺渗积动力学，发现致密化过程可分为两个不同阶段。第一个阶段渗积速率与温度关系符合化学反应动力学Arrehenius公式，单盘及多盘渗积时裂解反应的表观活化能分别为67.8 kJ/mol及123.4 kJ/mol；第二个阶段，随着渗积时间延长及孔隙率降低，复合材料的平均孔径逐渐减少，Knudsen常数逐渐增大，有效扩散系数下降，Thiele系数 增大，扩散机制由体扩散(Fick)逐渐转变为Knudsen扩散。在整个渗积过程中，预制体的增重速率随着时间的延长逐渐降低，且渗积温度越高，增重率下降得越快。当渗积温度由950 °C增大到1250 °C时，试样的孔隙填充度由0.86增大至最大值(0.91)后逐渐减小至0.71。C/C复合材料最终密度的大小由化学反应动力学及扩散传输共同决定。对液态前驱体煤油的高温裂解机理及化学反应路径进行探索研究，结果表明热解反应中苯的生成及稠环化过程对热解炭结构形成起着重要的作用，同时还提出了热解炭的渗积机理。利用偏光显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、多功能疲劳试验机及电阻测试仪等设备对C/C复合材料的微观结构、力学及导电性能进行系统研究，探索了制备工艺、预制体种类与复合材料密度、微观结构以及其性能的内在本质关系。研究发现，当渗积温度在950~1020 °C时，热解炭为粗糙层(RL)+光滑层(SL)组织，热解炭基体表面光滑，1100 °C时基本上是RL组织，而1250 °C时则为RL+各向同性体(ISO)组织，表面粗糙且不规则，热解炭围绕炭纤维生长出层状结构。C/C复合材料的预制体种类、密度和高温热处理工艺对其力学性能有强烈影响。对于炭毡增强的沉积态C/C复合材料试样，当其密度由1.52 g/cm3增大到1.64 g/cm3时，其弯曲强度由48.5 MPa增大到60.3 MPa；随着热处理温度由2100 °C升高至2500 °C，炭毡增强的C/C复合材料弯曲强度由47.8 MPa降低至38.6 MPa；针刺毡增强的C/C复合材料具有良好的力学性能，对于1100 °C渗积并经2300 °C热处理的试样，弯曲强度达到164.6 MPa。C/C复合材料的导电性能随着密度及热处理温度的升高而增强。对于1100 °C渗积的炭毡增强沉积态试样，当密度由1.617 g/cm3升高至1.643 g/cm3时，其电阻率由27.4 μΩm降低至24.1 μΩm；随着热处理温度从2100 °C升高至2500 °C，炭毡增强C/C复合材料的电阻率由20.9 μΩm降低至16.3 μΩm。