炭纤维中微孔在模拟复合材料石墨化过程中的演变(英文)

将聚丙烯腈基炭纤维在石墨化炉中维持定长加热,以模拟炭/炭复合材料制备过程中炭纤维结构的变化,并采用小角X射线散射(SAXS)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)检测石墨化过程中的结构演变。随着温度的提高炭纤维中微孔的平均回转半径、长度、宽度、截面积和体积分数呈现先减小后增大的趋势,并在约2300℃出现极小值。炭纤维中孔隙尺寸的变化与炭层片的活动性密切相关。炭层的缩合和有序化导致孔隙率的减小,而炭层在更高温的簇状化导致孔隙尺寸的增大。     

氧化镍掺杂酚醛树脂热解炭的结构及抗氧化性

在普通酚醛树脂中直接掺杂氧化镍粉末,研究氧化镍掺量和炭化处理温度对树脂热解炭的结构与氧化过程的影响,用X射线衍射仪、拉曼光谱分析仪、扫描电镜和综合差热分析仪等对掺杂改性树脂热解炭的石墨化度、显微结构及氧化过程分析表征,结果表明,在埋炭条件下掺杂改性树脂在450-750℃的炭化处理中三氧化二镍被逐级还原为一氧化镍和单质镍后,碳原子在镍颗粒上沉积生长,形成晶须、片状或块状结构的热解炭,热解炭石墨化程度取决于炭化温度和氧化镍掺杂量,在高于1050℃炭化处理的热解炭中出现明显的石墨化炭峰,随着掺杂量增加,热解炭石墨化程度大大增加,氧化温度比普通树脂明显提高,且以3~5%的掺杂量为佳。     

C/C复合材料结构显微激光喇曼光谱研究

采用显微激光喇曼光谱,以增强体为薄毡叠层、基体分别为粗糙层及光滑层结构热解炭的两种C/C复合材料为研究对象,分析、表征了两种材料炭结构的微观分布特征及其在石墨化过程中的变化状况。结果表明,不仅复合材料中不同组元,而且同一组元不同部位石墨微晶的完整度不同。在石墨化过程中,各自的石墨化进程及可石墨化能力存在差异:炭纤维体积含量较高的炭布层中的热解炭,与网胎层中的热解炭相比,石墨微晶的完整度较好,石墨化进程较快;在炭纤维体积含量较低的网胎层中,炭纤维及热解炭在其界面部位的石墨化进程较快;粗糙层结构热解炭比光滑层结构热解炭容易石墨化。借助激光喇曼光谱微区分析手段,有可能实现对复合材料中石墨化程度微观分布状态的调整和控制。     

化学气相沉积法制备硼掺杂玻璃炭材料(英文)

以甲烷和三氯化硼的混合气为反应气体,采用化学气相沉积法制备硼掺杂玻璃炭材料。利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描和透射电子显微电镜对沉积产物的微观结构进行表征。结果表明,沉积产物是一种玻璃炭材料,但在其基体中均匀分布着约20 nm的碳化硼颗粒。由于硼元素强烈的催化石墨化作用,硼掺杂玻璃炭表现出完全不同于传统玻璃炭材料的石墨化行为。硼掺杂玻璃炭经高温热处理后,其结构发生剧烈变化而转变为片层炭结构,其转变过程可能遵循"固溶-析出"机制。     

不同前驱体炭在高温热处理过程中的性能变化

对3种树脂和1种沥青的高温热处理制备得到4种炭,并对它们的性能进行比较研究。结果表明,树脂分子式的结构和组成对最后炭产品的性质有着重要的影响。分子式内含有的环状结构越多,杂质原子越少,得到的树脂炭表观密度越高,电阻率和闭孔率越低。其微观结构中的石墨化组分越多。     

Cf/ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料的显微结构表征

利用X-射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对Cf/ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料的相组成、纤维/热解碳层的界面特征和超高温陶瓷基体的显微结构特征进行了表征。在碳纤维表面有一层厚度为2～3μm石墨化程度较高的热解碳界面层,该界面层可以避免采用PIP工艺制备超高温陶瓷基体时可能对碳纤维造成的损伤。热解碳层与碳纤维之间为弱机械结合,其界面间分布着20～30 nm的ZrC纳米颗粒。Cf/ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料基体主要由ZrC,ZrB2,SiC和石墨相(Cg)组成。基体中石墨的(002)面沿着ZrC,ZrB2或SiC的表面生长。在石墨与ZrB2和石墨与SiC的界面没有观察到取向关系,界面处既没有反应层也没有非晶相存在。在石墨与ZrC之间存在ZrC(111)∥Cg(002),ZrC[110]∥Cg[010]的取向关系。ZrB2和SiC之间也没有界面反应和非晶层存在。     

石墨化CVI泡沫炭的结构和性能

本文采用化学气相渗透技术(CVI)对泡沫炭进行复合处理,利用SEM、XRD等分析手段对石墨化样品进行了分析.研究结果表明,CVI热解炭在泡沫基体的沉积方式是:小颗粒积聚生长成为大颗粒·大颗粒不断接合,经石墨化处理后形成更加规则的结构.石墨化CVI泡沫炭相比原生石墨泡沫炭的电学和力学性能有很大提高,在350*C、2MPa压力条件下制备的石墨化CVI泡沫炭的电导率可以提高近0.9倍;在350"C、1MPa压力条件下制备的石墨化CVI泡沫炭的压缩强度增大近3.5倍.因此,CVI处理可以有效改善石墨泡沫炭的基体结构,提高石墨泡沫炭性能.     

热处理对爆炸法制备的碳包裹碳化铁纳米颗粒的影响

在1300℃、惰性气氛下，对含铁的炭基干凝胶的爆炸产物-无定型碳包裹Fe7C3纳米颗粒进行了热处理，并对热处理后的产物进行HRTEM和电子衍射分析。结果表明：热处理后无定型碳包裹Fe7C3纳米颗粒由10nm-40nm长大到100nm-300nm，颗粒的外层碳石墨化。通过对包裹颗粒的长大机理进行初步探索，认为在热处理过程中，核碳化铁对壳层的无定型碳具有催化石墨化作用；颗粒的长大是由于核Fe7C3对其外层的无定型碳产生催化石墨作用时，导致核碳化铁的裸露，相互融并引起的。     

石墨化温度对炭纤维微观结构及其力学性能的影响

以通用型PAN基炭纤维为原材料，通过1800℃～3000℃连续高温石墨化处理，制备了不同性能的炭(石墨)纤维；采用SEM、XRD、RAMAN、元素分析仪、万能材料测试机等分析手段研究了石墨化温度对炭(石墨)纤维微观结构、元素含量、表面形态及其力学性能的影响。实验表明：随着热处理温度的提高，炭纤维中非碳元素(氮、氢)的含量逐渐减少而碳元素质量分数却从92．62％增加到99．99％；纤维的微观结构也从二维乱层石墨结构向有序的三维层状结构发展，表现为石墨晶体层间距d。随处理温度的提升逐渐减小、d100和d110与La和Lc不断增大，纤维抗拉强度呈下降趋势、弹性模量呈上升趋势。     

热解炭过渡层-中间相沥青基炭/炭复合材料的微观结构

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜对具有热解炭过渡层的中间相沥青基炭/炭复合材料的微观结构进行了研究。结果表明:材料的基体由热解炭和中间相沥青炭组成,在偏光显微镜下均呈现出光学各向异性。材料内部形成了多层次的界面结构,热解炭与纤维的界面连续,界面层内的石墨微晶择优取向度较高,晶格条纹排列规整;中间相沥青炭与热解炭界面不连续,为"裂纹型"界面,界面层内主要为非晶态碳。材料中炭纤维、热解炭、中间相沥青炭的石墨微晶大小逐渐增大,择优取向度逐渐增高,晶格条纹的排列逐渐规整。片层条带状结构的中间相沥青炭以及材料内的微裂纹平行于炭纤维轴向。     

添加炭黑和碳纳米管对酚醛树脂热解炭的结构及抗氧化性的影响(英文)

采用酚醛树脂为原料,分别以炭黑和碳纳米管作为改性添加剂制备酚醛树脂热解炭。利用差热分析(DSC)、X射线衍射分析(XRD)和压汞法孔径分析对酚醛树脂热解炭进行表征,探讨添加剂和热处理温度对树脂热解炭的结构和抗氧化性的影响。结果表明,碳纳米管和炭黑均可提高热解炭的石墨化度和抗氧化性;碳纳米管改性树脂热解炭的石墨化度高于炭黑改性树脂热解炭,但由于前者热解炭的显微结构中较高的气孔率,所以使其抗氧化性劣于后者。升高热处理温度同样可改善热解炭的抗氧化性和提高石墨化度。     

热处理温度对二维高导热炭/炭复合材料结构及热导率的影响（英文）

以高导热沥青基炭纤维布为增强体,中间相沥青为黏结剂,采用热模压成型及液相浸渍裂解工艺增密,并经高温石墨化处理制备二维高导热炭/炭复合材料。利用X射线衍射仪和透射电子显微镜对经不同温度处理后的沥青基炭纤维及二维高导热炭/炭复合材料的结构和形貌变化进行表征,并考察石墨化处理温度对复合材料热导率的影响。结果表明,随着热处理温度的升高,纤维及复合材料内部石墨微晶尺寸增大、取向度变好,纤维与基体间界面结合紧密、裂纹减少,而基体碳层间裂纹则呈扩大趋势。此外,二维高导热炭/炭复合材料的热导率随热处理温度的升高而线性增加,经3 000℃处理后,材料热导率高达443 W/m·K。     

粒状增强体种类对沥青基炭复合材料性能的影响

采用普通液压机及新型的模压半炭化成型工艺,在大气环境下制备出了高密度、低成本、应用广的三种焦炭(冶金焦、沥青焦Ⅰ和沥青焦Ⅱ)颗粒增强的沥青基炭复合材料(简称PCCs).通过对PCCs材料先后进行快速焙烧处理,沥青浸渍-炭化致密化处理和高温石墨化(2373K)处理,制得了PCC材料的焙烧样品、致密化样品和石墨化样品.通过力学性能试验,SEM和XRD等方法,研究了增强体焦炭颗粒的种类对沥青基炭复合材料的体积密度和抗压强度的影响.结果表明:PCCs材料抗压强度的高低,除了与其体积密度相关外,还与其所采用的增强体焦炭颗粒的耐压强度、微观结构和表面状态有密切的关系.焦炭颗粒的耐压强度愈高、表面越粗糙、开孔孔隙越多,其对沥青基炭复合材料的增强作用也就越显著.无论PCCs材料是焙烧样品、致密化样品、还是石墨化样品,用磨碎冶金焦制备的PCCs材料的三种样品的抗压强度最大,用沥青焦Ⅱ制备的PCCs材料的次之,用沥青焦Ⅰ制备的CRPCC材料的最小.粒状增强体的种类对CRPCC材料的力学性能不仅具有非常重要的影响,而且其强度也具有一定的遗传性.     

木质素基酚醛泡沫炭的制备及性能研究

在碱性条件下,木质素可部分替代苯酚,通过树脂化生成木质素基酚醛树脂,酚醛树脂经物理发泡、高温碳化工艺制得木质素基酚醛泡沫炭。研究结果表明:木质素基酚醛泡沫的热稳定性良好,当纯化木质素添加量为20%(质量分数)时,木质素基酚醛最大炭收率为54. 60%,热稳定性优于其他泡沫;碳化后的4种木质素基酚醛泡沫炭(CF-L-0%、CF-L-10%、CF-L-20%、CF-L-30%)皆由100～600μm的泡孔及孔壁组成,其表观密度在0. 15～0. 23g/cm3之间,压缩强度最高可达3. 35MPa; 4种木质素基酚醛泡沫炭为非石墨化的碳质结构,其微观结构以微孔为主;木质素基酚醛泡沫炭的碳含量随木质素替代量的增加而提高,碳质量分数最高可达72. 34%。     

炭化压力对石墨化沥青焦微观结构的影响

以高温煤沥青为原料,分别在30MPa和60MPa炭化压力下制备了石墨化沥青焦,研究了两种炭化压力下制备的石墨化沥青焦的微观结构.结果表明：30MPa所制备试样的流线/流域型组织占优,60MPa制备试样的流域型和镶嵌型组织占优.流线型和流域型结构是易石墨化结构,镶嵌型结构是难石墨化结构.炭化压力对沥青焦微观结构的影响主要是通过影响中间相的成核、生长和融并来实现的,30MPa炭化压力下,中间相小球融并完全,因而形成各向异性流线型结构;60MPa炭化压力下,中间相小球融并受阻,从而形成镶嵌型结构.TEM和SAED分析表明：30MPa制备的石墨化沥青焦以高度取向的流线型组织为主,在片层边缘及片层之间存在各向同性组织;60MPa制备的石墨化沥青焦为多种微观组织并存,分布不均匀,除各向同性组织外,沥青焦微观组织选区电子衍射图谱的（002）环不同程度呈点状分布.以上现象说明30MPa制备的石墨化沥青焦微观组织的均匀性和取向性都要好于60MPa制备的石墨化沥青焦.     

C/C-ZrC复合材料的微观结构和力学性能研究

采用ZrOCl₂溶液浸渍法把锆化合物引入碳纤维预制体, 经热处理、热梯度化学气相渗透致密化和高温石墨化工艺制备了C/C-ZrC复合材料。性能测试结果表明, C/C复合材料的弯曲强度和模量随ZrC含量的增加而增大, ZrC含量为12.08wt%时, 其强度和模量分别为42.5 MPa 和9.6 GPa, 比未改性试样分别提高了70.0%和43.3%。基体中结合较弱的微米级ZrC颗粒的存在不利于碳基体强度的提高, 但其对材料最终性能的影响是次要的, 碳基体中亚微米/纳米级ZrC颗粒的存在和良好的ZrC-C界面结合, 提高了碳基体的强度和模量, 进而提高了复合材料的最终性能。     

中间相沥青基泡沫炭的制备与结构表征

将石油系中间相沥青利用限定尺寸法发泡后获得了泡沫炭,泡沫炭再经氧化、炭化和石墨化处理获得了具有良好孔结构的泡沫炭.利用SEM和XRD分析了泡沫炭的形态和结构.发现调整发泡模具中的自由空间可以控制泡沫炭的孔径;炭化和石墨化后泡沫炭的孔径减小,孔壁片层取向接近石墨;泡沫炭的孔壁由平直孔壁和“Y”形孔壁结构成,前者内部片层取向优于后者.大孔径泡沫炭的孔壁具有更紧密的内部分子排列,但其微晶尺寸较小.     

石墨化参数对四向炭/炭复合材料残余应力的影响

依据四向编织炭/炭复合材料的结构特点,建立了能反映其编织方式和空间构型的单元体胞模型.在单胞几何模型和介观计算力学基础上,采用有限元方法研究了在不同石墨化温度、降温梯度和界面刚度情况下四向编织炭/炭复合材料的残余热应力分布.研究表明:低温石墨化复合材料的残余热应力比高温石墨化时小.界面刚强度低时石墨化过程中残余热应力比界面刚强度高时小.冷却速率越快,残余热应力越大.     

CVD热解炭的结构、生长特征及可石墨化性

采用TEM表征结构、喇曼光谱表征石墨化度,研究了C/C复合材料中典型粗糙层(RL)和光滑层(SL)结构热解炭生长特征及其与可石墨化性之间的对应关系.结果表明,RL为层状结构,片层呈平直形状,有明显的锥状生长特征,同一锥面中石墨微晶c轴的取向基本相同,相邻锥面中的相差一个小角度,SL没有明显的生长特征;RL比SL结构热解炭容易石墨化,经2400℃石墨化处理后,两者(002)衍射弧宽度分别为39°和66°,对应的石墨化度分别为87.6％和25.6％.提出了一种RL结构热解炭锥状生长结构模型.     

沥青炭的微观结构对其压缩强度的影响

将高温煤沥青和浸渍剂沥青在不同压力下炭化,在2500℃下对所得沥青炭进行石墨化处理;测试了所得沥青炭的体积密度、开孔率;利用扫描电子显微镜（SEU）观察了所得沥青炭的显微结构;利用XRD检测了所得沥青炭石墨化处理后的石墨化度;测试了所得沥青炭的压缩强度。结果表明：随着炭化压力的增大,沥青炭的体积密度增大而开孔率减小,压缩强度也随之增大;随着炭化压力的增大沥青炭显微结构呈由流线型向镶嵌型和域型转变的趋势;流线型结构沥青炭石墨化度较高,但也导致沥青炭的压缩强度降低。