纳米碳管对泡沫炭的超临界发泡行为及其力学性能的影响机制

采用超声波?磁力搅拌的方法, 实现了纳米碳管(CNTs)在中间相沥青(MP)中的均匀分散, 并考察了CNTs对泡沫炭的超临界发泡行为及其压缩强度的影响. 研究结果表明: 在超临界发泡过程中, 处于过饱和状态的甲苯将优先在CNTs/MP固-液界面处成核, 进而不断扩散、聚集、膨胀和发泡, 导致泡沫炭孔结构的均一性得以提高; 当在中间相沥青中均匀分散3.5wt%的CNTs后, 所制泡沫炭的压缩强度由3.2MPa提高到4.7MPa, 升高了46.9%; CNTs良好的导热性能降低了基体碳在石墨化过程中的热应力差异, 使得微裂纹的数量减少, 并且其一维纳米结构使得石墨化泡沫炭的孔壁和韧带结构得以增强.     

定向碳纳米管/炭纳米复合材料形貌和显微结构

以CVD法定向碳纳米管(ACNTs)阵列为骨架,利用化学气相渗透(CVI)工艺制备了新型定向碳纳米管/炭(ACNT/C)纳米复合材料。通过偏光金相显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)和Raman光谱等分析方法对其显微结构和热解炭沉积机理进行了研究。结果表明:所制ACNT/C纳米复合材料的热解炭结构主要为类粗糙层结构,围绕碳纳米管生长的热解炭石墨层片结构清晰,并且碳纳米管和热解炭之间具有良好的界面结合;而在相同工艺条件下围绕炭纤维生长的热解炭为典型的光滑层结构。这可能是由于在热解炭沉积过程中存在碳纳米管"诱导"沉积过程,即沿着碳纳米管径向的离域化共轭π键和具有类似结构的芳香族大分子通过π-π非共价键作用相结合,并在CNTs纳米尺寸的影响下,芳香族大分子按照"软取向"(Softepitaxy)围绕碳纳米管生成环形层片状类石墨结构的热解炭。该研究结果有望为热解炭的可控沉积起到一定的借鉴作用。     

一种新型C／C复合材料——石墨粉增强热解炭

通过热梯度化学气相渗透工艺制备了石墨粉增强热解炭基复合材料(G/C Composites),采用偏光显微镜、SEM观察了其微观组织结构,运用电学和机械实验对其性能进行了研究。结果表明,热解炭能从不同的方位与石墨颗粒包裹性地结合,充分地填充石墨颗粒间的孔隙。G/C复合材料呈现各向同性,密度高(1.85g/cm3),体积电阻率高(148.4μΩ.m),具有优异的力学性能(抗弯强度为50MPa,耐压强度为120MPa)。G/C复合材料的力学性能比纯石墨高一倍,抗压强度与炭毡增强C/C复合材料相当,弯曲强度比炭毡增强C/C复合材料略低。     

一种新型C/C复合材——石墨粉增强热解炭

通过热梯度化学气相渗透工艺制备了石墨粉增强热解炭基复合材料(G/C Composites),采用偏光显微镜、SEM观察了其微观组织结构,运用电学和机械实验对其性能进行了研究.结果表明,热解炭能从不同的方位与石墨颗粒包裹性地结合,充分地填充石墨颗粒间的孔隙.G/C复合材料呈现各向同性,密度高(1.85 g/cm3),体积电阻率高(148.4 μΩ·m),具有优异的力学性能(抗弯强度为50MPa,耐压强度为120MPa).G/C复合材料的力学性能比纯石墨高一倍,抗压强度与炭毡增强C/C复合材料相当,弯曲强度比炭毡增强C/C复合材料略低.     

炭/炭复合材料表面高温抗氧化合金涂层的研究进展

炭/炭(C/C)复合材料高温下易氧化,严重制约了其应用.高温合金涂层技术是解决该问题的有效手段.综述了近几年来C/C复合材料高温抗氧化合金涂层的最新研究进展,介绍了Si-Cr系、Si.Mo系、Sj-Mo-X(W,Ta,Cr)系、Al基以及Ir系舍金涂层的高温抗氧化性能,分析了部分合金涂层失效的原因,提出了C/C复合材料...     

轴炭棒法制备高性能炭/炭复合材料喉衬织物(英文)

为适应高性能固体火箭发动机使用的苛刻条件,如高压和大流量,通过预成型设计和致密化过程改性,制备一种三维和四向炭纤维增强结构的新型炭/炭(C/C)复合材料。同时,探讨影响该喉衬材料关键性能的主要过程并进行性能评价。最后描述某些固体火箭发动机喷管的C/C复合材料的应用现状。结果表明,所制C/C复合材料具有优良的力学和热性能,其烧蚀率相当于整体毡预制体C/C复合材料织物,较径向炭棒法C/C复合材料织物低60%。     

热处理温度对热解炭及炭/炭复合材料力学性能的影响

以丙烷为气源,采用等温等压化学气相渗透技术制备了炭/炭复合材料,利用X射线衍射、偏光显微镜、扫描电镜、纳米压痕仪、三点弯曲法研究了热处理温度对热解炭以及炭/炭复合材料微观结构和力学性能的影响.微观结构观察显示随着热处理温度的升高,热解炭层间距减小,同时石墨化度提高;由于发生了局部应力石墨化,热解炭出现同心微裂纹,并且随热处理温度的升高裂纹的数量和宽度增加.纳米压痕测试表明,热解炭的纳米压痕行为是完全的弹性形变,完全卸载后热解炭表面没有残余压痕,但加载和卸载曲线没有重合而是存在一定的能量耗散,随着热处理温度的升高,热解炭的弹性模量增大.热处理后纤维强度降低,并且纤维与基体炭界面脱离,导致炭/炭复合材料的弯曲强度和模量下降.     

反应温度对水热改性炭/炭复合材料抗氧化性能的影响

以磷酸、B₄C、SiC和Al₂O₃粉料为原料, 采用一种新颖的水热法对炭/炭(C/C)复合材料基体进行了抗氧化改性. 重点研究了水热反应温度对改性试样的物相组成、微观结构及抗氧化性能的影响. 采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)及X射线光电子能谱(XPS)对改性后试样进行了表征. 结果表明：经过水热改性处理, 炭/炭复合材料表面缺陷被玻璃相B₂O₃、HPO₃和微晶Al(PO₃)₃所组成的涂层所覆盖, 材料的抗氧化性能明显提高; 抗氧化性能在120～200℃范围内随着水热改性温度的升高而提高; 在200℃水热改性后的炭/炭复合材料在700℃的空气中氧化10h后的质量损失仅为2.31%.     

炭/炭复合材料表面预炭层的制备及其性能研究

为在炭/炭复合材料表面制备C/SiC浓度梯度高温抗氧化涂层,预先用料浆涂刷-高温处理工艺在其表面制备了预炭层.借助XRD、Raman和SEM等测试手段对所制备预炭层的组织结构和微观形貌进行了表征,讨论了不同的原料配比和炭化温度对预炭层结构的影响,并对预炭层与基体的结合性能进行了测定.研究结果表明：制备的预炭层结构致密,与基体具有较好的结合性能,其结合强度可达10.95MPa.不同的原料配比和炭化温度影响了炭层序态结构的形成,最终形成了不同结构的预炭层.     

多涂层炭/炭复合材料抗1500℃燃气冲刷性能的研究

为提高炭/炭(C/C)复合材料的抗高温燃气冲刷性能,分别采用包埋法、化学气相沉积法和料浆法在其表面制备了三层涂层.借助扫描电镜、电子能谱等测试手段对涂层试样的微观结构进行了分析,同时研究了涂层C/C复合材料在高温风洞环境中的抗冲刷性能,并分析了涂层在燃气冲刷环境下的失效原因.结果表明:三层涂层由MoSi2-SiC-Si多相内涂层、SiC中间层和玻璃外涂层构成,其厚度分别为80μm, 20μm和80μm.该复合涂层可在1500℃风洞环境下对C/C复合材料有效保护53h.涂层在高温风洞中防氧化失效是由于涂层在热冲击以及承受气流冲击的恶劣环境下开裂引起的.     

不同物相电沉积CNTs对C/SiC复合材料力学性能的影响

采用电沉积法与化学气相渗透(CVI)法将碳纳米管(CNTs)分别引入到碳纤维表面和SiC基体中,制得了不同物相电沉积CNTs的C/SiC复合材料(CNTs-C)/SiC和C/(CNTs-SiC)。研究了CNTs沉积物相对C/SiC复合材料力学性能的影响,分析了不同CNTs沉积物相的C/SiC复合材料的拉伸强度及断裂机制。结果表明:相较于未加CNTs的C/SiC复合材料,CNTs沉积到碳纤维表面的(CNTs-C)/SiC复合材料的拉伸强度提高了67.3%,断裂功提高了107.2%;而将CNTs引入到SiC基体中的C/(CNTs-SiC)复合材料的断裂功有所降低,拉伸强度也仅提高了6.9%,CNTs没有表现出明显的增强增韧效果;C/(CNTs-SiC)复合材料与传统的C/SiC复合材料有相似的断裂形貌特征,断裂拔出机制类似,主要为纤维增强增韧,CNTs的作用不明显。     

掺杂改性C/C复合材料研究进展

陶瓷掺杂改性碳/碳(C/C)复合材料在保持C/C复合材料原有优异高温力学性能及尺寸稳定性等特性的前提下,显著提高了C/C复合材料的高温抗氧化、抗烧蚀性能,且其具有可设计性和良好的抗热震性能等优势,是新型高超声速飞行器和新一代高性能发动机热防护部件的理想候选材料。综述了国内外在SiC陶瓷掺杂改性C/C复合材料,ZrC,ZrB2超高温陶瓷掺杂改性C/C复合材料以及TaC,HfC超高温陶瓷掺杂改性C/C复合材料等方面的最新研究进展和应用情况,并分析了陶瓷掺杂改性C/C复合材料目前研究及应用中存在的主要问题和今后潜在的研究发展方向。     

碳纳米管增强镁基复合材料导热性能研究

镁及其合金是目前最轻的金属结构材料,合金化虽然提升了镁合金的力学性能,但导致其导热性能严重下降,限制了镁合金的应用。碳纳米管(CNTs)因具有优异的力学、热学等性能,是最理想的增强体之一,可以用于改善镁合金的力学性能和热学性能。采用粉末冶金法分别以纯Mg、Mg-9Al合金、Mg-6Zn合金为基体制备了不同CNTs含量的镁基复合材料,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对复合材料微观组织、基体与增强体界面及析出相进行表征,并对复合材料的拉伸性能和热学性能进行测试。研究结果表明,当CNTs质量分数不超过1.0%时,可提高纯镁基复合材料的导热性能,力学性能仅有稍微降低;将CNTs添加到Mg-9Al合金中,可以促进纳米尺度β-Mg 17 Al 12相在CNTs周围析出,降低了Al在Mg基体中的固溶度,使CNTs/Mg-9Al复合材料的导热性能有所提高。此外,在CNTs/Mg-6Zn复合材料界面处存在C原子和Mg原子的相互嵌入区,这种嵌入型界面不仅有利于复合材料力学性能的提高,也使CNTs起到加速电子移动的“桥”的作用,有利于该复合材料热导率的提高。当CNTs质量分数为0.6%时,CNTs/Mg-6Zn复合材料具有较为优异的热学性能和力学性能,其热导率为127.0 W/(m·K),抗拉强度为303.0 MPa,屈服强度为204.0 MPa,伸长率为5.0%。     

电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能

采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs), 借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体, 制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明: EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征, 该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率, 诱导了高石墨微晶堆垛高度(L_c)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(L_a)热解炭的形成; EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量: 当CNTs含量为0.74wt%时, 复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa, 比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%; 继续提高CNTs含量, 复合材料弯曲强度降低, 这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关; 同时, EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂, 复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。     

高导热C/C复合材料的研究进展

综述了高导热C/C复合材料的研究现状及进展.从C/C复合材料的导热机理出发,分析了C/C复合材料的热物理性能以及影响其导热性能的因素.介绍了不同类型碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热C/C复合材料的制备及改性.     

碳纳米管增强铝基复合材料的界面研究进展

碳纳米管以其稳定的结构、优异的力学性能,成为复合材料的理想增强相。其增强效果受多方面因素影响,界面是决定其增强效果的关键因素之一,也是金属基复合材料的研究重点。简要介绍了碳纳米管增强铝基(CNTs/Al)复合材料的界面结合机制及界面对复合材料性能的影响,评述了热膨胀系数、制备方法、碳纳米管纯度等多种因素对CNTs/Al复合材料界面的影响,并提出了改善界面的方法。     

化学气相沉积碳／碳复合材料性能研究

分析了化学气相沉积碳／碳（Ｃ／Ｃ）复合材料的刹车力矩和刹车速度的关系曲线及影响因素，结果表明，刹车力矩一刹车速度曲线上的初始力矩峰值随着摩擦界面温度的升高而增大，提高材料的石墨化度、改变刹车盘的结构、降低刹车比压的施加速度都可以降低初始力矩峰值，改善Ｃ／Ｃ材料的摩擦性能．Ｃ／Ｃ复合材料具有良好的自润滑性能，其磨损率仅为１．２×１０－３ｍｍ／次．它们具有较高的机械性能和热物理性能，完全可以满足飞机刹车的要求．     

电场诱导碳纳米管在聚合物中定向有序排列的研究进展

碳纳米管特殊的结构和优异的性能使之成为复合材料增强的首选填料,综述了电场条件下碳纳米管在聚合物中有序排列的研究进展。分析了电场类型、碳纳米管表面官能化、加电时间、碳纳米管尺寸和含量等因素对电场诱导碳纳米管有序排列的影响,讨论了定向有序排列的碳纳米管对复合材料的力学、电学和热学等性能的影响,分析了碳纳米管定向排列机理以及碳纳米管定向程度的表征方法。     

冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响

利用Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)装置, 对炭化铪含量为2wt％的C/C复合材料进行了载荷峰值为137MPa的动态冲击损伤, 采用氧乙炔烧蚀装置研究了冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响, 并结合扫描电镜讨论了冲击损伤对样品烧蚀机理的影响. 研究结果表明: 与未受冲击的C/C复合材料相比, 冲击损伤后, 复合材料的质量烧蚀率增加了40％, 线烧蚀率增加了118％.     

碳纳米管表面处理及其在铜基复合材料中的应用

碳纳米管因特殊结构带来的优异性能而被海内外学者广泛关注,以碳纳米管为增强相制备铜基复合材料是使铜基导体同时具有高强度和高导电性能的有效途径。然而,由于碳纳米管表面能高、表面反应活性低,碳纳米管/铜复合材料制备的过程中存在增强体分散性差和界面结合强度弱两大问题,从而阻碍了复合材料高性能的实现。在碳纳米管/铜复合材料的制备过程中,采用适当的方法对碳纳米管进行表面处理能改变碳纳米管的表面结构和反应活性,在改善碳纳米管的分散性的同时增强碳纳米管与铜基体的界面结合,从而提高碳纳米管的增强效率,保证复合材料良好的综合性能。然而,表面处理过程可能会破坏碳纳米管的结构完整性,影响碳纳米管的本征性能,进而影响其增强效果,或可能在基体中引入其他杂质,影响复合材料的导电和导热性能。因此,在进行表面处理时应综合考虑其对碳纳米管结构性能及复合材料增强作用的影响。近年来,研究者们通过优化碳纳米管表面处理工艺突破了碳纳米管/铜复合材料在制备过程的难点,在保证铜基体优异的导电、导热性能的同时,大幅提高了碳纳米管/铜复合材料的力学性能。碳纳米管表面处理工艺类型大致可分为机械球磨、化学表面改性、表面镀层和联合表面处理四类。传统的机械球磨表面处理对碳纳米管的结构破坏较大;化学表面改性又分为共价表面改性和非共价表面改性,非共价表面改性在保持碳纳米管完整的管状结构和优异性能的同时,提高了碳纳米管在溶液中的分散性,但用于复合材料制备时会给基体引入有机杂质,影响复合材料性能;共价表面改性和表面镀层是铜基复合材料制备过程中最为常用和有效的表面处理方法,其能够在提高碳纳米管在基体中的分散性能的同时改善碳纳米管表面的反应活性,从而形成碳纳米管和铜基体之间强度较高的反应结合界面,实现碳纳米管/铜复合材料高强高导的综合性能。此外,可通过综合利用各种表面处理方法,结合各表面处理工艺的优势,获得更为优异的改性效果。本文从碳纳米管表面处理工艺的基本类型以及碳纳米管表面处理对铜基复合材料结构和性能的影响两方面阐述了碳纳米管表面处理在铜基复合材料中的应用和研究进展,并对其未来的研究方向进行了展望。