液相汽化TG-CVI法制备Cf/C复合材料工艺及其组织性能研究

摘要

Cf/C复合材料具有高比强度和比模量，以及高温下优良的强度保持率等优异性能，被广泛应用于航空航天、核能、军事等领域。传统制备高性能Cf/C复合材料的方法主要为等温化学气相渗透工艺(ICVI)，但其存在制备周期长、成本太高等突出问题。为有效解决这一问题，本研究采用自制得集前驱体汽化与热解碳沉积为一体的实验装置，以环己烷为前驱体，用液相汽化TG-CVI法快速制备环形Cf/C复合材料，并利用PLM、SEM、XRD等分析手段和三点弯曲等试验方法，主要研究了工艺条件对材料致密化行为、微观组织结构及性能的影响，主要工作和结果如下： (1)以碳毡为预制体制备Cf/C复合材料，研究了沉积温度及炉压对Cf/C复合材料致密化行为、微观组织结构及性能的影响。结果表明：随着沉积温度的升高，材料平均密度显著增大，径向密度极差减小，热解碳由中织构向高织构过渡，抗弯强度逐渐增大；随着炉压的增大，材料平均密度先略有增大后减小，径向密度极差先减小后增大，热解碳由高织构向中织构过渡；1000℃-20kPa为沉积碳毡的最佳工艺参数，该工艺下可在20h内将初始密度为0.140g·cm-3的碳毡致密到1.662g·cm-3，致密化速率高达0.07610g·cm-3·h-1，热解碳全部为粗糙层，抗弯强度约为59.74MPa，断裂特征为假塑性断裂。 (2)以碳纤维网胎为预制体制备Cf/C复合材料，研究了炉压对Cf/C复合材料致密化行为、微观组织结构及性能的影响。结果表明：随着炉压的增大，材料平均密度先增大后减小，径向密度均匀性提高，热解碳由高织构向中织构过渡，材料抗弯强度先减小后增大；1000℃-10kPa为沉积网胎最佳工艺参数，在该工艺条件下可在20h内将初始密度为0.340g·cm-3的网胎致密到1.657g·cm-3，致密化速率约为0.06585g·cm-3·h-1，热解碳全部为粗糙层，抗弯强度约为49.71MPa，断裂特征为假塑性断裂。 (3)在相同的工艺条件下分别致密碳毡、碳纤维网胎预制体，研究了预制体结构对Cf/C复合材料微观组织结构的影响。结果表明：1000℃-20kPa下致密碳毡预制体，热解碳主要是以锥状方式生长的RL结构，致密网胎预制体，热解碳则主要是以平滑方式生长的SL结构，预制体初始As/Vr值是影响热解碳结构的主要因素。 (4)较大的温度梯度以及高浓度气态碳源前驱体，是液相汽化TG-CVI能够快速制备Cf/C复合材料的主要原因。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2.1 Cf/C复合材料的发展

1.2.2 Cf/C复合材料的结构

1.2.3 Cf/C复合材料的性能

1.2.4 Cf/C复合材料的应用

1.3 Cf/C复合材料的致密化工艺

1.3.1 传统致密化工艺

1.3.2 致密化新工艺及其改进工艺

1.4存在的问题及研究意义

1.5本文研究目的和研究内容

1.6技术路线

第2章材料制备及试验方法

2.1液相汽化TG-CVI装置的设计与验证

2.1.1液相汽化TG-CVI装置的设计

2.1.2液相汽化TG-CVI装置的验证

2.2.1试验原材料

2.2.2试验设备

2.2.3试验过程及方案设计

2.3 Cf/C复合材料的表征与测试

2.3.1致密化行为表征

2.3.2 Cf/C复合材料的微观组织结构表征

2.3.3 石墨化度与表观微晶尺寸的测定

2.3.4材料力学性能的测试

第3章 结果与讨论

3.1工艺条件对碳毡预制体制备Cf/C复合材料的影响

3.1.1 工艺条件对材料致密化行为的影响

3.1.2 工艺条件对材料微观组织结构的影响

3.1.3工艺条件对材料石墨化度与表观微晶尺寸的影响

3.1.4工艺条件对材料力学性能的影响

3.1.5小结

3.2 炉压对碳纤维网胎预制体制备Cf/C复合材料的影响

3.2.1 炉压对材料致密化行为的影响

3.2.2 炉压对材料偏光显微组织结构的影响

3.2.3炉压对材料石墨化度与表观微晶尺寸的影响

3.2.4 炉压对材料力学性能的影响

3.2.5小结

3.3预制体结构对制备Cf/C复合材料微观组织的影响

3.3.1 偏光显微组织分析

3.3.2 XRD分析

3.3.3 SEM显微形貌分析

3.3.4 小结

3.4液相汽化TG-CVI工艺过程分析

结论

参考文献

致谢

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