耐高温炭基吸波剂的调控、结构及性能研究

摘要

针对我国新型高速飞行器等武器装备对高温结构吸波材料的需求，本论文以提高C/C复合材料的吸波性能为目的，开展了耐高温炭基吸波剂（炭纤维及热解炭）的调控、结构及性能研究。在初步探明炭纤维和热解炭的电磁波响应特性的基础上，通过引入BN、SiO2及SiC耐高温陶瓷相来改性炭纤维和热解炭，系统研究了陶瓷相改性对炭纤维和热解炭微观结构、抗氧化性能及介电性能的影响，并对改性炭纤维和热解炭的吸波性能进行了验证研究。在此基础上，开展了改性C/C复合材料仿真设计、制备及其吸波性能研究工作，制各出了具有优良吸波性能的改性C/C复合材料。主要研究内容和结果如下:
　　1)初步探明了炭纤维及热解炭的电磁波响应特性。炭纤维的介电常数与其形态和排列方式有关;而极化方式对定向排布长炭纤维复合材料的吸波性能具有显著影响。由丙烯热解而成的热解炭的介电常数最大，中间相沥青热解而成的热解炭次之，呋喃树脂热解而成的热解炭最小;随热处理温度升高，热解炭导电性显著增强，介电常数明显增大。
　　2)分别研究了炭纤维表面涂层及原位生长纳米SiC纤维改性对炭纤维微观结构、强度、抗氧化性能及介电性能的影响。形成了炭纤维表面SiO2、BN、含界面相SiC涂层及原位生长纳米SiC纤维改性技术，显著降低了炭纤维的介电常数，较好地调控了炭纤维的介电性能，同时提高了炭纤维的抗氧化性能，使炭纤维可满足高温吸波剂的使用要求。
　　3)分别研究了BN包覆改性和SiO2掺杂改性对热解炭微观结构、化学成分、抗氧化性能和介电性能的影响。形成了BN、SiO2耐高温绝缘陶瓷相改性热解炭技术，较好地调控了热解炭的介电性能，改善了其阻抗匹配，并提高了热解炭的抗氧化性能，获得了介电性能可控的耐高温吸波炭基体。
　　4)分别研究了BN/SiC涂层改性炭纤维及SiO2掺杂改性热解炭对吸波性能的影响。对于夹层结构短切炭纤维复合材料，BN/SiC涂层改性炭纤维后，可明显提高复合材料的吸波性能;对于夹层结构定向排布连续长炭纤维复合材料，BN/SiC涂层改性炭纤维后，在平行极化测试条件下，可改善复合材料的吸波性能，但效果并不理想;而在垂直极化测试条件下，使得复合材料高频吸波性能降低，低频吸波性能提高。对热解炭进行SiO2掺杂改性，可明显提高改性热解炭复合材料的吸波性能，但继续增加SiO2的含量，将导致吸波性能下降。
　　5)在对夹层结构改性C/C复合材料进行仿真设计的基础上，制备出了在室温和1050℃（垂直极化）测试条件下均具有优良吸波性能的改性C/C复合材料，在室温测试条件下，材料反射率在8-18GHz全频段均小于-8dB，小于-10dB的带宽为5.2 GHz;在1050℃测试条件下，材料反射率在8-18GHz全频段均小于-6dB，小于-10 dB的带宽为4.6 GHz，为研制出满足实际应用要求的高性能高温结构吸波C/C复合材料奠定了基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 耐高温吸波剂的种类

1．2．1 碳化硅吸波剂

1．2．2 炭纤维、碳纳米管吸波剂

1．2．3 石墨及炭黑吸波剂

1．3 耐高温吸波剂介电常数的要求

1．4 耐高温吸波剂改性研究现状

1．4．1 碳化硅吸波剂改性

1．4．2 炭纤维吸波剂改性

1．4．3 碳纳米管吸波剂改性

1．4．4 石墨、炭黑吸波剂改性

1．5 耐高温吸波剂应用于高温结构吸波材料研究现状

1．5．1 国外研究现状

1．5．2 国内研究现状

1．5．3 发展方向

1．6 C／C复合材料作为高温结构吸波材料应用的分析

1．7 提高C／C复合材料吸波性能的途径

1．7．1 炭纤维改性

1．7．2 炭基体改性

1．8 吸波改性材料和工艺的选择

1．8．1 改性材料选择

1．8．2 改性工艺选择

1．9 论文研究目的与研究内容

1．9．1 研究目的

1．9．2 研究内容

2 原材料和检测方法

2．1 原材料

2．1．1 炭纤维和无纬布

2．1．2 气态碳源

2．1．3 液态碳源

2．1．4 固态碳源

2．1．5 SiC源

2．1．6 其他原料

2．2 微观结构表征

2．2．1 X射线衍射分析

2．2．2 红外光谱分析

2．2．3 X射线光电子能谱分析

2．2．4 拉曼光谱分析

2．2．5 扫描电子显微镜分析

2．2．6 透射电子显微镜分析

2．3 性能测试

2．3．1 表观密度和开孔率

2．3．2 电性能测试

2．3．3 炭纤维束丝强度测试

2．3．4 热重和差热测试

2．3．5 介电常数测试

2．3．6 反射率测试

3 炭基材料的电磁波响应特性研究

3．1 前言

3．2 C／C复合材料的电导特性

3．3 炭纤维的电磁波响应特性

3．3．1 炭纤维的介电特性

3．3．2 炭纤维的微波衰减特性

3．4 热解炭的电磁波响应特性

3．4．1 热解炭的介电特性

3．4．2 热处理对热解炭介电特性的影响

3．5 本章小结

4 BN涂层改性炭基材料的研究

4．1 前言

4．2 BN涂层改性炭纤维及其性能研究

4．2．1 BN涂层改性炭纤维的制备研究

4．2．2 BN涂层改性炭纤维的微观结构与化学成分

4．2．3 BN涂层改性炭纤维的性能研究

4．3 BN涂层包覆改性热解炭粉及其性能研究

4．3．1 BN涂层包覆改性热解炭粉的制备

4．3．2 BN涂层包覆改性热解炭粉的微观结构和化学成分

4．3．3 BN涂层包覆改性热解炭粉的形成机制

4．3．4 BN涂层包覆改性热解炭粉的性能研究

4．4 本章小结

5 SiO2陶瓷相改性炭基材料的研究

5．1 前言

5．2 SiO2涂层改性炭纤维及其性能研究

5．2．1 SiO2涂层改性炭纤维的制备

5．2．2 SiO2涂层改性炭纤维的成分与微观结构

5．2．3 SiO2涂层改性炭纤维的性能研究

5．3 SiO2掺杂改性热解炭粉及其性能研究

5．3．1 SiO2掺杂改性热解炭粉的制备

5．3．2 SiO2掺杂改性呋喃树脂炭粉的成分与微观结构

5．3．3 SiO2掺杂改性热解炭粉的性能研究

5．4 本章小结

6 SiC陶瓷相改性炭纤维的研究

6．1 前言

6．2 含C界面相SiC涂层改性炭纤维及其性能研究

6．2．1 C／SiC涂层改性炭纤维的制备

6．2．2 C／SiC涂层改性炭纤维的成分与微观结构

6．2．3 C／SiC涂层改性炭纤维的性能研究

6．3 含BN界面相SiC涂层改性炭纤维及其性能研究

6．3．1 BN／SiC涂层改性炭纤维的制备

6．3．2 BN／SiC涂层改性炭纤维的成分与微观结构

6．3．3 BN／SiC涂层改性炭纤维的性能研究

6．4 表面原位生长纳米SiC纤维改性炭纤维及其性能研究

6．4．1 纳米SiC纤维改性炭纤维的制备

6．4．2 纳米SiC纤维改性炭纤维的成分与微观结构

6．4．3 纳米SiC纤维改性炭纤维的性能研究

6．5 本章小结

7 改性炭基材料对吸波性能的影响

7．1 前言

7．2 BN／SiC涂层改性炭纤维对吸波性能的影响研究

7．2．1 BN／SiC涂层改性炭纤维复合材料的制备

7．2．2 BN／SiC涂层改性炭纤维复合材料的吸波性能

7．2．3 BN／SiC涂层改性炭纤维对吸波性能的影响机制

7．3 SiO2掺杂改性热解炭对吸波性能的影响

7．4 改性C／C复合材料仿真设计、制备及其吸波性能研究

7．4．1 改性C／C复合材料仿真设计

7．4．2 改性C／C复合材料的制备

7．4．3 改性C／C复合材料的吸波性能研究

7．5 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

致谢