高密度3D预制体C/C复合材料的快速增密与性能研究

摘要

3DC/C复合材料作为一种新型的结构、功能材料,被广泛用于航空、航天以及其它战略地位很高的领域。由于国外技术封锁,加之高密度3DC/C复合材料CVI工艺制备难度大,目前国内对于CVI工艺制备高热解炭含量3DC/C复合材料工艺研究方面仍缺乏系统认识。本文在仔细剖析3DC/C复合材料研究现状和制备难点基础上,提出分段CVI优化工艺,探讨了高密度三维编织体“工艺一结构一性能”的关系,并探索了一条快速制备大尺寸3DC/C复合材料的有效途径。
　　 (1)提出多阶段致密化方法,解决了高密度3D炭纤维预制体CVI工艺增密的难题,并对3D C/C复合材料致密化机理进行了初步探讨。初始密度为0.94g/cm3的高密度预制体经250h多阶段CVI工艺,沉积密度可达1.82g/cm3。
　　 (2)开发了大尺寸高纤维含量块体C/C复合材料快速制备技术。通过正交实验和回归设计,建立了压差ICVI工艺参数快速优化体系。选择密度和开孔率作为等温压差CVI工艺制备C/C复合材料质量的判定标准,获得了密度和开孔率的预测方程。沉积温度990℃、碳源气体浓度33％、总体积流量为4.5 L·min-1时可以获得较高的综合性能。制备的大尺寸块体材料各个区域的密度相差仅为0.03 g/cm3,热解炭结构较均匀。
　　 (3)研究了热处理工艺对3D C/C复合材料力学性能及断裂特征的影响。致密化工艺中经过2次温度在2100℃的热处理,高纤维含量的3D C/C复合材料的断裂韧性较高,抗弯强度达到196.69 Mpa,断裂方式为假塑性断裂,断口形貌为明显的纤维/基体分区断裂。
　　 (4)研究了高纤维含量三维编织C/C复合材料石墨化度和导热性能。石墨化度随C/C复合材料密度的升高而升高。密度为1.6g/cm3的针刺毡C/C复合材料和3D C/C复合材料热扩散率分别为0.04cm2·s-1,0.85 cm2·s-1。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 三维编织C/C复合材料研究概述

1.1.1 编织工艺及织物几何结构研究

1.1.2 三维编织复合材料力学性能研究现状

1.1.3 三维编织C/C复合材料应用前景

1.2 C/C复合材料制备技术

1.3 研究背景及主要研究内容

第二章 3D高密度C/C复合材料的制备与表征

2.1 原材料制备

2.2 制备工艺及主要设备

2.2.1 化学气相沉积设备

2.2.2 石墨化处理设备

2.2.3 材料制备工艺路线

2.3 材料测试分析

2.3.1 偏振光分析(PLM)

2.3.2 X射线分析

2.3.3 扫描电镜分析

2.3.4 透射电镜分析

2.3.5 体积密度测量

2.3.6 孔隙率测试

2.3.7 导热系数的测定

2.3.8 抗弯强度测试

第三章 压差ICVI制备C/C复合材料工艺参数优化

3.1 引言

3.2 实验设计

3.2.1 正交设计

3.2.2 回归设计

3.3 实验结果

3.4 正交分析

3.4.1 密度分析

3.4.2 孔隙率分析

3.4.3 Cross Table综合分析

3.5 回归分析

3.5.1 体积密度

3.5.2 孔隙率

3.5.2 验证实验

3.6 小结

第四章 高密度三维编织体的致密化研究

4.1 沉积室优化

4.1.1 沉积室体积对致密化的影响

4.1.2 沉积室气体流速对致密化的影响

4.2 多阶段致密化研究

4.3 三维编织结构参数对致密化的影响

4.4 小结

第五章 高密度三维编织体的热解炭结构研究

5.1 沉积室优化对热解炭结构的影响

5.2 致密化工艺对热解炭结构的影响

5.2.1 工艺参数对热解炭结构的影响

5.2.2 多阶段致密对热解炭结构的影响

5.3 三维正交编织结构参数对热解炭结构的影响

5.4 小结

第六章 三维编织C/C复合材料性能研究

6.1 力学性能

6.1.1 不同热处理次数对C/C复合材料力学性能影响

6.1.2 不同热处理温度对C/C复合材料力学性能影响

6.2 石墨化度

6.2.1 密度对C/C石墨化度的影响

6.2.2 热处理对C/C石墨化度的影响

6.3 导热性能

6.4 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果