炭纤维表面原位生长碳纳米管对C/C复合材料结构和热物性的影响

摘要

C/C复合材料以其优异的高温性能早已广泛地应用在很多领域。但在C/C复合材料生产中，热解炭结构不易控制，且与炭纤维之间容易产生同心环状微裂纹，这都影响C/C复合材料的性能。本文希望采用原位生长纳米碳管(carbon nanotubes，CNT)对炭纤维表面进行改性，并作为C/C复合材料的二次增强相，来加强基体炭与炭纤维之间的结合，改善热解炭的微观结构，增强复合材料的热物理性能。本文首先分析比较了不同的催化剂加载方法的优缺点，接着采用比较好的催化剂加载方法将催化剂的前驱体加载到预制体中的炭纤维表面上，并以甲烷为碳源原位生长CNT，最后采用等温化学气相渗透法(CVI)热解天然气制备出原位CNT/C/C复合材料。希望通过研究不同的工艺条件下以及不同加载量和初始石墨化度的CNT对C/C复合材料界面结构、热解炭微观组织和热物理性能的影响，而得到CNT改善C/C复合材料界面结构和热解炭微观组织进而改善试样热物理性能之间的联系及机理。 实验结果表明： 1)原位共沉淀法和均匀沉淀法得到的催化剂不仅在炭纤维表面分布较均匀，粒径分布范围较窄，而且在催化裂解甲烷时也表现出了高活性，均在炭纤维表面生长了非常浓密而均匀的三维网状“竹节”结构的CNT，两法均为比较适合的催化剂加载方法。而溶胶-凝胶法和浸渍法分别在工艺和催化剂的活性上存在问题。 2)在形成SL结构为主的CVI工艺条件下，CNT的加入可以诱导生成易于石墨化的以RL结构为主的带状结构并改善了热解炭和炭纤维之间的界面结合，所得复合材料的热导率为传统C/C复合材料1.80倍左右。当CVI工艺条件本身就能生成RL结构时，两者均为RL结构的热解炭，在平均石墨化度相近的情况下，CNT使复合材料热导率提高了13.0％；但两者的平均石墨化度和热导率均高于在SL工艺条件下制备的原位CNT/C/C复合材料。 3)CNT引入的催化剂使原位CNT/C/C中的热解炭呈现半球状生长，使炭纤维表面生成了更多的细小粒状组织，引起复合材料平均石墨化度降低，热导率大幅下降。 4)在炭纤维表面呈现三维网状分布的CNT能使炭纤维和热解炭之间形成一个从RL结构到ISO结构转变的界面区。随CNT在炭纤维预制体中加载量的增加该界面区厚度增加，复合材料微晶尺寸降低，平均石墨化度略微上升，热导率显著的下降。 5)随着CNT初始石墨化度的降低，原位CNT/C/C复合材料的平均石墨化度随之轻微的降低，其微晶尺寸却有一定的上升，随后趋于平稳，热导率呈缓慢上升趋势。 6)在一个很大的温度范围内，CNT在C/C复合材料中可以起稳定复合材料热扩散系数和热导率作用，使其随温度升高而下降趋势明显低于传统C/C复合材料；同时从200℃到1000℃，CNT使C/C复合材料的热膨胀系数稳定在一定小范围内。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 C/C复合材料

1.1.1炭纤维

1.1.2碳纳米管

1.1.3炭基体的基本结构

1.2 C/C复合材料的热物理性能及其影响因素

1.2.1 C/C复合材料热导率及影响因素

1.2.2热膨胀系数及影响因素

1.3碳纳米管对C/C复合材料热物理性能影响的研究现状

1.4研究背景及意义

1.5研究内容

第二章实验与测试分析方法

2.1本工作研究方案

2.2实验设备和药品(气体)

2.3炭纤维表面原位碳纳米管的制备

2.3.1炭纤维针刺预制体的预处理

2.3.2炭纤维表面催化剂加载

2.3.3原位生长碳纳米管

2.4复合材料的制备

2.5性能表征

2.5.1催化剂的表征

2.5.2碳纳米管的表征

2.5.3原位碳纳米管/C/C复合材料的性能表征

第三章催化剂加载方法及对原位碳纳米管的影响

3.1引言

3.2各种催化剂加载方法优缺点比较

3.3原位碳纳米管形貌

3.4原位碳纳米管微结构分析

3.5本章小结

第四章原位碳纳米管对C/C复合材料微结构的影响

4.1引言

4.2不同CVI工艺条件下碳纳米管对C/C复合材料微结构的影响

4.3碳纳米管引入的催化剂对碳纳米管/C/C复合材料微结构的影响

4.4碳纳米管加载量对碳纳米管/C/C复合材料微结构的影响

4.5碳纳米管初始石墨化度对碳纳米管/C/C复合材料微结构的影响

4.6本章小结

第五章原位碳纳米管对C/C复合材料热物理性能的影响

5.1引言

5.2不同CVI工艺条件下碳纳米管对C/C复合材料热导率的影响

5.3碳纳米管引入的催化剂对碳纳米管/C/C复合材料热导率的影响

5.4碳纳米管加载量对碳纳米管/C/C复合材料热导率的影响

5.5碳纳米管初始石墨化度对碳纳米管/C/C复合材料热导率的影响

5.6原位碳纳米管对C/C复合材料高温热导率的影响

5.7原位碳纳米管对C/C复合材料热膨胀系数的影响

5.8本章小结

第六章结论及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果