氢气对C/C复合材料中CVI热解炭显微结构影响的研究

摘要

CVI炭的显微结构对其炭/炭复合材料的性能有显著的影响,如何调控CVI工艺参数实现所需结构的CVI炭一直是各国科学家关注的热点课题之一.本文在大量实验研究和理论分析的基础上,首次系统地研究了热梯度炉中氢气作为载气的情况下C/C复合材料CVI热解炭显微结构与控制参数之间的关系,通过对材料的偏光观察和石墨化度测量指出氢气对热解炭显微结构有着重要的影响,通过调节气相中的氢气体积分数可以有效地控制CVI热解炭的显微结构.首次仔细分析了热梯度式CVI工艺制备的盘状C/C复合材料中气体滞留时间的变化规律,并结合热梯度炉的温度分布规律很好地解释了材料中热解炭显微结构的分布.通过不同载气对热解炭显微结构影响的研究指出:CVI过程中的氮气充当惰性气体角色,对丙烯的热解沉积和所得热解炭显微结构没有明显影响;而额外的氢气添加一方面抑制了热解炭的沉积,另一方面可以大大降低RL结构热解炭所需的气体滞留时间临界值,使得在更短的滞留时间内得到RL结构热解炭.比较系统地研究了氢气体积分数、控制温度以及系统总压对热解炭显微结构的影响,发现在丙烯/氢气体系中,RL结构热解炭可以在更宽广的温度、压力范围内获得,并且通过调整气相中氢气体积分数可以在整个试样中得到单一的RL结构热解炭.结合实验结果和热解炭沉积过程的定性分析提出热解炭沉积的氢气调节模型:热解炭沉积是基于化学吸附机制和物理吸附机制的沉积的综合效果;气相中氢气体积分数的增加调节基于化学吸附机制和物理吸附机制的两类热解炭沉积速率之间的关系,使得热解炭显微结构出现SL→RL→SL→IS0的转变.RL结构热解炭的获得条件被总结为:X>X<,c>,υ<,n><υ<,c>;Y∈(Y<,1>,Y<,2>).

目录

文摘

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第一章绪论

1.1 C/C复合材料的制备

1.1.1液相浸渍工艺

1.1.2化学气相渗透(CVI)工艺

1.2化学气相沉积C/C复合材料的结构与性能

1.2.1 C/C复合材料的结构

1.2.2 C/C复合材料偏光显微结构与工艺条件的关系

1.2.3 C/C复合材料性能与其偏光显微结构的关系

1.3研究背景

1.4主要研究内容

第二章材料制备与试验方法

2.1定向流动热梯度CVI炉

2.2 C/C复合材料的制备

2.3材料的显微结构金相观察与分析

2.3.1金相试样的制备

2.3.2金相试样的定性观察

2.3.3金相试样的定量测量

2.4 C/C复合材料的XRD法测定

2.4.1石墨化度的测定

2.4.2表观微晶尺寸的测定

第三章载气类型对C/C复合材料热解炭显微结构的影响

3.1实验方法

3.1.1试样制备

3.1.2显微结构分析

3.1.3石墨化度测量

3.2实验结果

3.2.1载气类型对试样增密的影响

3.2.2载气类型对热解炭显微结构的影响

3.2.3载气类型对石墨化度、表观微晶尺寸的影响

3.3分析与讨论

3.4小结

第四章混合气中氢气体积分数对C/C复合材料热解炭显微结构的影响

4.1实验方法

4.1.1试样制备

4.1.2显微结构分析

4.1.3石墨化度测量

4.2实验结果

4.2.1氢气体积分数对试样增密的影响

4.2.2氢气体积分数对热解炭显微结构的影响

4.2.3氢气体积分数对石墨化度、表观微晶尺寸的影响

4.3分析与讨论

4.4热解炭沉积机理分析

4.4.1热解炭沉积机理的研究现状

4.4.2热解炭沉积的氢气调节模型

4.5小结

第五章温度对C/C复合材料热解炭显微结构的影响

5.1实验方法

5.1.1试样制备

5.1.2显微结构分析

5.1.3石墨化度测量

5.2实验结果

5.3分析与讨论

5.4小结

第六章气氛压力对C/C复合材料热解炭显微结构的影响

6.1实验方法

6.1.1试样制备

6.1.2显微结构分析

6.1.3石墨化度测量

6.2实验结果

6.2.1气氛压力对试样增密的影响

6.2.2气氛压力对热解炭显微结构的影响

6.2.3气氛压力对石墨化度、表观微晶尺寸的影响

6.3分析与讨论

6.4小结

第七章全文结论与研究展望

7.1全文结论

7.2研究展望

参考文献

致谢

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