碳纳米管改性碳/碳复合材料组织及性能研究

摘要

碳/碳（C/C）复合材料因其优异的性能已从单一的烧蚀热防护材料发展成为既是热防护材料又是结构材料的双功能复合材料，被广泛地应用于航空航天领域。但在C/C复合材料制备过程中，热解碳基体易产生环形裂纹，且与碳纤维结合不佳，这些问题影响了C/C复合材料的综合性能。在碳纤维预制体中嫁接CNTs可以增强纤维/基体结合和加固热解碳基体，提高 C/C复合材料的性能，但目前多采用原位生长法制备CNTs/碳纤维多尺度预制体，该方法存在成本偏高、工艺复杂及损伤碳纤维等问题。本文采用电泳沉积法实现了在碳纤维预制体中均匀嫁接CNTs，该方法对碳纤维无损伤且成本较低，并可大大缩短CNTs-碳纤维多尺度预制体的制备时间。研究了CNTs含量对C/C复合材料致密化速率、热解碳微观结构、氧化性能及层间剪切性能方面的影响，得出的主要结论如下：
　　研究了电泳时间对CNTs沉积的影响。改变电泳时间可以控制CNTs在碳毡中的沉积量，随着电泳时间的增加，预制体中CNTs的含量增加。电泳时间为60s时，CNTs在碳毡表面和内部均能实现均匀分布。
　　分析了不同含量CNTs改性C/C复合材料的致密化过程。CNTs的引入能提高C/C复合材料的致密化速率，但随着CNTs含量的增加，致密化速率的提高程度先增加后减小。其中，电泳时间为60 s时，CNTs含量为3.43 wt％的CNT-C/C复合材料内部CNTs的含量适中且分布均匀，致密化速率最快。
　　阐述了不同含量CNTs对C/C复合材料热解碳微观组织的影响。CNTs的引入改变了热解碳的沉积行为，使得热解碳同时围绕碳纤维和 CNTs生长，CNTs显著细化了纤维周围的热解碳，诱导热解碳围绕CNTs有序沉积，提高了热解碳结构完整性以及石墨化度，但由于CNTs取向随机，CNTs富集区热解碳在微观上表现为ISO组织。CNTs含量过少或过多对热解碳微晶结构有序性提高均不明显。
　　研究了不同含量CNTs改性预制体和复合材料的氧化性能。发现引入CNTs后，碳纤维表面积增大、活性点增多，预制体的起始氧化温度随CNTs含量增加而降低。CNTs能诱导热解碳的有序沉积，减少了热解碳中的缺陷，提高了 C/C复合材料的起始氧化温度。在600-900 oC的等温氧化性能测试中，CNT-C/C复合材料显示出比C/C复合材料更低的氧化速率。随着CNTs含量增加，CNT-C/C复合材料的抗氧化性能的提高程度先增大后减小，这是由于适量CNTs可作为连接热解碳基体的桥梁，增加了基体的凝聚力，减少了快速氧化通道的产生，其中，电泳时间为60 s时，CNTs含量为3.43 wt%的CNT-C/C复合材料的抗氧化性能最好。
　　揭示了CNTs对C/C复合材料层间剪切性能的影响机制。CNTs的引入增强了碳纤维与基体的结合，加固了碳纤维周围的热解碳基体，裂纹易于沿着热解碳的球形外表面扩展，吸收了更多的能量，使得 CNT-C/C复合材料的层间剪切强度和模量均高于纯C/C复合材料。其中，电泳时间为60 s，CNTs含量为3.43 wt%时，复合材料的层间剪切强度和模量最大，分别为19.85 MPa和675.85 MPa，比纯C/C复合材料分别增加了79.89%和204.85%。同时，CNTs的引入使复合材料的断裂模式由假塑性断裂转变为脆性断裂。

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论文的主要创新与贡献

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 C/C复合材料简介

1.3 CNT-C/C复合材料

1.4 选题意义及研究内容

第2章 实验方法和测试分析

2.1 实验研究方案

2.2 实验原料及设备

2.3 实验过程

2.4 性能表征

2.5 复合材料微观结构表征

第3章CNTs对C/C复合材料微观组织的影响

3.1 引言

3.2 碳毡上电泳沉积CNTs

3.3 CNTs含量对预制体致密化速率的影响

3.4 CNTs对C/C复合材料微观结构的影响

3.5 本章小结

第4章 CNTs对C/C复合材料氧化性能的影响

4.1 引言

4.2 电泳沉积不同含量CNTs碳毡的TG分析

4.3 CNT-C/C复合材料的TG分析

4.4 CNT-C/C复合材料的等温氧化性能及机理分析

4.5 本章小结

第5章 CNTs对C/C复合材料层间剪切性能的影响

5.1 引言

5.2 CNT-C/C复合材料的层间剪切性能

5.3 CNTs对C/C复合材料断裂的影响机理

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

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