摘要：碳/碳(C/C)复合材料是先进航空航天器及其动力系统不可或缺的高技术战略性材料.在该材料致密化和石墨化过程中,热解碳开裂、碳纤维/热解碳界面松弛等微观缺陷难以避免,这严重影响了C/C复合材料优异力学性能的发挥.针对这一问题,在碳纤维预制体中引人一维纳米管/线,如碳纳米管(CNT)、碳化物陶瓷纳米线等,构建纳米管/线-碳纤维多尺度预制体,利用纳米管/线和碳纤维的协同作用实现对碳基体的微-纳尺度强化.本文研究并开发出在碳纤维预制体中原位生长或直接引人一维纳米管/线的多种方法,包括等温化学气相沉积(ICVD)、热梯度化学气相沉积(TCVD)、注射化学气相沉积(IJCVD)、电泳沉积;探索了CNT、SiC纳米线、HfC纳米线结构特征.以CNT增强C/C复合材料为例,分析了纳米管的引人对C/C复合材料力学性能的影响.结果表明,通过控制制备工艺,可在碳纤维表面原位生长径向直立CNT和卷曲状CNT.径向直立CNT可极大地提高C/C复合材料的力学性能(提高幅度超过200％)、提高石墨化前后强度的保持率;卷曲状CNT则能够诱导各向同性碳基体和多孔界面的形成,显著改善C/C复合材料的断裂塑性.相比于生长在碳纤维表面的直立CNT,生长在碳纤维之间的直立CNT则可以同时改善C/C复合材料的力学强度和断裂塑性,这主要归因于碳纤维之间分布的CNT诱导的多层碳基体结构的形成.上述研究结果表明,纳米管/线分布属性对C/C复合材料力学性能的有着显著影响,设计和控制多尺度预制体中纳米管/线的分布和微观形貌,对调控CNT-C/C复合材料的性能和服役行为有重要意义.
