8-高性能炭炭复合材料制备及性能表征解读.ppt

C/C复合材料氧化机制 620 oC 氧化 20min 再经720 oC氧化5min 再经820 oC氧化5min 氧化反应受控于界面和微裂纹数量 Ⅰ：纤维－热解炭 Ⅱ：热解炭－热解炭 Ⅲ：微裂纹 Ⅳ：微 孔 ＞ 氧化速率 预浸涂 ? 涂层成分设计 致密、自愈合、强结合、抗氧化性好 喷涂复合浆料 ? 复合涂层技术 固化处理 （发明专利：Z0，6） 骨架相(ZrO2、Al2O3等) 玻璃相(SiO2、B2O3等) 助熔剂(CaF2、PbO4等) 耗氧剂(SiC、B4C等) 其它辅助剂 抗氧化涂层成分设计及复合涂层技术 制备技术 化学气相渗透（CVI)工艺 等温等压法 压差法 脉冲法 FCVI 热梯度-压力 脉冲CVI CLVI 均热法 热梯度法 4 C/C复合材料快速CVI致密化技术 C/C复合材料碳原子排列机理及其演变机制 科 学 问题1 树脂炭 热解炭 炭纤维 C/C结构示意图 C/C材料中存在多相 各相碳微晶结构千差万别 碳微晶结构直接影响C/C材料性能 碳原子排列整齐 碳原子排列紊乱 5 C/C复合材料研究前沿 C/C材料中存在多种不同类型的界面 界面显著影响碳微晶结构 界面是决定C/C材料性能的重要因素 C/C复合材料界面特性与表征 科 学 问题2 树脂炭/热解炭界面 炭纤维/热解炭界面 热解炭/热解炭界面 C/C结构示意图 炭纤维/热解炭界面结构 炭纤维 界面区 热解炭 5 nm 4 C/C复合材料研究前沿 C/C材料应用环境极其苛刻 C/C材料防护困难 C/C复合材料环境服役动态过程与防护机理 科 学 问题3 基体改性 表面涂层 20mm 40mm 4 C/C复合材料研究前沿 多层复合＋梯度（TaC/SiC） 多层复合HfC/SiC） 多层 复合 梯度 涂层 美国Ultramet公司报道 * * 烃类气体 芳香烃和多环芳香烃 固体炭颗粒 气相热解 气相形核 烃类气体 表面吸附 表面化学反应与表面脱附 非均匀形核 热解炭 均气相反应 气-固两相反应 表面扩散 表面化学反应 均气相化学反应 基体表面 气-固相边界层 沉积速率曲线 热解炭 延长气相滞留时间τ 热解炭的化学气相沉积是复杂的均气相化学反应和气-固表面化学反应相互竞争作用的结果。 反应气体进入反应室； 反应气体扩散进入预制纤维多孔体； 反应气体分子吸附在纤维表面； 吸附分子热解成炭； 气相副产物分子脱附并扩散排出多孔体； 气相副产物排出反应室。 气体分子可以在固体表面上发生物理吸附和化学吸附。 物理吸附是高度可逆的过程，气体分子在固体表面的物理吸附随温度的升高迅速减弱。 化学吸附是气体分子和固体表面的原子发生的成键作用，化学键的形成对固体表面和气体分子双方都具有选择性。 气体分子在固体表面的化学吸附随温度的升高而增强，并且当发生脱附时，往往有新物质生成。 气体分子在固体表面的吸附： 整个CVI过程可分步骤表述如下 ： 炭材料表面的活性位是指某种气体组分能够在上面发生化学吸附的碳原子。 活性碳原子都有未饱和的SP单电子或者空的成键轨道。 在1100℃和10kPa压强条件下，甲烷和氢气分子的平均自由程分别为2.53μm和5.83μm。根据气体分子运动的平均自由程与孔直径的差别大小，由浓度梯度引起的气体分子在多孔体内的扩散，可分为分子扩散（Fick diffusion）和努森扩散（Knudsen diffusion）两种。分子扩散通过气体分子之间的碰撞进行，努森扩散通过气体分子与孔壁的碰撞进行。 通过CVI 在炭纤维多孔预制体内部沉积热解炭的开始阶段，孔的直径一般都在数百微米，此时分子扩散是气体输运的主要方式；到了CVI的后期，孔的平均直径下降到10μm以下，此时努森扩散成为主要的气体输运方式。 由于努森扩散系数远远小于分子扩散系数，在CVI的后期，热解炭在坯体内部的沉积变得异常缓慢，这是等温等压CVI技术致密化周期长、相对密度很难快速提高的重要原因。 CVI工艺的局限性 复合增密C/C材料的偏光显微结构 炭纤维 热解炭 树脂炭 碳的晶体结构 碳元素的原子序号为6，碳原子的6个基本电子的轨道为1S22S22P2。由于在最多可容纳10个电子的L壳层只有4个电子，因此，邻近碳原子间很容易通过2S和2P轨道间的杂化形成σ和π两种强共价键。根据电子杂化方式的不同， 碳原子可呈现SP3，SP2，SP等不同的杂化价态，并可形成不同的炭的同素异型体－－如金刚石、石墨、富勒烯等。 　　 　　 3 C/C复合材料的结构与性能 利用含碳气体发生的气相化学反应和表面反应技术可以制备碳的所有同素异形体。 成键轨道——杂化轨道（orbita