以中间相沥青炭微球为基体的C/C复合材料的制备与性能研究

【摘要】：中间相沥青炭微球(Mesocarbon Microbeads, 简称 MCMB)自被发现以来, 就以其独特的形态和结构引起众多研究与开发,其研究成果极大丰富了液相炭化 理论和实践。MCMB 表面粘结组分(Benzene Insoluble-Pyridine Soluble fraction, 又称β树脂)的存在赋予其自烧结性能,该树脂分子量大、残炭率高、一定压力 或温度下呈塑性流动、可起粘接剂作用。如果将含有一定 β 树脂组分的 MCMB 与 炭纤维混合,借助炭微球的特殊形态及自烧结性能,将不需另外添加粘结剂而很 容易通过加压-成型-炭化(烧结)一步方式直接得到炭纤维增强微球紧密堆积的 C/C 复合材料,这大大简化了 C/C 复合材料的制备工艺,而且生产成本也降低了 很多。目前,尚未见到同类研究的报道。 本文以中温煤焦油沥青为原料,通过热缩聚反应和溶剂抽提获得 MCMB,并 对其进行空气氧化处理后作为基体,分别以沥青基碳纤维和聚丙烯腈基碳纤维为 增强体,通过机械方式将其均匀混合后经热压成型和炭化处理制得了 C/C 复合材 料,详细考察了 MCMB 的氧化处理时间、碳纤维氧化处理时间和含量对复合材料 的失重、体积收缩、密度、弯曲强度等性能的影响,并利用 Instron、IR、SEM、 XPS 等分析测试方法详细地讨论了氧化处理对 C/C 复合材料的热压成型性能及炭 化后材料的物理机械性能的影响,探讨了 C/C 复合材料的增强机制。 研究结果表明:对于沥青基 CF/MCMB 复合材料,复合材料的密度和体积收 缩率均较无炭纤维添加的炭块有所下降。当添加的炭纤维氧化程度足够深时,炭 材料的抗弯强度得到明显提高;随着 MCMB 氧化时间的延长,C/C 复合材料的断 I WP=5 面逐渐变得平整;在本实验条件下,氧化 10h 的沥青基炭纤维与 250℃空气氧化 60min 的 MCMB 混合, 经模压成型、1000℃炭化 1h 制得了密度为 1.64g/cm3、抗 弯强度达到 72.0MPa 的 C/C 复合材料。 以空气氧化 60 分钟的中间相炭微球作为基体,以同样经过液相氧化处理、力 学性能更为优异的 PAN 基炭纤维为增强体,经热压成型、炭化得到 C/C 复合材料, 详细考察了碳纤维的氧化时间和含量对炭化后炭材料的密度、体积收缩、弯曲强 度等性能的影响。结果表明:随着碳纤维含量的不断增加,复合材料的体积收缩、 热失重、体密度等性能均有不同程度的下降,抗弯强度则先增后减,当纤维含量 为 8%时达到最大。在本实验中氧化处理 2h 的纤维、当添加量为 8wt%时,C/C 复合材料的性能最好,密度为 1.54g/cm3,弯曲强度为 46.0MPa。 由以上结果我们发现,以沥青基炭纤维增强体的 C/C 复合材料性能与未添加 纤维的炭块相比,二者的物理性能基本保持一致的变化趋势,说明在炭化处理过 程中,纤维与基体基本保持一致的收缩。而以 PAN 基炭纤维为增强体的复合材料 的物理性能较未添加纤维的炭块还要低。而从炭纤维的表面分析得知,氧化 2h 的 纤维,其表面官能团发达,具备了与基体形成牢固界面结合的条件,裂纹等缺陷 的出现和力学性能的下降主要是由于纤维与基体间体积收缩等物理性能的较大差 异造成的。