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《湖南大学》 2009年
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柔韧预浸炭纤维及C_f/C复合材料的制备与抗氧化研究

李伟  
【摘要】:炭纤维/炭(Cf/C)复合材料具有高比强度、高比模量、材料结构可设计性、高温下强度保持率高等优异的性能,它广泛应用于军事、航空航天等领域。Cf/C复合材料抗氧化涂层研制成功后,在氧化气氛下可以多次重复使用,使它成为一种极好的耐烧蚀材料,也是一种耐高温热结构材料,成为当今先进复合材料研究和开发的重点。但是Cf/C复合材料也存在一些问题限制了它的应用,目前主要的问题是各种常用的致密化方法和浸渍剂性能不尽如人意。探索一种全新的粉末涂层快速制备Cf/C复合材料途径,并通过沥青浸渍-炭化和萘原位浸渍聚合-炭化的复合致密化工艺,来达到减少致密化周期、降低材料成本。 本文主要研究炭纤维处理、硼改性酚醛树脂(BPR)粉末涂层、预制体的成型及炭化、Cf/C复合材料的致密化和抗氧化涂层等对试样性能的影响,其中炭纤维开纤和BPR粉末涂层对Cf/C复合材料的性能研究十分重要,采用空气梳对炭纤维进行气流开纤和BPR粉末涂层可以制备柔韧性优良的丝束,该丝束不仅可以直接成型,而且还可以编织、纺织成一定的形状后成型。Cf/C复合材料的致密化对其性能提高有非常明显的效果,集中探讨了三种致密化方法对Cf/C复合材料性能的影响。 针对炭纤维表面惰性不易被浸润的特性,使用浓硝酸氧化法对炭纤维进行表面改性,采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)和动态接触角法等研究了炭纤维的形态、特征基团和表面浸润性能的改变。首次利用空气梳开纤和粉末涂层的方法制备柔韧预浸炭纤维丝束,空气梳对炭纤维进行开纤时,考察气流压力和炭纤维处理速度对开纤幅度和稳定性的影响;该方法充分克服炭纤维开纤困难的难题,如采用常规的罗拉法开纤,分丝效果不太理想,并且对炭纤维产生巨大的破坏作用。比较系统地研究开纤幅度、处理速度、树脂粉末的粒径和加热温度等对BPR粉末在炭纤维丝束上的涂层效果。 采用热压成型工艺对BPR粉末涂层炭纤维进行成型,并对预制体的成型工艺和性能进行研究,成功地制备高体积分数炭纤维的预制体,为降低Cf/C复合材料的成本提出了新思路。通过达西定律、粉末涂层炭纤维热压成型的特点和BPR的性能首次建立热压成型的浸渍模型,并成功地将其运用于预制体成型过程中的工艺参数调整。在合理控制炭化工艺的前提下,将预制体热解制备Cf/C复合材料。 研究不同致密化方法对Cf/C复合材料性能的影响。通过沥青浸渍-炭化(PIC)、原位浸渍聚合-炭化(IsIPC)和硼改性酚醛树脂浸渍-炭化(BPR-IC)对Cf/C复合材料进行致密化,研究不同致密化方法对Cf/C复合材料的密度、开口气孔率和形态结构等的影响。首次提出PIC和IsIPC复合致密化方法,并对萘原位浸渍聚合的浸渍机理、聚合机理和聚合最佳条件进行研究,通过复合致密化方法处理的Cf/C复合材料的性能有较大幅度的提高。采用X-射线衍射(XRD)分析不同致密化方法对Cf/C复合材料的石墨化度的影响,并由导热机理探讨了不同致密化方法对Cf/C复合材料导热性能的影响。 比较粉末涂层工艺和致密化方法对Cf/C复合材料高温热失重的变化,从而研究Cf/C复合材料基体制备工艺对高温抗氧化性能的影响。由于Cf/C复合材料本身的抗氧化性能较差,必须对其进行抗氧化处理才得以应用。对Cf/C复合材料采用包埋法制备SiC/MoSi2复合涂层,并对其界面性能和抗氧化性能进行初步的探讨。对涂层Cf/C复合材料在1500℃下进行等温氧化和1500℃至室温条件的抗热震研究,分析涂层对高温抗氧化性能的影响。
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