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《中南大学》 2003年
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炭纤维坯体结构及增密方式对炭/炭复合材料界面及性能的影响研究

陈腾飞  
【摘要】:本文在仔细剖析国外现役航空刹车用炭/炭复合材料的结构和性能的基础上,设计和制备了针刺毡坯体,研究了坯体结构对炭/炭复合材料增密、基体炭结构和性能的影响,探索了一条快速制备高性能炭/炭复合材料的全新途径;采用单纤维顶出法测定了炭纤维/基体炭界面强度,分析了界面强度的影响因素;利用高分辨透射电镜研究了基体炭的结构,用SAED测定了不同结构炭的取向角。 首次利用热梯度CVD方法的原理,在制备针刺毡时创造性地加入导电层,使坯体内部产生温度梯度,能成倍提高CVD增密速度,制备的炭/炭复合材料综合性能较好,为降低炭/炭复合材料成本、提高性能提供了一条全新思路,对于加快炭/炭复合材料的工艺突破具有深远意义。 首次利用高分辨透射电镜发现了粗糙层热解炭中存在特殊结构,即紧挨炭纤维的是几个nm厚沿纤维轴取向的高织构成分,然后过渡为低或中等取向的结构,最后才是本体取向较好的结构。粗糙层热解炭的碳层面比较平直,堆积较厚,存在窄小的微裂纹;光滑层热解炭的高分辨透射电镜照片中也可以看到比较好的层面结构,但有一些薄“带”发生弯曲变形,并逐渐过渡为取向不太好的结构;热解炭的取向角可以从20°到90°变化。沥青炭的碳基面排列比较规整,也存在窄小的微裂纹,取向角很小,(002)环由分散的斑点组成;树脂炭亦具有一定的取向性,但大部分结构层次不清晰,取向角为180°,而靠近炭纤维的界面区的取向角为110°左右,说明存在明显的应力石墨化。 比较系统地研究了基体炭结构、炭纤维类型、坯体热处理温度、浸渍炭化等因素对炭/炭复合材料中炭纤维/基体炭界面强度的影响。粗糙层热解炭和沥青炭与炭纤维间的界面剪切强度较高,树脂炭的次之,光滑层热解炭的最低。采用PANOF作为纤维材料制毡,可以得到界面强度较高的炭/炭复合材料。当坯体预热处理温度由2100℃变化到2300℃、2450℃、2700℃时,炭纤维/基体炭界面剪切强度先呈降低趋势,在2450℃到最低,然后2700℃处理的又升高,采用2100℃或2700℃进行坯体预热处理比较合适于制各界面性能较好的炭/炭复合材料。树脂或沥青浸渍炭化补充增密对炭纤维/热解炭界面强度没有多大影响,主要取决于起始基体炭的结构。 系统研究了无纬布和网胎纤维类型、布毡比(无纬布和网胎的重量比)、单元厚度(每厘米所铺的单元数)、加入导电层对炭/炭复合材料制备、力学性能、导热性能和摩擦磨损性能的影响。采用全预氧丝制毡有利于制得摩擦磨损性能优异的炭/炭复合材料:发现存在一个合适的布毡比和单元厚度使炭/炭复合材料的弯曲力学性能较高。用“混杂趋同效应”成功解释了布毡比对炭/炭复合材料弯曲力学性能的影响。 结合炭纤维/基体炭界面强度、炭纤维的断裂强度和基体炭的硬度影响磨屑的产生和成膜能力,解释了粗糙层热解炭比光滑层热解炭摩擦磨损性能好的原因。在压应力和热应力的作用下,摩擦表面存在额外石墨化现象。 分析了CVD沉积机理,提出成核、炭化与沉积、生长的相对速度影响最后得到的热解炭结构类型,对于沉积工艺的突破具有重要意义。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TB332

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【引证文献】
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【同被引文献】
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4 郭瑞;炭/炭复合材料刹车盘制动温度场、应力场的模拟及验证[D];中南大学;2011年
5 毛小飞;高导热炭/炭复合材料的制备与性能[D];清华大学;2013年
6 王健;炭/炭复合材料+羟基磷灰石涂层(C/C+HA)复合骨植入材料研究[D];中南大学;2011年
7 王振邦;膨胀石墨基炭/炭复合材料的制备及其表面改性[D];江苏大学;2010年
8 Gbologah,Lemuel(李木);[D];中南大学;2011年
9 赵磊;添加碳化钽炭/炭复合材料的制备及其性能研究[D];中南大学;2007年
10 王标;化学气相沉积制备炭/炭复合材料防氧化涂层[D];西北工业大学;2007年
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