碳碳復(fù)合材料熱解碳 微觀結(jié)構(gòu)控制 熱解碳:烴類在特定的條件下分解,于基體上得到沉積碳熱解碳。采用CVI（ Chemical Vapor Infiltration）工藝,以氣態(tài)烴類為前驅(qū)氣體,經(jīng)極其復(fù)雜的熱解和沉積反應(yīng)過程而獲得的。 熱解碳的微觀結(jié)構(gòu) 微米尺度 微米尺度 熱解碳的組織 納米尺度 氣相組成和熱解碳微觀結(jié)構(gòu) 熱解碳微觀結(jié)構(gòu)的影響因素 解碳微觀結(jié)構(gòu)的影響因素 CVI工藝參數(shù)與組織間的關(guān)系進行研究，以期達到控制熱解碳組織。作為C/C復(fù)合材料理想的基體組織—粗糙層，卻因其工藝條件難以控制，只有在一個狹窄的工藝參數(shù)區(qū)間能夠獲得。CVI工藝中，所獲得的熱解碳的組織類型由工藝參數(shù)決定，換言之工藝參數(shù)控制下的熱解碳的形成機理決定了生成熱解碳的組織類型。 參考文獻 謝謝觀看 * * * 2015.10.23 劉宏震 材料工程(5) 碳/碳復(fù)合材料的性能: 增強纖維 基體碳 纖維和基體之間的界面 其中基體碳的密度和結(jié)構(gòu)是影響機械性能最主要的因素。 微觀結(jié)構(gòu)控制 密度 結(jié)構(gòu) 材料性能 碳/碳復(fù)合材料的基體碳3種類型:瀝青碳、樹脂碳和熱解碳。 以熱解碳為基體具有最佳的綜合性能。 CVI工藝為擴散控制步驟反應(yīng)，多采用相對低的溫度以降低反應(yīng)速度，同時采用很低的系統(tǒng)壓力以提高擴散系數(shù),由此緩解擴散和沉積之間的矛盾,但導(dǎo)致致密化周期特別長。 GP：前驅(qū)氣體 L：線型小分子 A：芳香烴小分子 PAH：多環(huán)芳香烴大分子 熱解碳沉積簡圖 X軸：熱解產(chǎn)物的分子量增加 Y軸：AS/VR (表面積/氣孔體積） 微米尺度 偏光顯微鏡(PLM) 觀察熱解碳微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)，通過消光角Ae，分為： 各向同性ISO，暗層DL，光滑層SL，粗糙層RL 納米尺度 透射電鏡(TEM)測定基本結(jié)構(gòu)單元(BSU)，熱解碳排列的有序程度不同。 結(jié)合選域電子衍射(SADE)測定取向角Ao。分為： 各向同性(ISO)、低織構(gòu)(low-textured)、中等織構(gòu)(medium-textured)和 高織構(gòu)(high-texuterd)熱解碳。 CH4/N2= 1∶ 4時得到粗糙層組織,錐的生長特征明顯 CH4/N2= 1∶ 1時,組織轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣瑢咏M織 采用甲烷為前驅(qū)體制備的 Ｃ/Ｃ 復(fù)合材料中不同織構(gòu)熱解碳基體的偏光顯微照，（a）（b）分別為 MT熱解碳占優(yōu)和HT熱解碳占優(yōu)的情況 （a） (b) 名稱 光學(xué)顯微特征 層狀組織 光滑層 光學(xué)各向異性度高，熱解碳以碳纖維為為圓心進行同心環(huán)狀鋪層堆積。光滑層的表面光滑,層間分界線清晰，層間分界線清晰，粗糙層的表面粗糙，層間分界線不很分明。 粗糙層 錐狀組織 光滑錐 光學(xué)各向異性度高，組成單元為倒立的的圓錐體。光滑錐的表面光滑，層間分界線清晰，粗糙錐的表面粗糙，層間分界線模糊。 粗糙錐 粒狀組織 光學(xué)各向異性度高，組成單元為粒狀不不一的細小顆粒狀。 各向同性組織 無光學(xué)各向異性，偏光下為全黑 柱狀組織 光學(xué)各向異性度高，組成單元為徑向輻輻射的細小短棒狀碳。 過度型組織 兩種或多種組織混合，色彩斑斕 碳碳復(fù)合材料的斷口SEM照片 熱解炭呈層狀環(huán)繞著炭纖維,層間存在裂紋。 片狀皺褶狀,是典型的光滑層組織結(jié)構(gòu) 石墨結(jié)構(gòu)的片層狀結(jié)構(gòu),顯得非常光滑平整,生長特征及擇優(yōu)取向非常明顯,為典型的粗糙層組織結(jié)構(gòu) Lieberman和Pierson ：不同微觀結(jié)構(gòu)的熱解碳取決于氣相組成的摩爾比R＝C2H2/C6H6 GP：前驅(qū)氣體 L：線型小分子 A：芳香烴小分子 Benzinger和Huttinger:纖維表面沉積了兩層熱解碳:MT-HT(內(nèi)層-外層)。認為MT熱解碳主要由氣相中的芳烴和多環(huán)芳烴形成,而HT熱解碳主要由氣相中線型小分子烴類形成。 Feron：發(fā)現(xiàn)了MT-HT-MT之間的轉(zhuǎn)變，認為MT主要由線型小分子烴形成，而HT主要由大分子芳烴形成。 張偉剛認為提出了Particle-filler模型,認為以乙炔為主的線型小分子烴為filler，以苯為主的芳香烴分子為particle，當(dāng)二者比例最佳時形成HT熱解碳，當(dāng)比例大于或小于最佳比例時形成各向異性程度較低的熱解碳(MT或LT)。 氣相組成和熱解碳微觀結(jié)構(gòu) 采用溫度梯度CVI藝和甲烷為前驅(qū)氣體, 采用ICVI和甲烷-氫氣混合氣體,在20kPa和30kPa壓力下發(fā)現(xiàn) 采用ICVl和丙烷為前驅(qū)氣體,隨著溫度的升高和滯留時間的延長. 采用ICVI和甲烷,在更大的壓力范圍內(nèi)研究了熱解碳微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律. Particle-filler模型表達的觀點較好地統(tǒng)一了不同人員的研究結(jié)果。 溫度、壓力(或分壓) 前驅(qū)氣體的種類、滯留時間 隨滯留時間的延長或前驅(qū)氣體分壓的增加,熱解(均相)反應(yīng)的總趨勢是生成物的分子量逐漸增大。 添加H2對芳香烴類大分子的生成具有顯著的抑制作用。 較小的As/VR比值有利于熱解
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