c2fc复合材料基体的纳米改性分析

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1、西北工业大学硕士学位论文C/C复合材料基体的纳米改性研究姓名：胡良全申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：李铁虎;郝志彪20060901两JET业大学T稃硕十学付论文第一章绪论和保证。例如，美国1981年试飞的航天飞机建立了较为完善的热防护系统：外表面敷有防热隔热层，可以承受再入大气层时遇到的气动加热；机翼前缘和机头温度可达1648℃，采用C／C复合材料防热层；美国x一33的热防护系统设计把飞机与航天器融合在一起，x一33倾斜垂直尾翼前缘和头部整流罩在飞行时承受温度最高，它将由C／C复合材料构成。德国空天飞机的载机(级间分离马赫数6．8)，驻点

2、温度为13364C。对于单级入轨的空天飞机，要求承受更高的温度，所以最高温度区的防热材料采用C／C(和难熔金属)的薄壁结构等。美国的HyTech计划和日本的“高超声速推进研究计划和高性能材料研究计划”中的新技术演示验证机，其结构与热防护系统的设计针对不同部位而采用了各类先进的防热材料，如在飞行器鼻锥、控制面和翼前缘采用了C／C或C／C化硅复合材料。在组合推进系统及进气道中大量采用了抗烧蚀材料，如C／C化硅燃烧室、C／C喷嘴、陶瓷隔板等。同时载人航天与轨道空间站项目的实施，对C／C复合材料构件的尺寸要求更大，美国和法国直径3．0m～3．2m固体发动机

3、喷管喉径接近1000啪，多维编织C／C复合材料喉衬的外径达1500衄，高约1200衄，尺寸增大带来的工艺和装备方面的难度极大，特别是热结构件由于尺寸效应而增大的热应力对材料构件的完整性造成严重的威胁。随着纳米材料的增强增韧技术的发展，对C／C复合材料基体的纳米改性，是解决这一问题的关键之一。国内关于超／高超音速飞行器用轻质耐高温结构及防热材料研究方面起步相对较晚，在“九五”期间已经开展了适合超声速飞航导弹使用的外隔热层方面的研究，并已完成原理性验证试验，但是目前距离上弹应用尚存在易破损、抗长时高温环境较弱等方面的问题，需要开展进一步的研究工作。因此

4、，～方面需要提高C／C复合材料的力学性能，特别是提高C／C复合材料在高超声速飞行环境下，超长时间下的材料断裂韧性。是材料研制的关键；另一方面改善其抗烧蚀与抗氧化性能。C／C复合材料基体的纳米改性是实现这一目标的有效技术途径，而国内在C／C复合材料基体的纳米改性方面的研究尚未公开报道。1．2国内外研究状况抗烧蚀材料经历了多晶石墨材料、热解石墨材料、三向整体编织C／C复合材料、四向编织高密度C／C复合材料等发展。C／C复合材料技术主要包括两大类：多向编织技术、基体增密技术。C／C复合材料的预制体已实现多2两北T=业大学工拌硕十学付论文第一章绪论向(3D

5、、40)及细化编织，基体炭则由初期的单一基体炭向复合型、多功能化方向发展。1．2．1炭材料基体作为C／C复合材料的基体材料，有热解炭及浸渍炭两种。气相沉积(CVD)工艺现已成为制备C／C复合材料最重要的基本方法之一。热解炭主要是由甲烷、乙烷、丙烷以及低分子芳烃经高温裂解产生的：热解炭具有不同的光学显微组织，这类组织的类型不同，性能上就有较大差异，因此工艺参数对热解炭的织构影响较大。热解炭的织构可分为层状炭、锥状炭、粒状炭、棒状炭、各向同性炭及过渡型，其中层状炭和锥状炭又可分为光滑层、粗糙层及光滑锥和粗糙锥”1。热解炭基体的断裂应变是这类材料强度的控

6、制参数。以CVD法制备的热解炭基C／C复合材料与其他工艺制备的C／C复合材料在性能上具有明显不同的特点。对炭质材料而言，如将更大的结构称为高次结构，则高次结构越是宏观，同生产工艺关系就越密切，同时也决定了热解炭的性能。但是目前的CVD工艺很难将材料的密度提高到制品的最终密度，需要采用其他方式进行基体炭的致密化。浸渍炭主要由沥青、树脂经高温炭化产生的。一般地说，树脂的产炭率较高，但难石墨化，最终产生的是各向同性的多孔质玻璃炭，具有电阻率高、导热性差的缺点：而沥青的残炭率一般较低(在低压和常压情况下)。但易石墨化，最终产生的是各向异性的石墨，具有电阻率

7、低、导热性能好以及模量高等优点。沥青基c／C复合材料是C／C复合材料中的一种重要类型，它是以沥青为基体前躯体、通过浸渍一炭化工艺制得。液态沥青依靠负压和自重，浸入到预制体内部空隙中。继续升高温度，沥青经过一系列复杂的化学变化过程，最后形成基体炭。在沥清的热解反应过程中，产生大量的H2、CH。、CH2等气体的同时，也造成基体的收缩，从而在基体中出现各种不同类型气孔缺陷。从浸渍的角度，基体中产生的气孔有两种，即开气孔和闭气孔。开气孔直接通向体外，主要由沥青热解气体逸出所致，而闭气孔的产生有三方面的原因，一是内部气体无法排出，以气泡形式滞留体内：二是沥青

8、热解反应释放出大量气体导致基体收缩，在界面处和基体内部产生封闭的气孔或间隙：三是制件在以后的浸渍一炭化时沥青无法完全充填开