采用纳米压痕测试技术对碳碳复合材料微观性能的研究

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1、}i海^、学硕Ij学位论疋摘要碳／碳复合材料是一种性能优异的新型耐高温材料，具有组成和结构多样性的特点。纳米力学测试是最近几年发展起来的一种新型测试方法，其优点是可对材料微米及纳米尺度微区的力学性能进行研究。本论文借助纳米力学测试系统及扫描电镜、金相显微镜等手段对碳／碳复合材料的微观结构和力学性能进行了系统的研究。借助纳米力学测试系统测试了高温处理前、后热解碳的弹性模量和纳米硬度，高温处理前后的模量和硬度值相差较大，热解碳在高温处理前，只发生弹性变形，高温处理后不仅发生弹性变形，也产生塑性变形。研究表明：这是由于高温处理导致热解碳的结构由乱层

2、结构向石墨结构转化引起的。借助纳米力学测试系统测试了三向碳／碳复合材料中的Z向碳纤维束中单根碳纤维周围沉积的热解碳基体的弹性模量和纳米硬度，其模量与高温热处理前热解碳的相差不大，但纳米硬度有所下降。研究表明：这是由于碳纤维表面的热解碳为难石墨化的中等织构热解碳，只部分石墨化，其微观力学性能不因高温石墨化处理而明显降低。借助纳米测试系统测得高温处理后的树脂碳弹性模量和纳米硬度，其模量和硬度值都较大，研究表明：这是由于树脂碳难石墨化而引起的。借助扫描电镜、金相显微镜对碳／碳复合材料中纤维与热解碳的界面情况进行了观察，研究表明：碳／碳复合材料中界面

3、情况复杂，高温处理会影响碳纤维／热解碳的界面结合；借助纳米力学测试系统测试了三向碳／碳复合材料中单根纤维与周围热解碳的模量分布情况，研究表明：碳纤维／热解碳界面力学性能介于碳纤维与热解碳之间。关键词：碳／碳复合材料；热解碳；纳米压痕；纳米硬度；弹性模量V卜．海人学硕l：学位论炙AbstractC／Ccompositeisanewkindofhigh-temperaturematerialwimexcellentproperties．Itconsistsofdifferentphasecontents，andshowsvariousmicros

4、tructures．Nanoindentationtechniqueisanewmeasurementmethoddevelopedinrecentyears，whichcarlbeusedtotestthemechanicalpropertiesofnanometer-sizemicroareainthefieldofmaterialscience．Inthisdissertation，themechanicalpropertiesandmicrostructuresoftheC／Ccompositesweresystematicallys

5、tudiedusingthenanomechanicaltestingsystem，thescanningelectronicmicroscope(SEM)，andmetallographicmicroscope．Thenanohardnessandtheelasticmodulusweremeasuredforthepyrocarbonofthesamples、析Ⅱlsinglephasebeforeorafterhigh·temperatureheattreating,usingnanomcchanicaltestingsystem．It

6、Wasfoundthatthevaluesshowedlargedifferences．Therewasonlyelasticdistortionhappeningforthesinglephasesamplesbeforeheattreating，buttheplasticdeformationalsohappenedfortheheat-treatedsamples，whichCallbeattributedtothestructuretransformatiOilfromturbostraticstructuretographitest

7、ructure．Thepyrocarbonaroundcarbonfibersinthe3DC／CcompositesWastested，andtheelasticmodulusvaluewasalmosttheSameasthatofthesampleswithsinglepyrocarbonphasebeforeheattreating，butthenanohardnessdecreasedslightly．ItCanbeduetothemiddletexturemicrostructureofthepyrocarbonaroundthe

8、singlecarbonfibers，whichisverydifficulttotransformtographitestructure．Thesamplewit