热解炭微观结构对炭／炭复合材料力学性能的影响.pdf

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1、第12卷第6期过程工程学报Vb1．12NO．62012年l2月TheChineseJoumalofProcessEngineeringDec．2012热解炭微观结构对炭／炭复合材料力学性能的影响王向辉，翁力，于守泉(1．北京低碳清洁能源研究所，北京100022；2．中国科学院过程工程研究所，北京100190)摘要：以PAN基针刺纤维毡为基体，采用等温化学气相渗透技术，在温度1000℃、压力5．0~20．0kPa条件下制备了2种具有不同微观结构热解炭的炭／炭复合材料，研究了其力学性能与热解炭微观结构的关系．结果表明，压力8．0kPa下得到的具有单一低织构热解炭的炭／炭复合材料的断裂强度较高

2、，为86+3MPa，热解炭与炭纤维间界面结合紧密，加载过程中二者同时断裂，呈现明显的脆性断裂行为；压力10．O~2O．0kPa下得到的具有中织构一高织构一中织构热解炭的炭／炭复合材料的断裂强度稍低，为82+4MPa，加载过程中材料内部不同织构热解炭间多层次界面通过改变裂纹扩展路径而延缓其扩展速度，断口形貌呈现锯齿状，表现出假塑性断裂特征．关键词：炭／炭复合材料；热解炭；微观结构；力学性能中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1009—606X(2012)06～1048—051前言中织构热解炭的复合材料，中织构热解炭和炭纤维间形炭基复合材料是目前新材料领域重点研究和开发成强界面结合

3、，在弯曲断裂时只有少量拔出，而高织构的一种新型超高温结构材料，具有密度小、比强度大、热解炭和炭纤维间形成弱界面结合，在弯曲断裂时炭纤线膨胀系数低、热导率高、耐磨性能良好等特点，特别维从基体中拔出．正是炭纤维的拔出及高织构热解炭本是在1000N23O0℃温度范围内强度随温度升高而升高，身具有更高的力学性能，赋予高织构炭／炭复合材料更加是理想的航空航天及其它工业领域的耐高温材料[1I2】．优良的力学性能，通常称为假塑性断裂特性．炭／炭复合材料的基本组成为炭纤维、热解炭基体和各种通过监测炭／炭复合材料在使用过程中的应力和应界面，各组元的微观结构特别是热解炭的微观结构和纤变关系，发现假塑性断裂征

4、兆并及时加以预防，可有效维一热解炭基体界面对材料性能有重要影响．杜绝脆性断裂带来的灾难性事故，大大提高材料的使用化学气相渗透(ChemicalVaporInfiltration，CVI)技可靠性．因此，研究热解炭微观结构与炭／炭复合材料力术[3】是最常用的制备炭／炭复合材料的方法．在化学气学性能之间的关系对合理评估炭／炭复合材料在更广范相渗透过程中，渗入炭纤维编织体内部的碳氢化合物前围内的应用前景具有重要的理论意义和实际价值．国内驱气体在高温下裂解成氢和碳，后者沉积到炭纤维表面外研究者对热解炭基体织构对炭／炭复合材料力学性能形成炭纤维增强热解炭材料(炭／炭复合材料)．随沉积条的影响有较多

5、研究，并得到了较一致的认识，但对于存件不同，沉积得到的热解炭织态结构可由各向同性热解在多层不同织构热解炭基体的炭／炭复合材料的力学性炭、暗黑层热解炭、光滑层热解炭一直过渡到粗糙层热能研究较少．本研究以PAN基短纤维针刺编织体为基解炭]，而热解炭织态结构【3J的变化势必影响所得炭／炭体、丙烷为前驱气体，采用等温化学气相渗透技术，通复合材料的性能[1,7-9]．一般认为，材料加载时基体炭中过改变沉积压力制备了2种具有不同微观结构热解炭基的裂纹和纤维相对移动以适应所加载荷，材料的力学性体的炭／炭复合材料，研究了热解炭微观结构与材料力学能强烈依赖于热解炭的微观结构．具有单一低织构性能的关系．(L

6、owerTexture，LT)热解炭基体的炭／炭复合材料易发生2实验脆性断裂，一方面是由于低织构热解炭与纤维之间的界面结合强度较高，另一方面是由于裂纹在低织构热解炭2．1实验材料与试剂中不会发生绕折现象．由中织构(MediumTexture，MT)炭纤维增强体选用宜兴市天鸟高技术有限公司生和高织构(HighTexture，HT)热解炭组成的炭／炭复合材产的TZCZ—A型PAN基各向同性针刺纤维毡，密度为料的拉伸强度和断裂伸长率存在很大差异．具有高织构0．349g／c．气相沉积前驱气体选用北京丰台长兴气体热解炭的复合材料拉伸强度和断裂伸长率均大于具有厂生产的纯度为99．5％的丙烷．收稿日期

7、：2012—10—30，修回日期：2012—11-21作者简介：王向辉(1977—1，男，满族，河北省承德市人，博士，高级工程师，研究方向为炭基复合材料和气固两相流态化，Tel：010—57339811，E-mailxhwang_cn@126．com．第6期王向辉等：热解炭微观结构对炭／炭复合材料力学性能的影响10492．2实验设备与分析仪器2．3实验方法材料在固定炭纤维基体的管式反应器中制备，见图采用等温化学气相渗透技术制各炭／炭