炭纤维表面处理对C/C复合材料显微结构的影响的电子显微学研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘叶群 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 贺连龙 |
| 关键词 | C/C复合材料 炭纤维 表面处理 纳米炭纤维 催化化学气相渗透 C/C composites Carbon fiber Surface treatment Carbon nanofiber Catalytic chemical vapor infiltration |
| 学位专业 | 材料物理与化学 |
| 中文摘要 | " 炭/炭（C/C）复合材料因其卓越的高温力学和物理性能，被广泛应用于航空航天等领域。然而，C/C复合材料有两个重大缺陷：其一，炭纤维（CF）和热解炭（PyC）基体的界面结合强度低；其二，极长的工艺时间导致C/C复合材料的生产成本非常高。通过在炭纤维表面原位生长纳米炭纤维（CNFs）可以改善C/C复合材料的界面结合性能，而通过在炭纤维表面化学镀Ni-P催化剂，利用催化剂对碳氢化合物的催化裂解作用则可以缩短其工艺时间。本论文利用透射电子显微术（TEM），通过与常规C/C复合材料的对比，研究了CNFs和Ni-P催化剂对C/C复合材料的显微结构和性能的影响，并分析了各种显微结构的形成机理。 通过TEM观察和分析了CNFs和催化剂的形貌、结构以及二者之间的取向关系，并对CNFs的生长机理进行了探讨。结果表明原位生长的CNFs相互缠结，在炭纤维表面形成网状结构。主要存在直CNFs和竹节状CNFs，CNFs中存在残留棒状或锥状Ni催化剂。大部分CNFs的生长方向平行于[001]Ni晶带轴，Ni/CNFs侧壁界面为(220)Ni或(020)Ni晶面，Ni/CNFs端部界面为(002)Ni晶面。CNFs的生长过程伴随催化剂的拉伸和收缩，催化剂表面的纳米级台阶导致其断裂和分离。 T700炭纤维具有皮芯结构，芯部和皮层之间存在过渡层，其微晶尺寸大于芯部和皮层。微晶在炭纤维横截面内随机分布，但是在炭纤维轴向则高度择优取向，芯部、过渡层和皮层的定向角分别为54°、30°和26°。 通过TEM对比研究了常规C/C复合材料和CNFs增强C/C复合材料的显微结构。结果表明常规C/C复合材料中，炭纤维被层状中织构（MT）热解炭同心包裹。对于CNFs增强C/C复合材料，其显微结构强烈依赖于CNFs的分布密度。在低CNFs分布密度区域，CNFs表面生成高织构（HT）热解炭，而炭纤维表面则生成MT热解炭；此外，在CF/MT界面上存在一层非常薄的HT热解炭（约20 nm）。热解炭基体总体上形成三层结构，最内层为HT热解炭薄层，中间层为MT热解炭、HT热解炭和CNFs组成的混合层，最外层为HT热解炭、CNFs和微米级孔隙组成的网状结构。然而，在高CNFs分布密度区域，炭纤维表面不存在MT热解炭，而且部分CNFs网状结构孔隙被各向同性（ISO）热解炭填充；另外，CNFs表面的HT热解炭层比低CNFs分布密度区域的更薄。热解炭基体总体上形成双层结构，内层为HT热解炭薄层，外层为HT热解炭、ISO热解炭、CNFs和纳米级孔隙组成的网状结构。 三点弯曲实验表明CNFs增强C/C复合材料的弯曲强度和模量在垂直于炭纤维方向上分别提高30%和73%，在平行于炭纤维方向上分别提高60%和47%。这主要是因为原位生长CNFs可以提高CF/PyC界面结合强度和热解炭的层间结合强度，以及网状结构和复杂相界面带来的强度和韧性的提高。 通过TEM详细研究了催化C/C复合材料中催化剂的分布、成分和结构。发现催化剂颗粒既分布于热解炭基体中，也迁移进入炭纤维表层。基体中的催化剂颗粒（100-800 nm）为Ni3P/Ni双相，Ni3P和Ni的取向关系为[111(-)]Ni//[11(-)0]Ni3P，[011]Ni//[110]Ni3P，[21(-)1]Ni//[001]Ni3P；而炭纤维表层的催化剂颗粒（<50 nm）为Ni3P单相。 通过TEM研究了催化剂对C/C复合材料热解炭基体和炭纤维的显微结构的影响，并分析了各种显微结构的形成机理。结果表明基体中的催化剂颗粒被HT热解炭壳包覆，形成颗粒状热解炭，改变了常规C/C复合材料中热解炭的同心层状结构。热解炭壳中普遍存在缺口，当缺口位于炭纤维/催化剂界面时，液相Ni3P催化剂被优先挤出并向炭纤维表层迁移，炭纤维被催化石墨化，结构均匀性被破坏；催化剂颗粒的包覆以溶解/扩散/析出/包覆/挤出机理进行。当缺口位于气相/催化剂界面时，催化剂颗粒的包覆以溶解/扩散/析出/包覆/断裂/挤出机理进行。 " |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64409]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘叶群. 炭纤维表面处理对C/C复合材料显微结构的影响的电子显微学研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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