原位催化炭化法制備炭-炭復(fù)合材料.pdf

1、炭/炭（C/C）復(fù)合材料是一種低密度、耐腐蝕、抗燒蝕和優(yōu)異的高溫力學(xué)性能的高性能復(fù)合材料?，F(xiàn)行制備工藝以化學(xué)氣相沉積或滲透法和液相浸漬-炭化法為主。但是，這兩種方法在致密化過(guò)程中炭質(zhì)前驅(qū)體的聚合、裂解反應(yīng)活化能較高，需要在高溫下（不小于750℃）進(jìn)行，導(dǎo)致對(duì)于炭源的熱解脫氫、炭化沉積致密化行為的控制有一定的困難，因而存在耗能高、費(fèi)時(shí)、工藝較為復(fù)雜等缺陷，進(jìn)而制備成本也較高。因此，開(kāi)發(fā)出快速低成本的新路線制備C/C復(fù)合材料，對(duì)于擴(kuò)大C/C

2、復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要。
　　本文發(fā)展了一種低成本且簡(jiǎn)單易行的新工藝———催化炭化工藝，主要以煤焦油作為炭質(zhì)前驅(qū)體，路易斯酸無(wú)水三氯化鋁（AlCl3）作為催化劑來(lái)制備C/C復(fù)合材料。通過(guò)掃描電子顯微鏡、偏光顯微鏡、透射電子顯微鏡、激光共焦拉曼光譜、X射線晶體衍射儀、元素分析儀、熱重分析儀、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)等手段對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)織構(gòu)、微晶參數(shù)、元素組成、炭化收率和力學(xué)性能（彎曲，壓縮，層間剪切及斷裂韌性）等性質(zhì)進(jìn)行分析，并得

3、出了以下主要結(jié)論：
　?。?）在較高溫度下，AlCl3對(duì)煤焦油的炭化行為產(chǎn)生了重要的影響。它能夠加速煤焦油中多環(huán)芳烴的熱縮聚，增加產(chǎn)物中甲苯不溶物的含量，形成大分子量的大平面芳環(huán)結(jié)構(gòu)，從而大大地提高了煤焦油的聚合程度，同時(shí)產(chǎn)生了明顯的脫氫效應(yīng)，使得產(chǎn)物中的氫碳原子比值明顯下降，因而提高了產(chǎn)品的炭化收率，特別是400℃下得到的催化炭的炭化收率達(dá)到了95％以上。
　?。?）由煤焦油經(jīng)過(guò)催化炭化后得到的催化炭表現(xiàn)為呈鑲嵌型結(jié)構(gòu)的各

4、向同性光學(xué)織構(gòu)，并且AlCl3在催化炭中的微觀分布影響了其晶體結(jié)構(gòu)，濃度較高處的炭具有較高的石墨化度。
　　（3）利用催化炭化工藝能夠成功地制備出C/C復(fù)合材料。同時(shí)，采用交替催化炭化結(jié)合高溫?zé)崽幚韽?fù)合工藝可以進(jìn)一步提高致密化效率，并且隨著致密化次數(shù)的增加，C/C復(fù)合材料的開(kāi)孔率降低，密度逐步提高。
　　（4）催化炭化法制備的C/C復(fù)合材料的炭化程度較高，其炭化收率能達(dá)到91.78%，并且其微晶尺寸大于經(jīng)過(guò)熱處理后的C/C復(fù)

5、合材料，其最大的特點(diǎn)表現(xiàn)為彎曲斷裂性能，它呈現(xiàn)出假塑性斷裂模式，其斷裂韌性KIC高達(dá)14.93MPa·m1/2。
　?。?）不同的致密化工藝、浸漬劑和密度會(huì)對(duì)C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。由催化炭化+高溫?zé)崽幚韽?fù)合工藝制備的C/C復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和橫向壓縮強(qiáng)度明顯低于連續(xù)催化炭化工藝制備的復(fù)合材料；采用催化炭化+中間相瀝青浸漬-炭化工藝制備的C/C復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能；密度越高的C/C復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度越高。