催化化学气相渗透法快速沉积炭/炭复合材料基体炭研究

Because of the long production period of carbon/carbon (C/C) composites, the cost of this material is very large and the usage is limited in many fields. One kind of efficient method, catalytic chemical vapor deposition, is provided in this project. The catalysts, Ni, that is in the ionic form will be deposited in the carbon-fiber performs by the electroplating method. Then the matrix carbon will be rapiddly deposited in the carbon-fiber perform by chemical vapor infiltration in accordance with the principle of catalytic reaction.The production principle and fromation machamism of catalytic matrix carbon will be discussed systematically. The interface-bonding machanism between catalysts and matrix carbon, carbon fiber and matrix carbon would be analysed. And through this project the distribution of catalysts and the formation conditions of matrix carbon must be obtained. The relationships between the thermal-physical properties, high-temperature mechanical behavior and the microstuctures of matrix carbon will be established. At last, the growth model of matrix carbon would be builded up.

本项目针对炭/炭(C/C)复合材料制备周期长难题，提出并开发一种催化沉积基体炭方法，即首先利用电镀法在炭纤维预制体中沉积Ni催化剂离子,通过带电Ni离子迁移并附着于带有相反电荷的炭纤维预制体内部，实现催化剂在预制体中的载入；再通过化学气相渗透法，结合催化反应原理，在炭纤维预制体中快速沉积基体炭。系统深入研究催化生成基体炭的制备工艺原理和形成机理，获得催化剂的分布规律以及快速沉积基体炭的形成条件，分析催化剂与基体炭、基体炭与炭纤维之间的界面结合机制，获得催化生成基体炭微观结构与热物理性能、高温力学性能之间的关系，建立基体炭生长模型，为C/C复合材料的低成本、多领域应用奠定理论基础。

碳/碳(C/C)复合材料是一种重要的高性能结构材料，其制备周期长、生产成本高的缺点严重制约了该材料的应用。本项目采用电镀法在炭纤维预制体中获得了均匀分布的Ni催化剂，再利用催化化学气相渗透（CCVI）方法在预制体中快速沉积获得了基体炭。该研究成果为C/C复合材料低成本应用奠定了重要的理论及实践基础。主要研究成果如下：.（1）炭纤维表面处理可有效提高催化剂在纤维表面分布的均匀性及加载量，当炭纤维表面有预碳层时，催化剂电镀速率较快，颗粒分布均匀； .（2）炭纤维热处理后基体炭沉积速率较大，基体与纤维间界面结合较好。随催化剂含量的增加，基体碳沉积速率和晶粒尺寸呈先增大后减小的趋势，基体炭d002、石墨化度及ID/IG值呈先减小后增大趋势；.（3）在预制体内部原位生成了碳纳米管/纳米线（CNTs/CNWs），该纳米结构为基体炭的沉积提供了二次形核中心，进一步提高了基体炭的沉积速率；.（4）催化生成C/C复合材料较纯C/C材料，弯曲强度和弯曲模量分别提高了36.88%和12.12%，断裂模式由纯C/C材料的脆性断裂转变为假塑性断裂；.（5）催化剂Ni能够加快碳氢化合物分子的分解，通过自由基反应加速芳香烃类的生成，降低气固相之间反应的活化能和界面能，从而加快了基体炭的沉积速率。此为催化沉积基体炭的反应机理。