微波热解CVI工艺制备炭/炭复合材料仿生界面研究

Mineral bridges structure is introduced into the interfaces of carbon/carbon composites to improve fracture strength and fracture toughness in the forming of interface. In another words, by making use of microwave inducing surface activity, gas grown carbon fibers and pyrocarbons are prepared successively in the carbon fiber preforms, forming bionic interface structures to improve the comprehensive property of carbon/carbon composites. The inducing mechanisms of microwave are studied systematically, the relation between the surface activity and gas grown carbon fibers is explored further, accordingly realize the growth of gas carbon fibers without catalyst. The relations of the bionic interface structures and the property of carbon/carbon composites is established by mechanical models and mechanical data of bionic microstructures, the mechanisms of bionic microstructures toughing carbon/carbon composites are revealed, thereby provide a theoretical basis for the bionic design of composites.

本项目拟在界面的形成过程中，引入贝壳矿物桥结构，强韧化炭/炭复合材料界面，即利用微波诱导表面活性点，在炭纤维表面原位生长气相炭纤维和热解炭，形成仿贝壳矿物桥界面结构，发挥炭纤维增强体的高强度性能，提高炭/炭复合材料的综合性能。系统深入研究微波诱导基体表面活性点的作用机制，进一步探索活性点对气相炭纤维无催化剂生长的影响规律，实现气相炭纤维的无催化可控生长；建立仿生微结构的力学模型，确立仿生界面微结构与C/C复合材料的强度和韧性之间的关系，揭示仿生微结构强韧化C/C复合材料界面的机制，为复合材料的仿生设计提供理论依据。

以甲烷和氮气作为前驱气体和稀释气体，采用微波化学气相渗透工艺，制备了各种结构纳米碳管、纳米碳球及气相生长炭纤维，结合炭/炭复合材料制备工艺，制备了具有不同微观组织结构的CNTS/C/C复合材料。通过偏光显微镜、场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪和Raman光谱仪表征了复合材料的结构，研究了不同基体结构与碳基复合材料弯曲性能的关系；通过热电性能测试仪和激光热导仪测试复合材料热电性能，采用ET9000电输运性能测量系统对复合材料进行霍尔效应测试。结果表明，微波加热特点所导致的快热快冷的生长环境促使了碳纤维的无催化生长；弯曲实验发现，CNTs的加入能够提高C/C复合材料的弯曲强度，呈现由假塑形破坏向脆性断裂方式转变。且随着CNTs含量的增加，复合材料的弯曲强度有着先增大后减小的趋势，当CNTs含量为2.3%时，材料具有最大的弯曲强度；炭/炭复合材料具有正的热电效应，且复合材料的热电性能与热解炭的取向性有很大的关系：从各向同性、低织构、中织构到高织构，材料的Seebeck系数、电导率和热导率逐渐增加，同时织构化的增强对载流子的影响大于对声子的影响，进而使热电优值ZT随着织构化的增强逐渐增大。