纳米纤维改性C/C复合材料构件的增强机理研究

C/C复合材料具有优良的力学和热学性能，成为了能够耐受3000℃以上高温结构材料的首选，对航空航天和军事工业具有重要意义。为了提高C/C复合材料的使用性能，对其增强相（炭纤维）进行了表面原位生长纳米纤维改性。前期研究结果表明，炭纤维纳米纤维改性后，C/C复合材料的力学性能显著提高。为了揭示其力学性能提高的原因，本项目拟通过材料设计的方法，将其中的增强相（炭纤维和纳米纤维）进行定向复合，制备定向的纳米纤维改性C/C复合材料。通过对所设计复合材料的结构与性能进行不同方向的分析与检测，建立纳米纤维改性C/C复合材料的强度函数方程。分析纳米纤维改性C/C复合材料的裂纹扩展模式，形成纳米纤维改性C/C复合材料的强化理论。本项目的实施可以形成纳米纤维改性C/C复合材料构件的强度与断裂的基础理论，可以为纤维增强复合材料中复杂增强系统提供理论借鉴，为实际的纳米纤维改性C/C复合材料的制备提供参考工艺参数。

随着C/C复合材料应用领域的拓展，更加苛刻的使用环境对其性能提出了更高的要求。本项目采用材料设计的方法，以炭纤维表面原位定向生长炭纳米纤维为基础，进而CVD法制备炭纳米纤维增强C/C复合材料，通过对复合材料进行力学性能测试，微观结构观察和数值仿真分析，旨在揭示纳米纤维增强C/C复合材料构件的增强机理，为该复合材料构件的制备提供理论依据和工艺参考。. （1）通过数值分析计算，采用ANSYS软件模拟了纳米纤维改性C/C复合材料的拉伸断裂过程，对C/C复合材料纳米纤维改性前后裂纹尖端应力强度因子进行了研究，探讨了改性前后C/C复合材料的增强机理。当裂纹萌生在基体炭中时，裂纹尖端扩展到材料界面附近时，其应力强度因子急剧上升；当裂纹萌生在炭纤维中时，裂纹扩展速度靠近界面时反而减小。结果表明：复合材料中基体中的裂纹较炭纤维中的裂纹更易扩展，提高基体炭的力学性能非常有助于提高C/C复合材料的性能。. （2）研制了电热法生长纳米纤维的设备，通过在炭纤维表面电镀镍催化剂、控制气体流向等工艺，采用电热法在炭纤维表面原位生长了定向的炭纳米纤维，实现了炭纳米纤维的可控制生长。定向的炭纳米纤维符合“断裂——吸附——扩散——沉积”的生长模型。在沉积热解炭中，热解碳主要以小球状分子沉积生成球状微晶组织；随着沉积时间延长，大片状分子沉积的生长方式占主导地位。CVD热解碳会优先在炭纤维表面的刻蚀点、孔洞等更大的活性点生长，形成一些无序堆叠的细小碳原子团，使炭纤维表面微晶结构的有序度降低，而碳原子团会组装形成一些小的石墨微晶。. （3）采用CVD法制备了原位自生的定向炭纳米纤维增强的C/C复合材料构件，通过力学性能测试、微观结构观测和有限元仿真分析，研究了纳米纤维改性C/C复合材料构件的增强机理。在炭纤维表面引入原位自生的纳米纤维，因为纳米纤维的自身尺寸特性，极大的扩展了炭纤维的原始表面积，并有效的改善了炭纤维表面微晶特性，使得后续CVD热解炭更有利于生长成力学性能更佳，尺寸范围更大的粗糙层热解炭，这是纳米纤维改性C/C复合材料性能得以提高的主因；其次是引入了大尺寸范围的纳米纤维后，有效的改善了炭纤维和基体炭的界面特性，将高强度的炭纤维增强相的力学性能完全发挥了出来；纳米纤维虽然自身性能极佳，但其在纳米纤维增强C/C复合材料中的体积分数极其有限，其自身的增强效果不明显。