纳米粘土增强炭/炭复合材料的研究

In this topic,a new direction to improve the mechanical properties of C/C composites is presented by use nanoclay as filler.Nanoclay is cheap and will be an optium filler to improve the flexural strength,modulus,ductility and toughness of C/C composites.The resarch study mainly the change of nanoclay during heat treatment and the effect of some paremeter such as the content and kinds of nanclay,kinds and shapes of carbon fiber(high strength PAN- based carbon fiber,mesophased pitch- based carbon fiber with high thermal conduction and high modulus,continuous carbon fiber,carbon fiber felt and carbon fiber cloth) and preparation process(including disperse,perform,hot press process and temperature)on the mechanical properties and thermal physical properties of C/C composites. And reforcing mechanism of nanoclay and interface characteristics of the composites will be elucidated.Furthermore,C/C composites with excellent mechanical properties will be developed based on the above study and optimum control of the raw and preparation method.

本课题拟将纳米粘土引入炭/炭复合材料中,以提高炭/炭复合材料的抗弯强度、模量、延展性和韧性等力学性能。主要研究纳米粘土在制备过程中转变为最终增强体的物质转变和相变规律、纳米粘土的种类、含量、纤维的种类(高强PAN基和高导高模中间相沥青基)及形态(连续、炭布、炭毡)、制备工艺（包括分散、预制体、热压工艺及温度）对炭/炭复合材料力学、热物理性能的影响，阐明纳米粘土的增强机制，明确高性能炭/炭复合材料的多界面特征，并通过原料、工艺的优化控制，最终发展一系列高性能炭/炭复合材料。..本项目提出了采用廉价纳米粘土来改善炭/炭复合材料力学性能的一个新方向，是一项比较重要的应用基础课题。

目前炭/炭复合材料的研究目标仍然是提高力学和热物理性能、降低成本、提高抗氧化能力。纳米粘土作为一种片层硅酸盐材料，具有硅酸盐的薄层片晶形状及片层的纳米厚度，以其特有的尺寸效应、界面效应及低廉的成本，成为一种能改善材料力学性能的优选增强材料。基于此，本项目采用短时（6~8小时）热压工艺（部分材料采用热压加致密化工序）制备了纳米粘土增强的炭/炭复合材料。主要研究了两种纳米粘土（Closite 15A和国产纳米粘土）热压升温过程中物质转变和相变规律，考察了粘土含量、热压温度、纤维种类（中间相沥青基炭纤维和PAN基炭纤维）、纤维形态（连续状、炭布）对炭/炭复合材料力学性能和微观结构的影响，最终制备了抗弯强度分别为293MPa，242MPa的高强度一维沥青基炭纤维/炭复合材料、高强度一维PAN基炭纤维/炭复合材料和抗弯强度为89MPa的二维PAN基炭布/炭复合材，纳米粘土的引入对复合材料强度的提高分别为64%,42%，45%。研究表明，纳米粘土的引入对炭/炭复合材料的密度影响较小，可大幅度提高材料的抗弯强度、模量和韧性，其增强机制为：纳米粘土的引入改善了复合材料的基体结构和界面性质。纳米粘土改善了材料的孔结构，使得材料的孔径分布较为合理；粘土在一定温度下原位转变为由莫来石、方英石、无序粘土、无序炭及有序炭组成的多组分陶瓷-炭纳米相增强，并与基体和炭纤维之间形成大量界面；这些协同作用达到提高复合材料力学性能目的。另外初步研究也发现，纳米粘土的引入可提高炭/炭复合材料的抗氧化起始温度，这与纳米粘土改善复合材料的孔结构和转变成的陶瓷相抗氧化性有关。本项目的研究为改善炭/炭复合材料的力学性能和抗氧化性能提供了新的方法和思路，也为纳米粘土的高附加价值应用提供了新的发展方向。