碳/碳复合材料热梯度水热碳化沉积机理及结构调控研究

The development of carbon/carbon (C/C) composites faces the challenge of green manufacturing due to the consuming of fossil fuels as a carbon source. In view of the synthesis of carbon materials by hydrothermal carbonization (HTC), we propose a thermal-gradient hydrothermal-carbonization (TG-HTC) method to fabricate the C/C composites. The hydrothermal-carbonization technology coupling with the thermal gradient deposition technology is aim to fabricate the C/C composites in a green and low cost way. Glucose, starch, and cellulose are selected as the carbon source to study the applicability of biomass in the fabrication of C/C composites. The conversion of biomass to carbonaceous materials, carbon deposition efficiency, and microstructure of the composites are studied. The effects of hydrothermal carbonization parameters on the deposition efficiency and microstructure of the composites are studied to establish the deposition dynamics of C/C composites. The evolution of the density and microstructure of the C/C composites in different deposition stage is studied to reveal the deposition mechanism of bio-carbon in the porous preform. The microstructure of the C/C composites is adjusted by adding catalytic in the HTC process and heat treated after deposition. The relationship between the microstructure and properties of the composites are studied. This research not only can provide an environment-friendly method to fabricate C/C composites, but also can enrich the theory and application of hydrothermal synthesis.

碳/碳复合材料长期以来以石化燃料作为碳源，面临绿色制造的新挑战。鉴于生物质水热碳化在碳材料合成领域的蓬勃发展，本项目提出了热梯度水热碳化沉积碳/碳复合材料的新思路，耦合了碳材料的生物质水热合成和碳/碳复合材料的热梯度限域沉积，以期实现碳/碳复合材料的低成本绿色制造。通过研究葡萄糖、淀粉、纤维素在水热条件下的碳转化过程，沉积效率、微观结构，探索生物质碳源的可适用性和规律性；研究水热碳化工艺参数对碳/碳复合材料沉积效率、微观结构的影响规律，建立沉积动力学模型；获得不同沉积阶段复合材料孔隙、微观结构的演变规律，阐明生物质碳在多孔预制体内的沉积机理；利用催化剂、热处理等方法实现碳/碳复合材料的微观结构调控，分析微观结构对力学、摩擦学性能的影响规律，揭示水热合成碳/碳复合材料结构与性能之间的关系。项目研究不仅可以开拓碳/碳复合材料的绿色制造新技术，而且可以丰富水热合成技术的理论基础和应用领域。

本项目以热梯度水热碳化沉积碳/碳复合材料的结构调控和沉积机理研究为主线，开发和研制了热梯度水热碳化沉积的装置，实现了碳/碳复合材料的绿色制备，掌握了水热碳化沉积技术在制备碳/碳复合材料的碳源适用性和规律性，葡萄糖是制备碳/碳复合材料最佳的生物质碳源，其成碳温度阀值为180℃，成碳形核均匀。掌握了水热碳化沉积的优化工艺，最佳的芯部温度为250℃，葡萄糖前驱体浓度为500g/L，沉积时间为3小时；芯部碳/碳复合材料的密度可以达到1.56g/cm3。通过对沉积行为的研究，阐明了碳/碳复合材料的水热沉积机理，复合材料的致密化经历葡萄糖-呋喃化-缩聚-芳构化-碳纤维表面形核长大-形成连续碳层-致密的碳/碳复合材料的过程。以葡萄糖作为碳源制备的碳/碳复合材料具有优异的力学性能，其抗弯强度可以达到156MPa，其模量可以达到9.6GPa，其断裂行为为典型的假塑性断裂。热处理是水热碳化碳/碳复合材料的有效调控方式，随着热处理温度的提升碳/碳复合材料的密度降低、石墨化度提高、表面官能团减少，复合材料的断裂方式由假塑性断裂向脆性断裂转变。水热碳化过程中加入乙醇作为调节剂提高了系统压力，加速了生物质的水解和碳化，不利于碳在纤维表面形核生长，复合材料的力学性能较差。水热碳化碳/碳复合材料的磨损以磨粒磨损为主，在重载下的表现较差。复合材料相对较低的密度和高的孔隙率是其重载下失效的主要原因。水热碳化技术与金属氧化物的水热合成技术有机结合，成为碳基复合材料制备极具潜力的新技术。探索了高电导率C/C-Ni复合材料的制备，复合材料的电阻仅为2.1×10-5 Ω·m，可以作为滑动电接触摩擦材料在高速列车电弓和高速电机电刷应用。探索了抗烧蚀C/C-ZrC，C/C-ZrC-SiC复合材料的制备，亚微米ZrC、SiC陶瓷相弥散镶嵌在复合材料基体中，表现出优异的抗烧蚀性能，可在航空航天的高温防护领域得到应用。