碳纳米材料改性C/C复合材料的界面构筑及摩擦磨损行为研究

The fiber/matrix interface is an important microstructure of C / C composites, which has great influence on the tribological properties of this composites. Carbon nano-materials with high strength and modulus and good tribological properties can be used in the interfacial modification, which results in the lower wear rate and the change of friction coefficient of composites. However, the effect of the carbon nanomaterials on the tribological behavior of C/C composites is still unclear. Therefore, in this project, carbon nano-materials with the different dimensions are employed to construct the interface. The effect of carbon nanomaterial on the structure and morphology of interface and its formation mechanism are studied. The effect of interface with different structure and on the tribological behavior is investigated by the friction tests. The mechanism of the different interface on the friction process is discussed. The relationship between the interface and the tribological properties of composites is revealed. Design the interface by carbon nanomaterial with different dimensions, and regulate the tribological properties, which will provide the theoretical and methodological basis for the application of C/C composites.

界面是C/C复合材料重要的微观结构，极大程度地影响着该复合材料的摩擦磨损性能。因碳纳米材料具有高强度高模量以及良好的摩擦磨损性能，用于界面改性可有效地降低材料的磨损量，改变复合材料的摩擦系数。但目前关于碳纳米材料改性C/C复合材料摩擦磨损机理尚未明确。因此，本项目采用不同维度的碳纳米材料，构筑不同结构的界面。研究碳纳米材料对界面结构的影响及其形成机理。通过循环摩擦磨损测试，研究不同结构和形态的界面对C/C复合材料的变温摩擦磨损行为的影响，探讨由不同维度的碳纳米材料形成的界面对复合材料在摩擦过程中的作用机理，揭示界面结构与材料摩擦磨损性能的内在联系，为通过纳米材料来设计界面结构，从而调控复合材料的摩擦磨损性能奠定理论和方法基础。

界面是C/C复合材料重要的微观结构，极大程度地影响着该复合材料的摩擦磨损性能。因碳纳米材料具有高强度高模量以及良好的摩擦磨损性能，用于界面改性可有效地降低材料的磨损量，改变复合材料的摩擦系数。但目前关于碳纳米材料改性C/C复合材料摩擦磨损机理尚未明确。因此，本项目采用不同维度的碳纳米材料，构筑不同结构的界面。通过对比不同碳纳米材料改性C/C复合材料的性能，研究界面结构对C/C复合材料的摩擦磨损性能的影响机理。研究结果表明，以单向碳纤维布为原材料，采用化学接枝法加高压电场的方式，可以在碳纤维表面覆盖平行碳纤维轴向的碳纳米管、石墨烯和碳纳米球包覆层。该包覆层对热解碳沉积速率的研究发现开始沉积时，碳纳米材料的存在加快了沉积速度，但随着沉积时间的延长，沉积速率明显降低。碳纳米材料具有诱导沉积作用，诱导热解碳优先沉积在碳纳米材料表面，使得碳纳米材料长大，从而对应形成球型突起、条形结构和片层结构。结构的改变带来了性能的影响。碳纳米球形成的紧密结构导致其改性C/C复合材料的压缩性能最大，而碳纳米管诱导形成的条状结构在碳纤维表面形成交织和闭孔，导致其压缩性能最差。石墨烯诱导形成的菱形交织成为应力集中部分，同样不利于其力学性能。但由于石墨烯形成的连续结构，其导热性能最佳，而碳纳米球诱导的球型结构不利于热传导，从而其导热性能最差。此外，碳纳米材料改性都有利于C/C复合材料的抗氧化，能明显提高C/C复合材料的起始氧化温度。这些热物理性能的变化也进一步影响了材料的摩擦磨损性能。在相同的工况条件下，碳纳米球改性C/C复合材料的平均摩擦系数最高，而石墨烯改性C/C复合材料的平均摩擦系数最低。改性复合材料摩擦性能的变化与其结构具有紧密关系，可为通过纳米材料来设计界面结构、从而调控复合材料的摩擦磨损性能奠定了理论和方法基础。