【摘 要】
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材料是科技发展的重要推动剂。自“神州五号”载人飞船圆满完成飞行任务,我国航空航天事业快速发展。新型耐高温、低密度、高强等极端环境材料得到快速发展。碳/碳（C/C）复合材料自问世以来由于具有低密度、高导电、高导热、耐高温等优良性能于一身,一直是航空航天、电器电子、高温特种领域的特种应用材料。由于C/C复合材料的制备周期长、原料利用率低使得C/C复合材料的造价高,限制其发展。另外,C/C复合材料由于全
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材料是科技发展的重要推动剂。自“神州五号”载人飞船圆满完成飞行任务,我国航空航天事业快速发展。新型耐高温、低密度、高强等极端环境材料得到快速发展。碳/碳（C/C）复合材料自问世以来由于具有低密度、高导电、高导热、耐高温等优良性能于一身,一直是航空航天、电器电子、高温特种领域的特种应用材料。由于C/C复合材料的制备周期长、原料利用率低使得C/C复合材料的造价高,限制其发展。另外,C/C复合材料由于全由碳组成其氧化性能一直成为C/C复合材料的致命缺点。基于以上两种因素,使得C/C复合材料的应用受到限制。本课题就C/C复合材料的低成本制备及抗氧化性能做出探究,得到以下成果:使用煤系中间相沥青、天然鳞片石墨、T300碳纤维等廉价原料通过低温热压,高温无压工艺成功制备性能优良的C/C复合材料。此工艺成功的关键在于对煤系中间相沥青含量及低温热压温度的探索。因此,本课题就此做了两组对比实验:（1）以相同的低温热压温度（300℃）,四种不同中间相沥青配比（40%,50%,60%,67%）。（2）以相同的中间相沥青配比（50%）,4种不同低温热压温度（350℃,400℃,450℃,500℃）。通过热重分析（TGA）对煤系中间相沥青的裂解做出分析,通过扫描电子显微镜（SEM）对C/C复合材料微观形貌分析,通过力学性能及密度测试对C/C复合材料宏观性能表征。结果显示,当低温热压温度为300℃,煤系中间相沥青体积比为50%时,C/C复合材料的密度及力学性能最优,密度为1.765g/cm3,弯曲强度为388±16MPa,断裂韧性为6.10±0.83MPa.m1/2。在C/C复合材料内引入TiB2有效抑制低温下C/C复合材料的氧化,提高C/C复合材料的抗氧化性能。传统CVD/CVI及PIP法制备C/C复合材料,陶瓷颗粒的引入受到很大的困难。而本课题所用的缠绕法可以直接将陶瓷颗粒引入C/C复合材料中。通过X射线衍射（XRD）分析看出引入TiB2没有其他的杂质生成。由于TiB2的粒径较小而导致比表面积较大,因此中间相沥青对界面的粘结作用减小,其力学性能略微下降,C/C-10TiB2的弯曲强度为301±12MPa,断裂韧性为5.42±0.87 MPa.m1/2。C/C-20TiB2的弯曲强度为289±16MPa,断裂韧性为5.11±1.02MPa.m1/2。通过600℃氧化150 min后纯C/C复合材料失重达到54.92%,而C/C-10TiB2失重降低为2.6%,C/C-20TiB2失重仅为0.35%。通过制浆、缠绕、低温热压致密及高温无压碳化等4步成功制备C/C复合材料及C/C-TiB2。每一步制备工艺相对传统CVD/CVI及PIP等工艺周期短,原料利用率高,一次浸渍等优点,适合做成品,为后续产业化打下坚实基础。从工艺简化方向降低C/C复合材料的成本,有利于扩大C/C复合材料及陶瓷基增强C/C复合材料的应用。
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