炭/炭复合材料是一种以热解炭为基体由炭纤维增强的复合材料,因为具有一系列优良的性能,被广泛用作航空航天飞行器关键热结构材料。在制备炭/炭复合材料的过程中,通过工艺参数控制可以实现热解炭的织构从各向同性到高织构之间变化,进而影响到材料的使用性能。本文在实验研究和理论分析的基础上,研究化学气相渗透(CVI)工艺条件对热解炭微观结构的影响,进而分析微观结构对热解炭以及炭/炭复合材料性能的影响,为先进炭/炭复合材料的制备与应用提供基础。主要工作内容如下：　　 ⑴以甲烷为气源,采用新型等温等压化学气相渗透制备炭/炭复合材料,考察了温度、压强以及停留时间对化学气相渗透过程动力学和热解炭微观结构的影响。研究发现:在较短的停留时间内,可以制备出内外密度分布均匀的炭/炭复合材料；提高反应温度和甲烷压强可以加快沉积速率,但过高的温度和甲烷压强会导致表面封孔现象；反应温度、甲烷压强、停留时间和A/V值都会影响热解炭微观结构,通过调节以上工艺参数可以对热解炭的微观结构进行调控。　　 ⑵采用拉曼光谱研究了不同织构热解炭的微观结构,并用洛仑兹曲线进行了拟合,得到了各带的半高宽和强度比。研究发现:在压强比较低时,由于CVD热解炭以生长机理为主,织构与微观结构缺陷有关,D带半高宽和ID/(DG+ID)随织构度的升高而降低；在压强较高时,CVD热解炭以形核机理为主,织构主要与形核的物理过程而不是化学反应有关,因此D带半高宽和ID/(IG+ID)与织构度无关；由于形成机理不同,即使是相同的织构度,CVI热解炭的半高宽也远远小于CVD热解炭的半高宽。D带、D’带和G带半高宽表明高织构热解炭的缺陷浓度很低并且易石墨化,同时由于A/V值在渗透过程中的连续变化,G带半高宽在热解炭厚度方向上存在和织构一样的梯度。　　 ⑶采用纳米压痕仪研究了热解炭的力学性能,通过载荷积分计算了压痕过程中的能量耗散,分析了织构对热解炭的力学性能的影响。研究发现:热解炭的纳米压痕行为完全的弹性形变,但在形变过程中存在一定的能量耗散。随着织构降低,CVD热解炭的弹性模量和能量耗散比都降低,而硬度升高。同时发现,CVD热解炭的硬度和弹性模量比CVI热解炭高,能量耗散少。高织构的CVI热解炭具有高的弹性模量和硬度,较低的能量耗散比。理论分析和实验结果证明了纳米压痕过程中的能量耗散比与硬度和弹性模量比存在线性关系。热处理后,由于热解炭层间距降低,层间作用力增加,热解炭硬度和弹性模量升高。　　 ⑷采用三点弯曲法和单边断口梁法测试了炭/炭复合材料的力学性能,分析了预制体、热解炭织构和热处理温度对炭/炭复合材料力学性能影响,研究发现:不同预制体制备的炭/炭复合材料的断裂方式不同,2D炭/炭复合材料的断裂方式为台阶式断裂,短纤维炭毡炭/炭复合材料的断裂方式为脆性断裂,针刺炭纤维毡毡炭/炭复合材料表现出明显的假塑性断裂；由高织构热解炭组成的炭/炭复合材料力学强度高于低织构热解炭。热处理后,由于炭纤维强度降低以及纤维与热解炭之间发生脱离,炭/炭复合材料的力学性能随着热处理温度的提高而降低。　　 ⑸研究了炭/炭复合材料的非等温氧化行为,考察了热解炭织构对炭/炭复合材料氧化行为的影响。研究发现:炭/炭复合材料的非等温氧化分为四个阶段:在500到600℃之间,在炭纤维/热解炭的界面上首先发生氧化反应,纤维和热解炭随之发生氧化,由于不受扩散速率的影响,氧化反应速率受到表面化学反应速率控制；在600-700℃,炭/炭复合材料内部也开始发生氧化反应,氧化速率急剧升高,但仍受化学反应控制；在700℃以上,气体的扩散速率成为反应的控制步骤,氧化速率基本保持不变。随着炭材料的大量氧化,固体表面积下降,反应速率降低。同时发现,热解炭的织构对与炭/炭复合材料的氧化有很大的影响,在所有温度区间,中织构比高织构热解炭有更高的氧化反应活性。活化能的计算表明,热解炭织构对于炭/炭复合材料的影响随温度的升高而逐渐降低。