碳/碳复合材料的烧结工艺与力学性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chj0821031
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碳/碳复合材料是以碳为基体,由碳纤维增强的一种高性能复合材料,故其兼备了碳纤维复合材料优异的力学性能和碳素材料所固有的耐高温性能。进入21世纪以来,随着碳/碳复合材料在航空航天、军工、海洋船舶及民用领域的迅猛发展,对复合材料的安全性、可靠性、经济性的要求和期待日益升高,开发出短流程、低成本的制备工艺,对于碳/碳复合材料的推广应用具有非常重要的工程意义。本文以天然鳞片石墨为基体、国产T300型碳纤维为增强体、中间相沥青粉为浸渍剂,采用纤维浸渍的复合方法制备了碳/碳复合材料烧结预制体,再分别通过热压烧结与高温无压烧结两种工艺对预制体进行烧结,从而制备得到了力学性能优异、致密程度相对较高、尺寸稳定性好的沥青基碳/碳复合材料。该工艺与传统工艺比较,具有流程短、对生产设备要求低、生产效率高、便于批量化生产等优点,因此实现了缩短制备周期和降低成本的目的,具有重要的工业应用价值。此外本论文还重点研究了两种烧结工艺中原料质量配比(P/G)、浸渍温度、浸渍压力、烧结温度等工艺条件对于复合材料的力学性能与微观形貌的影响,并对两种烧结工艺的优缺点与适用情况进行了比较。通过一系列的实验研究与分析,主要得到以下研究结果:对于热压烧结工艺,当原料配比(P/G)为1、浸渍温度选择300℃、烧结温度为1400℃时,中间相沥青可以充分浸渍于基体与碳纤维及碳纤维束之间,流动致密化效果最佳。此时制得的碳/碳复合材料密度达到了1.755g·cm-3,显孔率仅为1.69%,此时的致密度高达95%,断裂韧性与断裂功为别为6.02MPa·m1/2h和0.92kJ·m-2,弯曲强度为363±20MPa,最大弯曲强度高达383Mpa,弯曲性能已经达到了国内外报道的先进水平。对于高温无压烧结工艺,在原料质量配比为1、浸渍温度为500℃、浸渍压力选择10MPa、最终烧结温度为1400℃时,所制备的碳/碳复合材料力学性能最佳并且致密程度良好。此时复合材料的弯曲强度可达283±15MPa,实际密度为1.663g·cm-3,显孔率为3.55%,致密度可达90%,断裂性能也比相对较高。与热压烧结工艺相比,高温无压烧结工艺所制备得到的碳/碳复合材料产品的力学性能有所下降,致密化效果也相对减弱,但也基本满足一般条件下的使用需求,并且由于高温无压烧结工艺的生产条件更加简单、对生产设备要求更低、生产效率更高并且可以实现批量化生产,所以该工艺具有重大的工业化意义。
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