纳米纤维-CF多尺度预制体构建及其强韧C/C复合材料研究

作     者：敬涛 

作者单位：西安工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢光银;黎云玉

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：碳/碳复合材料 纳米纤维 多尺度预制体 强韧化 

摘      要：碳/碳(Carbon/carbon,C/C)复合材料在服役过程中,崩裂、崩块、界面脱粘现象频发,严重制约了其在空天领域的深度应用。分析认为,C/C复合材料应力承载达到碳基体应力极限时,碳基体首先发生崩裂,产生破坏性裂纹并迅速传导至碳纤维(Carbon Fiber,CF)造成CF损伤,导致材料突发性失效。究其原因:一是碳基体缺乏亚微米、纳米尺度上的增强;二是碳纤维/基体界面结合状态不利于破坏性裂纹在该界面发生偏转,无法保证载荷有效传递至承载CF,强韧机制受限。本文借助电泳沉积(Electrophoretic Deposition,EPD)在CF表面共掺杂碳纳米管与碳化硅纳米线(Carbon Nanotube&Silicon Carbide Nanowire,CNTs&SiCnws)构建纳米纤维-CF多尺度预制体,借助化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)加载高织构热解碳(High Texture-Pyrolytic Carbon,HT-PyC)界面层优化碳纤维/基体界面促进CNTs&SiCnws和CF跨尺度协同强韧化C/C复合材料。通过调节CVI时间为2 h、4 h、6 h,EPD时间为1 min、3 min、5 min,进而控制HT-PyC界面层厚度及CNTs&SiCnws含量,系统的研究了CNTs&SiCnws含量、HT-PyC界面层厚度对C/C复合材料基体组织、微观结构、力学性能、氧化性能的影响,阐述了相关强韧化机制,主要结论如下:(1)随CVI时间增加,CF表面凹槽基本消失,PyC界面层取向度较高,为典型的HT-PyC,在CVI时间为6 h时,CF间出现粘联结构;随EPD时间增加,CF表面的CNTs&SiCnws含量增加,在EPD时间为3 min时,CNTs&SiCnws分布较为均匀,无明显的团聚和脱落现象。(2)CNTs&SiCnws可诱导基体PyC由单一结构转变为多层结构,在纳米纤维富集区域,形核生长点密集,可诱导形成各向同性(Isotropic,ISO)PyC,纳米纤维富集区域外,晶体、晶界尺寸明显大于富集区域,晶界交叉锁合,PyC层光学活性较高,为HT-PyC,整体呈现ISO-HT多层结构。(3)适量CNTs&SiCnws可促使晶体生长良好,减少环形裂纹,提高PyC结构有序性、完整性及石墨化度,改善基体组织的微观结构,但过量CNTs&SiCnws及厚度过大的HT-PyC界面层对基体组织的微观结构改善不明显。(4)CNTs&SiCnws为PyC生长提供了更多的形核点,但会阻碍致密化过程中碳氢气体的流通、扩散过程,进而影响PyC的渗透率,易导致基体形成“闭孔结构,造成C/C复合材料的密度及孔隙率出现细微变化。(5)引入CNTs&SiCnws及HT-PyC界面层可实现对C/C复合材料的强韧化。对于弯曲性能,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C强度提升达74.33%,且失效形式表现为韧性断裂,强韧化改善最为显著;对于剪切性能,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C强度提升近100%,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C断裂假塑性表现最为明显,其强度提升不如前者;对于面外压缩性能,影响明显小于弯曲性能和剪切性能,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C提升较为明显,压缩强度达到269.55 MPa,较纯C/C提升24.63%。(6)CNTs&SiCnws有效减少了碳纤维/基体界面脱粘、基体环形开裂等氧气的传递通道,阻碍氧气的流通、扩散,界面层可使CF延迟发生氧化,进而提高C/C复合材料的抗氧化性能。对于静态氧化性能,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C失重率为11.28%,相比于纯C/C降低了64.46%;对于热震性能,CNTs&SiCnws会诱导碳基体形成多层结构和“闭孔结构,该结构有利于抵抗高低温急剧变化导致的结构破坏,HT-PyC-CNTs&SiCnws-C/C抗热震性能表现最好。