高性能炭炭复合材料的基础研究

《高性能炭炭复合材料的基础研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、项目名称：高性能炭/炭复合材料的基础研究首席科学家：黄伯云中南大学起止年限：2006.1至2010.12依托部门：教育部一、研究内容拟解决的关键科学问题纵观国内外C/C复合材料已有的研究成果，不难发现C/C复合材料的研究主要存在如下五个基本问题亟待解决：(1)大规格异型炭纤维预制体的设计、编织与成型难；(2)基体炭的组织结构尚不能自主控制，制备周期长、成本高；(3)C/C材料中炭结构的高温演变机制不明；(4)C/C复合材料中炭纤维/基体炭、基体炭/基体炭的界面特征缺乏深入研究，没有形成系统的界面表征方法；(5)没有建立系统的C/C复合材料环境服役行为评价体系

2、，环境损伤防护水平低，应用领域受到严重制约。因此，本项目拟通过解决三个关键科学问题：(1)C/C复合材料碳原子排列机理及其演变机制；(2)C/C复合材料界面效应与设计；(3)C/C复合材料的服役失效与防护机理。以期建立制备高性能C/C复合材料的理论基础平台，推动我国C/C复合材料制备技术及其应用水平的大幅度发展。主要研究内容(1)通过温度场、压力场、流场、电磁场等物理场的优化设计及其作用机理的研究，利用数值分析和模拟，建立坯体内部传质和传热的动力学模型，探讨在多元耦合物理场作用下CVI过程特征，碳原子排列机理，以及热解炭形核、快速长大机理，形成RL、SL、I

3、SO等热解炭结构的精确控制技术，获得物理场和热解炭结构的关系，形成高性能C/C复合材料的制备技术体系。(2)研究液、固相炭有机先驱体改性、耐烧蚀元素及异类元素的加入及其作用，获得高性能C/C复合材料的原材料。通过常压和高压炭化，研究炭微观结构的演变机理及增密作用，同时研究气、液、固相复合增密的碳原子排列机理及精确控制技术。(3)以物理化学和晶体学原理为基础，研究材料石墨化过程的热力学和动力学，探讨热处理过程中基体炭的炭结构演变机理。同时，探讨异类元素、应力对炭结构演变的作用及机理。通过研究Raman散射强度比IG/ID与石墨化度g之间的定量关系，建立基于Ra

4、man和粉末XRD的复合材料微区及整体石墨化度的精确定量表征体系。(4)研究不同炭纤维预处理方法中纤维改性的机制，通过炭纤维表面处理调整炭纤维表层碳原子的排列。建立炭纤维预制体结构与力学性能、导热性能等关系的数学模型，研究计算机仿真模拟的方法，优化设计炭纤维预制体结构，实现其可设计性。研究复杂、异型炭纤维预制体编织方法。(5)在炭纤维表面(活化与润湿性等)处理和改性的基础上，研究炭纤维表面结构对CVI沉积碳原子的诱导及与其堆积模式的关系。采用现代研究手段，研究炭纤维与基体炭、基体炭与基体炭之间界面结构特征，形成系统的C/C复合材料界面特征表征方法。通过研究炭

5、纤维与基体炭之间的晶格匹配及其能势，炭纤维与基体炭、基体炭与基体炭之间界面的应力场特性，进而研究界面特性对C/C复合材料物理、化学和力学性能的影响规律及其机理。(6)制备具有不同炭纤维及编制方式、不同基体炭类型及结构的C/C复合材料，并经不同的高温热处理，研究其作为摩阻和减摩材料在静态、动态、高速、重载和不同环境气氛等工况条件的摩擦磨损行为。在此基础上，采用分形理论研究表面/次表面/基体部位的应力场、摩擦热场、材料损伤和组织结构（如石墨微晶取向和有序度）以及磨屑的变化规律，建立摩擦磨损机理的物理模型和材料组织结构特性与摩擦磨损性能之间的联系，为制动耐磨和密封

6、减磨等应用条件下自主调节材料摩擦磨损性能提供理论基础。(7)研究C/C材料导热系数随炭纤维体积分数和取向、石墨化度、孔隙/结构/分布、界面结构及环境状态的演变规律，探讨控制C/C材料导热性能的有效途径。建立导热性能预测和评价体系。采用有限元法，探讨炭纤维及其周围基体沿纤维轴向及径向热传导的微观机理。研究在外加温度场和应力场共同作用下添加元素的作用机理，探讨控制C/C材料导热性能的有效途径。(8)通过研究C/C材料在物理场(温度场、压力场、流场和应力场等)、化学场作用前后的结构、性能变化规律，探讨C/C材料环境服役行为。采用CVI、HCVI、有机溶剂浸渍、涂覆

7、等工艺制备Hf、Ta、Si等难熔金属碳化物和氧化物功能复合梯度涂层。以高温风洞模拟，辅以发动机台架试验验证和修正，研究材料的环境损伤行为，探讨其防护机理。研究涂层/基体系统的损伤失效机理，形成C/C材料抗氧化技术的理论体系。二、预期目标总体目标：通过本项目的实施，研究C/C复合材料的制备工艺、结构与性能之间的内在关系，探索碳原子排列机理，研究C/C材料结构多样性和性能多样性，奠定高性能C/C材料制备技术和应用技术的理论基础；推进C/C材料高性能、低成本化，满足我国国民经济高新技术领域的重大需求，加速其在民用领域的广泛应用；推动C/C材料制备技术和应用技术向高

8、、精、尖发展，满足我国国防建设的需求。五年预期目标：