高性能炭炭复合材料高效制备与服役基础研究

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1、项目名称：高性能炭/炭复合材料高效制备与服役基础研究首席科学家：熊翔中南大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部二、预期目标1.总体目标发展长程传输快速CVI增密技术、高效液相增密技术，实现炭结构可控可调，奠定高性能C/C复合材料的低成本制备技术基础；发展C/C复合材料基体改性技术和涂层技术，建立改性组织结构、多相界面结构与多样化性能的内在联系，提高C/C复合材料在苛刻环境下的使用性能，扩展其使用范围，扩大应用领域；探明C/C复合材料高温长时间服役行为与防护机理，解决国家中长期规划大飞机工程、XX声速飞行器工程等国防现代化建设和国民经济建设对高性能C/C复合材料的需求。2.五年

2、预期目标(1)理论成果①研究物理场、气体流场和碳源组分对CVI过程中碳源基团长程快速传输及演变规律，揭示快速增密过程机理；②研究多相界面结构特征，探明C/C复合材料界面结构与宏观性能之间的关系；③研究C/C复合材料在烧蚀、导热、吸波、辐照环境中的服役行为，建立材料失效防护理论体系。(2)技术原型①大尺寸异形C/C材料快速增密技术；②C/C材料基体改性技术和涂层技术；③C/C材料高温长时耐烧蚀涂层制备技术；④C/C材料结构功能一体化制备技术。(3)技术指标①CVI平均密度1.5~1.6g/cm3，密度不均性≤8%；②临近空间条件下Ma5~8,工作时间≥1200s。(4)应用成果①满足载人航天与探

3、月工程、大飞机工程、XX声速飞行器工程等国家中长期规划对高性能C/C复合材料的急需；②满足满足化工、核能、新能源等对低成本高性能C/C复合材料的需求。(5)论著与人才培养①发表论文200篇以上(其中SCI、EI源刊物150篇以上)，出版专著2本；②申请发明专利20~25项，获省部级以上科技奖励4项；③培养博士后10~15人，博士生15~20人，硕士生30~35人，培养和造就一支高水平的研究团队，建立与发展本领域的基础研究和技术创新基地。三、研究方案1.总体研究思路C/C复合材料具有多种制备方法和复杂的工艺过程，制备技术的多样性直接导致了其组织结构和性能的多样化，从而可满足应用的多样性要求。本项

4、目以长路径传输快速增密和高效液相增密为突破口，解决大尺寸异形C/C复合材料构件高效制备的基础问题；结合基体陶瓷改性和表面涂层防护及一体化设计，优化多相界面结构，实现C/C复合材料结构和性能的多样化，解决C/C复合材料苛刻环境服役的基础问题；在此基础上，建立高性能C/C复合材料设计与服役的理论体系，形成低成本制备技术原型。C/C复合材料基础研究学术思路图2.技术路线(1)高性能C/C复合材料高效增密与过程控制①以化学反应动力学和热力学为基础，以气相色谱、拉曼光谱等为分析手段，研究碳源基团的演变规律。②采用碳源复合技术，探明CVI高质高速增密的规律。③以气体扩散动力学为基础，通过计算机模拟，探明碳

5、源基团等气体流在坯体中的消耗传质沉积规律。④设计物理场和气体流场，探讨各向同性热解炭和高温热解炭结构的生长和快速沉积机理，以及高密度炭纤维预制体和大尺寸异形件的CVI过程影响因素。⑤以煤沥青和糠酮树脂为对象，详细探讨预制体孔隙尺寸与浸渍用前驱体之间的匹配规律，精确控制浸渍过程。⑥研究热解炭与沥青炭，热解炭与树脂炭，沥青炭和树脂炭之间的匹配过程和规律，优化协同增密的工艺参数和工艺过程，形成材料性能调控技术。(2)C/C复合材料高导热结构设计与实现机制①分析影响C/C复合材料高导热性能的主次因素，结合计算机数值模拟技术，建立C/C复合材料高导热数学理论模型，给出C/C复合材料获得高导热性能的典型结

6、构特征。②从宏观、细观、微观角度开展高导热C/C复合材料的多层次设计，利用国产中间相沥青及中间相沥青炭纤维为增强体，采用热压、高温浸渍/炭化等多种方法进行材料制备，获得材料结构与制备工艺之间的对应关系。③通过C/C复合材料的导热性能表征与分析，并与材料的晶体结构、孔隙、界面等因素的相结合，将之反馈于高导热C/C复合材料的多层次结构设计和工艺参数的控制，建立高导热C/C复合材料工艺-结构-性能的关联性。④通过分析高导热C/C复合材料高温组织结构特征及其演变，研究高导热C/C复合材料导热性能随温度的变化规律，建立高导热C/C复合材料结构与其高温导热性能的相关性，并探索高导热C/C复合材料在服役环境

7、中使用的可行性。(3)炭/炭复合材料多相界面设计与表征评价①利用高分辨透射电镜、场发射高空间分辨透射电镜，场发射扫描电镜等显微分析手段，从微米尺度到纳米原子尺度研究表征各种炭-炭、炭-陶瓷以及炭-金属界面的原子结构及缺陷结构；电子能量损失谱(EELS)研究C/C复合材料相界面精细结构的电子结构；选择性制备截面电镜样品，以保证从宏观、介观到微观结构的对应观察。②利用纳米压痕法以及其它微尺度力学性能原