CLVD法制备炭毡_炭复合材料_嵇阿琳

收稿日期:2001-05-14; 修回日期:2001-08-21

作者简介:嵇阿琳(1973-),女,河南灵宝人,硕士,主要从事C P C 复合材料的研究工作。电话:029-*******,E -mail:gxsjal@

文章编号: 1007-8827(2002)04-0041-04

CLVD 法制备炭毡P 炭复合材料

嵇阿琳, 霍肖旭, 马伯信

(中国航天科技集团公司四院四十三所,陕西西安 710025)

摘 要: 用化学液气相沉积法(CLVD)制备了炭毡P 炭复合材料,用电镜扫描(SEM )观察了材料的微观结构,并分析了预制件内部温度梯度的建立过程,结果表明:该法制备的炭毡P 炭复合材料致密均匀、结构理想,其预制体内部温度梯度的大小与前驱体的沸点有关。

关键词: C P C 复合材料;CLVD ;SEM ;温度梯度中图分类号: TB 332 文献标识码: A

1 前言

炭P 炭(C P C)复合材料由炭纤维增强体和基体炭

两部分组成[1]

,具有优越的热力学性能,如高强高模性、热稳定性、高导热导电能力、低密度、低热膨胀系数、耐烧蚀、耐腐蚀、摩擦系数稳定等特点,尤其随温度升高依然保持其室温力学性能的特点,使之在现代宇航工业中具有广泛的应用,是研制新一代战略战术武器的理想选材。但制备C P C 复合材料的传统工艺烦琐,周期长,造成了材料成本的居高不下,寻求快速高效的致密方法是材料研究人员的当务之急。

化学液气相沉积法(Chemical vapor -liquid depo -sition,简称CLVD),是一种快速高效的新型工艺,它能在8h 内将D 330mm (外径)@D 180mm (内径)@15mm 的C P C 刹车片致密到均匀密度1.85g P c m 3

,将致密速率提高了两个数量级[2]

。目前,世界上只有

美、法两个国家在这一领域取得了较大成就[3,4]

。四十三所积极跟踪世界先进科技,建立了沉积设备,进行了有益的工艺探索,并制备出了性能理想的炭毡P 炭复合材料和炭布层叠2D C P C 复合材料

[5,6]

。

2 实验

2.1 原材料

前驱体:煤油,复杂的烃类混合物,分子式C 10H n ~C 16H m ,沸程180e ~310e ,导热系数0.12W P (m.K),相对密度0.8。

增强体:整体炭毡,0.2g P cm 3

;平板毡,

0.12g P cm 3

。

2.2 制备过程及实验条件

沉积温度:900e ~1200e

沉积压力:微正压

保护气氛:N 2,流量30L P h~120L P h

沉积装置:电阻加热炉

将装好预制件的发热体装炉以后,从加料罐内往炉腔中加入煤油。由于氮气与空气比重相当,故在送电升温前,先通比空气重的氩气置换炉中空气,时间依氩气流量而定。实验过程一直通氮气保护,直到炉温降至室温。炉内煤油消耗完即断电停炉。

3 结果分析

3.1 制品外观

平板毡为预制件的制品在950e 下沉积3h 以后,在周向靠近套筒的区域发硬,密度较大,离套筒远的区域与原始平板毡相比稍微有点发硬。平板毡的上表面较下表面颜色白,即整体来说上表面沉积炭较下表面多。这种现象应该是沉积后期预制件上表面较下表面在气体中暴露的时间长所致。如果能连续供料,且沉积区温度均匀的话,预制件上下表面沉积炭含量应该一致。

3.2 SEM 观察

扫描电子显微镜(SEM)有较高的分辨率,对样品尺寸要求较宽,能给出各个方向的完整形貌,是分析复合材料结构的有力工具。

图1是快速制备炭毡P 炭复合材料的低倍电镜照片。照片中的纤维杂乱无章,高度无序,还有许多

第17卷2002年 第1期3月 新 型 炭 材 料NEW C ARB ON MATERIALS

Vol.17 No.1

Mar.2002

纤维拔出的沟槽。沉积炭与纤维之间的连接主要是物理/镶嵌0和/针扎0结构,化学结合少,大部分都是物理填充和堆积,故纤维和基体界面结合弱。纤维之间的孔隙基本被填满,

致密比较均匀。

图1 炭毡试样的低倍电镜照片Fig.1 The SEM of carbon felt s ample

图2 炭毡纤维基体炭的生长(720@)Fig.2 The growth structure of deposition carbon

around fibre of carbon felt

图2a 是炭毡纤维周围基体炭的生长情况,基体炭围绕纤维呈同心圆层状排列,径向生长28L m 。

当纤维与纤维的距离太近时,这个值便不能保持。

两根纤维间距离小于一定值,沉积时基体首先分别以两根纤维为中心沉积,两根纤维间的空隙被基体填满以后,就会把这两根纤维当作一个沉积中心进行沉积,图2b 就是这样的。

图3所示的照片中,沉积后的纤维轴向有许多小疙瘩,一般称之为生长锥。生长锥的存在应归功于炭纤维表面的粗糙度,每层基体之间都是这样的。断裂时基体炭呈阶梯状。由于内层基体与纤维接近,结合力大,部分应力转移到纤维上,由纤维承担。从而外层基体首先断裂,形成图4所示的阶梯状。

图3 炭毡纤维沉积后的轴向照片

Fig.3 The axis microphotograph of fibre in carbon felt after depos ition

图4 炭毡纤维沉积后的断裂情况

Fig.4 The fracture section microphotograph in fibre of

carbon felt after depos ition

3.3 升温曲线

升温制度是影响工艺实验成败的关键。合理的升温制度是制备C P C 复合材料的前提条件。制定升温制度必须考虑以下几项因素:¹沉积前驱体的气化、裂解情况;º沉积炉的蓄热、保温、散热等;»前驱体与预制件的量;¼环境温度。在未知前驱体裂解的情况下,可通过其不同的升温曲线了解前驱

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