瀝青基炭纖維表面改性及炭-炭復(fù)合材料性能的研究.pdf

1、多晶石墨密度小、強(qiáng)度高，耐燒蝕和高溫力學(xué)性能良好，被廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動機(jī)的喉襯材料和火箭發(fā)動機(jī)尾噴管等部件。但其內(nèi)部孔隙裂紋和低的表面斷裂功導(dǎo)致性脆易產(chǎn)生應(yīng)力失效，因此一般采用炭纖維增強(qiáng)，提高強(qiáng)度和韌性。為防止制作過程或高溫使用中炭纖維高溫氧化，必須采用瀝青基炭纖維作為增強(qiáng)體。本文采用超聲波分散、模壓成型、高溫石墨化制備了短切瀝青基炭纖維增強(qiáng)炭復(fù)合材料(簡稱炭/炭復(fù)合材料)，并對分散時間、成型溫度、成型壓力對密度的影響及密度對材料力學(xué)性

2、能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：瀝青基炭纖維在基體中隨機(jī)取向，均勻地分散在基體中；隨著超聲波處理時間的增長，炭/炭復(fù)合材料密度增大而密度數(shù)據(jù)的分散性減小，密度隨成型壓力和溫度的增加而增加，力學(xué)性能隨密度的增加而提高，密度對抗壓強(qiáng)度的影響比彎曲強(qiáng)度更大。 本文研究了炭/炭復(fù)合材料纖維體積含量和石墨化度對材料性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)瀝青基炭纖維體積含量小于7％時，隨著瀝青基炭纖維體積含量的增加，炭/炭復(fù)合材料的力學(xué)性能逐漸提高，高于7

3、％時力學(xué)性能降低；隨著石墨化度的增大，炭/炭復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著降低，瀝青基炭纖維增強(qiáng)作用下降；炭/炭復(fù)合材料的石墨化度對材料的抗氧化性影響顯著。 針對瀝青基炭纖維表面惰性，不易被瀝青浸潤的特點(diǎn)，本文分別采用γ-射線輻照和臭氧氧化法對瀝青基炭纖維表面改性，采用AFM、XPS研究了表面改性后瀝青基炭纖維表面結(jié)構(gòu)的變化；利用浸潤儀測定了改性前后瀝青基炭纖維表面能的變化；瀝青基炭纖維表面改性對炭/炭復(fù)合材料孔隙率、抗氧化性能、吸濕性

4、能和力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，并用SEM分析了炭/炭復(fù)合材料斷口形貌。結(jié)果表明：表面改性使炭纖維表面含氧官能團(tuán)增加，提高了瀝青基炭纖維的表面能，從而降低了炭/炭復(fù)合材料孔隙率，提高了炭/炭復(fù)合材料抗氧化性能和力學(xué)性能；炭/炭復(fù)合材料的孔隙率和炭材料對水的浸潤能力同時影響吸濕性能。 采用XRD研究空氣中輻照是否導(dǎo)致瀝青基炭纖維內(nèi)部微晶結(jié)構(gòu)的改變，瀝青基炭纖維的002晶面的X射線衍射曲線表明，γ-射線輻照的瀝青基炭纖維與未輻射瀝青基

5、炭纖維的衍射曲線相近，晶型基本未發(fā)生改變，說明輻照對瀝青基炭纖維的平均微晶厚度(Lc)和微晶尺寸(La)影響很小。 為研究空氣中輻照是否導(dǎo)致瀝青基炭纖維表面微晶結(jié)構(gòu)的改變，采用Raman分析輻照前后瀝青基炭纖維表面，研究結(jié)果表明：經(jīng)γ-射線輻照之后，IG/ID減少，表面石墨微晶尺寸(La)減少，石墨片層邊緣的活性碳原子增加，表面趨于非晶無序化。 TEM研究結(jié)果表明：經(jīng)過輻照改性處理后，瀝青基炭纖維表層晶粒尺寸減少，晶體結(jié)