原位催化炭化法制備炭-炭復合材料.pdf

1、炭/炭（C/C）復合材料是一種低密度、耐腐蝕、抗燒蝕和優(yōu)異的高溫力學性能的高性能復合材料?，F(xiàn)行制備工藝以化學氣相沉積或滲透法和液相浸漬-炭化法為主。但是，這兩種方法在致密化過程中炭質前驅體的聚合、裂解反應活化能較高，需要在高溫下（不小于750℃）進行，導致對于炭源的熱解脫氫、炭化沉積致密化行為的控制有一定的困難，因而存在耗能高、費時、工藝較為復雜等缺陷，進而制備成本也較高。因此，開發(fā)出快速低成本的新路線制備C/C復合材料，對于擴大C/C

2、復合材料的應用領域至關重要。
　　本文發(fā)展了一種低成本且簡單易行的新工藝———催化炭化工藝，主要以煤焦油作為炭質前驅體，路易斯酸無水三氯化鋁（AlCl3）作為催化劑來制備C/C復合材料。通過掃描電子顯微鏡、偏光顯微鏡、透射電子顯微鏡、激光共焦拉曼光譜、X射線晶體衍射儀、元素分析儀、熱重分析儀、萬能材料試驗機等手段對樣品的微觀結構、光學織構、微晶參數(shù)、元素組成、炭化收率和力學性能（彎曲，壓縮，層間剪切及斷裂韌性）等性質進行分析，并得

3、出了以下主要結論：
　?。?）在較高溫度下，AlCl3對煤焦油的炭化行為產生了重要的影響。它能夠加速煤焦油中多環(huán)芳烴的熱縮聚，增加產物中甲苯不溶物的含量，形成大分子量的大平面芳環(huán)結構，從而大大地提高了煤焦油的聚合程度，同時產生了明顯的脫氫效應，使得產物中的氫碳原子比值明顯下降，因而提高了產品的炭化收率，特別是400℃下得到的催化炭的炭化收率達到了95％以上。
　?。?）由煤焦油經過催化炭化后得到的催化炭表現(xiàn)為呈鑲嵌型結構的各

4、向同性光學織構，并且AlCl3在催化炭中的微觀分布影響了其晶體結構，濃度較高處的炭具有較高的石墨化度。
　?。?）利用催化炭化工藝能夠成功地制備出C/C復合材料。同時，采用交替催化炭化結合高溫熱處理復合工藝可以進一步提高致密化效率，并且隨著致密化次數(shù)的增加，C/C復合材料的開孔率降低，密度逐步提高。
　?。?）催化炭化法制備的C/C復合材料的炭化程度較高，其炭化收率能達到91.78%，并且其微晶尺寸大于經過熱處理后的C/C復

5、合材料，其最大的特點表現(xiàn)為彎曲斷裂性能，它呈現(xiàn)出假塑性斷裂模式，其斷裂韌性KIC高達14.93MPa·m1/2。
　　（5）不同的致密化工藝、浸漬劑和密度會對C/C復合材料的力學性能產生影響。由催化炭化+高溫熱處理復合工藝制備的C/C復合材料的彎曲強度和橫向壓縮強度明顯低于連續(xù)催化炭化工藝制備的復合材料；采用催化炭化+中間相瀝青浸漬-炭化工藝制備的C/C復合材料具有較好的力學性能；密度越高的C/C復合材料，其彎曲強度越高。