王兰英等:以甲苯为前驱体化学液气相沉积法制备碳/碳复合材料 950℃,在此温度下恒温3h,然后调小加热功率缓 E Reaction gases outlet 慢降至室温,重复通氮气-调节加热功率、升温-恒 Cooling sysTem 温降至室温这一过程2次,沉积9h在沉积过程mwe口 中,甲苯剧烈沸腾并气化,一部分气化的甲苯经冷 却系统冷凝返回到反应器内,另一部分气化的甲苯 开始在与石墨发热体紧邻的碳布叠层预制体内发生 裂解反应,并生成热解碳沉积在此处随着裂解反 Inductor raphite cylinder 应的继续进行,此薄层内碳布的纤维束内及束间空 隙内的热解碳相互接触并密实,纤维及热解碳基体 Fi 1 Exper inen taI set-up 的传热导电能力增强,此时密度相对高的此薄层的温度已接近或等同石墨发热体的温度,即此薄层可 充当发热体,沉积带前沿可向外推移,直至预制体的外边沿,最终得到碳/碳复合材料,其密度和弯曲 性能列于表1 Table I The flexural properties of stra tum carbon cloth 2D C/c cam posites Serial num ber 2 Bulk density,A/(g·am3) 1.63 Flexural strength, aM Pa 13组织结构及性能的测试 131组织结构观察将试样经粗磨、细磨和抛光后置于 O lympus PM G3金相显微镜上用正交偏光 进行观察,分析试样中热解碳的组织结构和生长特征并在 JEOL JSM-6460型扫描电子显微镜上观察 试样的微观组织形貌 132X射线粉末衍射测试将沉积态试样及于不同温度处理后的试样加工成400目的粉末,在 PAN alytical X pert PRO X射线衍射仪上测其衍射图谱 133弯曲强度测试试样尺寸为55mm×10mm×4mm,在8871伺服液压动态试验系统上测试材 料的三点弯曲性能,沿碳布叠层垂直方向加载,跨距为40mm,测试速度为0.5mmhn 2结果与讨论 21碳/碳复合材料的微观结构特征 由碳/碳复合材料的偏光显微组织结构(图2)可看到(1)在正交偏光显微镜下,围绕着纤维的基 体是亮的,为各向异性区,纤维呈灰黑色为各向同性(2)纤维横截面或轴向方向上的基体有许多生 长锥,(3)已致密层内热解碳填充的比较均匀由碳/碳复合材料的扫描电镜组织形貌[图3(A)J可见, 在碳布层间、纤维束间及束内仍有孔隙存在碳/′复合材料的制备方法不同,可得到不同组织类型的 热解碳基体,主要有光滑层组织(SL)、粗糙层组织(RL)和各向同性碳(ISO)3种或其混合形式!由 图2可见,纤维束内和束间主要以SL组织为主,在纤维束间大孔隙内出现了呈锥形和较大的热解碳 生长结构,偏光下,十字消光较完整,组织平滑从图2(B)和(C)能观察到锥表面的层状结构从 Fig 2 Polarized light m icrographs Fi 3 SEM m icrographs of of 2D-C/C com posites c1994-2010chinaAcademicJournalELectronicPUblishingHouseAllrightsresened.http://nnr.cnki.ner© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net Fig. 1 Exper imen ta l set-up 950 ℃, 在此温度下恒温 3 h, 然后调小加热功率缓 慢降至室温, 重复通氮气2调节加热功率、升温2恒 温2降至室温这一过程 2 次, 沉积 9 h. 在沉积过程 中, 甲苯剧烈沸腾并气化, 一部分气化的甲苯经冷 却系统冷凝返回到反应器内, 另一部分气化的甲苯 开始在与石墨发热体紧邻的碳布叠层预制体内发生 裂解反应, 并生成热解碳沉积在此处. 随着裂解反 应的继续进行, 此薄层内碳布的纤维束内及束间空 隙内的热解碳相互接触并密实, 纤维及热解碳基体 的传热导电能力增强, 此时密度相对高的此薄层的温度已接近或等同石墨发热体的温度, 即此薄层可 充当发热体, 沉积带前沿可向外推移, 直至预制体的外边沿, 最终得到碳ö碳复合材料, 其密度和弯曲 性能列于表 1. Table 1 The flexura l properties of stra tum carbon cloth 2D CöC composites Serial num ber 1 2 3 4 Bulk density, ΘBö(g·cm - 3 ) 1160 1161 1162 1163 Flexural strength, ΡFöM Pa 4613 4811 5516 6315 1. 3 组织结构及性能的测试 1. 3. 1 组织结构观察 将试样经粗磨、细磨和抛光后置于O lympus PM G3 金相显微镜上用正交偏光 进行观察, 分析试样中热解碳的组织结构和生长特征. 并在JEOL JSM 26460 型扫描电子显微镜上观察 试样的微观组织形貌. 1. 3. 2 X 射线粉末衍射测试 将沉积态试样及于不同温度处理后的试样加工成 400 目的粉末, 在 PAN alytical X′pert PRO X 射线衍射仪上测其衍射图谱. 1. 3. 3 弯曲强度测试 试样尺寸为 55 mm ×10 mm ×4 mm , 在 8871 伺服液压动态试验系统上测试材 料的三点弯曲性能, 沿碳布叠层垂直方向加载, 跨距为 40 mm , 测试速度为 015 mm öm in. 2 结果与讨论 2. 1 碳ö碳复合材料的微观结构特征 由碳ö碳复合材料的偏光显微组织结构(图 2) 可看到: (1) 在正交偏光显微镜下, 围绕着纤维的基 体是亮的, 为各向异性区, 纤维呈灰黑色为各向同性; (2) 纤维横截面或轴向方向上的基体有许多生 长锥; (3) 已致密层内热解碳填充的比较均匀. 由碳ö碳复合材料的扫描电镜组织形貌[图 3 (A ) ]可见, 在碳布层间、纤维束间及束内仍有孔隙存在. 碳ö碳复合材料的制备方法不同, 可得到不同组织类型的 热解碳基体, 主要有光滑层组织(SL )、粗糙层组织(RL ) 和各向同性碳( ISO ) 3 种或其混合形式[9 ] . 由 图 2 可见, 纤维束内和束间主要以 SL 组织为主, 在纤维束间大孔隙内出现了呈锥形和较大的热解碳 生长结构, 偏光下, 十字消光较完整, 组织平滑. 从图 2 (B) 和 (C) 能观察到锥表面的层状结构. 从 Fig. 2 Polar ized l ight m icrographs of 2D -CöC composites Fig. 3 SEM m icrographs of 2D -CöC composites No. 6 王兰英等: 以甲苯为前驱体化学液气相沉积法制备碳ö碳复合材料 1003