Vol 26 高等学校化学学报 No 6 2005年6月 CHEM CAL JOU RNAL OF CH N ESE UN NERSIT IES 1002-1005 以甲苯为前驱体化学液气相沉积法 制备碳/碳复合材料 王兰英,李贺军,卢锦花,白瑞成,郭领军,张秀莲 (西北工业大学碳/碳复合材料工程技术研究中心,西安710072) 摘要以甲苯为前驱体利用化学液气相沉积法,采用碳布叠层作预制体,于950℃下沉积9h制备了密度为 1.63g/am3的碳/碳复合材料用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和ⅹ射线粉末衍射(XRD)等手段对所 得的材料进行了组织结构分析,并测定了其力学性能实验结果表明,以甲苯为前驱体利用该方法可以制备 组织结构比较均匀的碳/碳复合材料用GCMS气相色谱质谱联用仪对甲苯热分解产物(不挥发成分)进行 了成分分析,提出了甲苯裂解制备碳/碳复合材料的初期热裂解机理和热缩聚机理 关键词碳/碳复合材料;化学液气相沉积法甲苯裂解机理 中图分类号TB332 文献标识码A 文章编号0251-0790(2005)06-1002-04 碳/碳复合材料是一类将多晶石墨和热解石墨的耐高温性与结构性能和复合材料构造设计固有的 多用途性相结合的独特高性能材料,是目前已知的惰性气氛下最为理想的高温结构材料,广泛应用于 航空航天、核能、军事及许多民用领域!我们多年来一直从事碳/碳复合材料的制备、性能及应用研 究传统的制备碳/碳复合材料方法有化学气相沉积法和化学液相浸渍法两种前者由于受气体扩 散控制,沉积速率很低,后者由于收缩作用和前驱体残碳率所限,需要多次浸渍与碳化循环因此, 般需要几百甚至上千小时才能得到高密度碳/碳复合材料,使成本居高不下,限制了其进一步推广应 用为此快速、高效、低成本制备碳/碳复合材料的研究成为人们研究的热点自从 Houdayer等利用 化学液气相沉积法制备碳/碳复合材料以来,这一方法得到了广泛关注许多研究者以环己烷或煤油 为前驱体采用此种方法制备了碳/碳复合材料8,但以甲苯为前驱体采用此种方法制备碳/碳复合材 料的硏究以及有关前驱体裂解生成热解碳的过程中所经历的初期热裂解过程和热缩聚过程的研究极少 见文献报道本文采用自行设计的化学液气相沉积反应装置,以甲苯为前驱体,以碳布叠层作预制体, 在较短时间内制备了密度较高、组织结构比较均匀的碳/碳复合材料,并对其组织结构和性能进行了 分析,提出了甲苯裂解制备碳/碳复合材料的初期热裂解机理和热缩聚机理 实验部分 11仪器与试剂 O lympus PM G3金相显微镜(日本); JEOL JSM-6460型扫描电子显微镜(日本);PANa!talX pert PRO X射线衍射仪(荷兰);8871伺服液压动态试验系统(美国 NSTRON公司);GC6890MS 5973色质联用仪(美国 AGLEN T公司) 预制体为3KPAN基平纹碳布,布厚0.2mm,吉林炭素厂;基体前驱体为甲苯,天津化学试剂六 12碳/碳复合材料的制备 制备装置如图1所示将预制体3KPAN基平纹碳布缠绕在石墨发热体周围,并固定在反应器底 部,加入基体前驱体甲苯,通N2气调节变频电源功率,控制加热速率,使石墨发热体温度达到 稿日期:2004-10-19 基金项目:国家自然科学杰出青年基金(批准号:50225210)资助 联系人简介:李贺军(1957年出生),男,教授,博士生导师,主要从事碳/碳复合材料制备、性能、仿真、模拟、抗氧化以及碳基生 物医用复合材料研究 Emait lhejun @npu edu cn 01994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHousealLrightsreservedhttp://n.cnki.ner© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 以甲苯为前驱体化学液气相沉积法 制备碳ö碳复合材料 王兰英, 李贺军, 卢锦花, 白瑞成, 郭领军, 张秀莲 (西北工业大学碳ö碳复合材料工程技术研究中心, 西安 710072) 摘要 以甲苯为前驱体利用化学液气相沉积法, 采用碳布叠层作预制体, 于 950 ℃下沉积 9 h 制备了密度为 1163 göcm 3 的碳ö碳复合材料. 用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM ) 和X 射线粉末衍射(XRD ) 等手段对所 得的材料进行了组织结构分析, 并测定了其力学性能. 实验结果表明, 以甲苯为前驱体利用该方法可以制备 组织结构比较均匀的碳ö碳复合材料. 用 GCöM S 气相色谱质谱联用仪对甲苯热分解产物(不挥发成分) 进行 了成分分析, 提出了甲苯裂解制备碳ö碳复合材料的初期热裂解机理和热缩聚机理. 关键词 碳ö碳复合材料; 化学液气相沉积法; 甲苯; 裂解机理 中图分类号 TB332 文献标识码 A 文章编号 025120790 (2005) 0621002204 收稿日期: 2004210219. 基金项目: 国家自然科学杰出青年基金(批准号: 50225210) 资助. 联系人简介: 李贺军(1957 年出生) , 男, 教授, 博士生导师, 主要从事碳ö碳复合材料制备、性能、仿真、模拟、抗氧化以及碳基生 物医用复合材料研究. E2m ail: lihejun@nwpu. edu. cn 碳ö碳复合材料是一类将多晶石墨和热解石墨的耐高温性与结构性能和复合材料构造设计固有的 多用途性相结合的独特高性能材料, 是目前已知的惰性气氛下最为理想的高温结构材料, 广泛应用于 航空航天、核能、军事及许多民用领域[1 ] . 我们多年来一直从事碳ö碳复合材料的制备、性能及应用研 究[2～ 4 ] . 传统的制备碳ö碳复合材料方法有化学气相沉积法和化学液相浸渍法两种. 前者由于受气体扩 散控制, 沉积速率很低, 后者由于收缩作用和前驱体残碳率所限, 需要多次浸渍与碳化循环. 因此, 一 般需要几百甚至上千小时才能得到高密度碳ö碳复合材料, 使成本居高不下, 限制了其进一步推广应 用. 为此快速、高效、低成本制备碳ö碳复合材料的研究成为人们研究的热点. 自从Houdayer 等[5 ]利用 化学液气相沉积法制备碳ö碳复合材料以来, 这一方法得到了广泛关注. 许多研究者以环己烷或煤油 为前驱体采用此种方法制备了碳ö碳复合材料[6～ 8 ] , 但以甲苯为前驱体采用此种方法制备碳ö碳复合材 料的研究以及有关前驱体裂解生成热解碳的过程中所经历的初期热裂解过程和热缩聚过程的研究极少 见文献报道. 本文采用自行设计的化学液气相沉积反应装置, 以甲苯为前驱体, 以碳布叠层作预制体, 在较短时间内制备了密度较高、组织结构比较均匀的碳ö碳复合材料, 并对其组织结构和性能进行了 分析, 提出了甲苯裂解制备碳ö碳复合材料的初期热裂解机理和热缩聚机理. 1 实验部分 1. 1 仪器与试剂 O lympus PM G3 金相显微镜(日本); JEOL JSM 26460 型扫描电子显微镜(日本); PAN alytical X′ pert PRO X 射线衍射仪(荷兰); 8871 伺服液压动态试验系统 (美国 IN STRON 公司); GC 6890 M S 5973 色质联用仪(美国A G IL EN T 公司). 预制体为 3K PAN 基平纹碳布, 布厚 012 mm , 吉林炭素厂; 基体前驱体为甲苯, 天津化学试剂六厂. 1. 2 碳ö碳复合材料的制备 制备装置如图 1 所示. 将预制体 3K PAN 基平纹碳布缠绕在石墨发热体周围, 并固定在反应器底 部, 加入基体前驱体甲苯, 通N 2 气. 调节变频电源功率, 控制加热速率, 使石墨发热体温度达到 Vol. 26 高 等 学 校 化 学 学 报 No. 6 2 0 0 5 年 6 月 CHEM ICAL JOU RNAL OF CH IN ESE UN IV ERSIT IES 1002～ 1005