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1、LOGO严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。中南大学粉末冶金研究院中南大学粉末冶金研究院二二OOOO九年七月九年七月 高性能炭高性能炭/ /炭复合材料炭复合材料严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。提纲提纲炭/炭复合材料及其应用1炭/炭复合材料的制备2炭/炭复合材料的结构与性能35炭/炭复合材料的研究前沿4炭/炭复合材料快速CVI致密化技术严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事
2、件。 1 C/C1 C/C复合材料及其应用复合材料及其应用复合材料及其应用复合材料及其应用 C/C复合材料是一种炭纤维增强炭基体的复合材料是一种炭纤维增强炭基体的先进复合材料。先进复合材料。低密度低密度(约约1.8 g/cm3) 高比强高比强/比模比模耐高温耐高温(3000)摩擦磨损性能优异摩擦磨损性能优异性能特点性能特点10m炭纤维炭纤维基体炭基体炭孔隙孔隙严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。炭是难熔材料炭是难熔材料, ,石墨的熔点高达石墨的熔点高达41774177。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规
3、章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。优异的高温力学性能优异的高温力学性能严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。C/CC/CC/CC/C材料应用现代交通材料应用现代交通材料应用现代交通材料应用现代交通 C/C复合材料质轻、摩擦磨损性能优异，是飞机、高速列车、磁悬浮列车、赛车等现代交通工具最新一代制动材料。 飞机用制动盘飞机用制动盘与金属基相比，与金属基相比，C/C 使波音使波音757减重减重550Kg刹车副寿命提高刹车副寿命提高5 6倍倍高速列车高速列车高速列车高速列车磁悬浮列车磁悬浮列车磁悬浮列
4、车磁悬浮列车赛车赛车赛车赛车严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 C/CC/CC/CC/C材料应用大型制造业材料应用大型制造业材料应用大型制造业材料应用大型制造业工业热处理炉工业热处理炉工业热处理炉工业热处理炉大型化工大型化工大型化工大型化工热结构热结构耐蚀耐蚀耐热耐热支架支架支架支架 C/C复合材料耐热、耐腐蚀，广泛应用于现代大型工业加热、化工等领域。雾化管管片喷嘴支架蝶架圆衬管叶轮反应塔反应塔反应塔反应塔换热器换热器换热器换热器发热体发热体发热体发热体严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及
5、时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 C/CC/CC/CC/C材料应用国家大型核能工程材料应用国家大型核能工程材料应用国家大型核能工程材料应用国家大型核能工程 C/C复合材料具有抗强辐射、耐等离子体冲刷、高导热等优异综合性能，是“国家大科学工程聚变实验装置” 先进第一壁材料。热核反应实验堆热核反应实验堆C/C严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 C/CC/CC/CC/C材料应用航天工程材料应用航天工程材料应用航天工程材料应用航天工程运载火箭发动机喷管运载火箭发动机喷管 C/C复合材料具有十分优异的耐高温、抗
6、烧蚀性能，是火箭发动机喷管、翼缘、鼻锥等关键部件的首选材料。C/C 可可使使运运载载火火箭箭发发动动机机承受温度提升至承受温度提升至3000以上以上结构重量减轻结构重量减轻30 50%严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 C/CC/CC/CC/C材料应用现代国防建设材料应用现代国防建设材料应用现代国防建设材料应用现代国防建设没有高性能没有高性能C/C复合材料，就没有现代化的国防复合材料，就没有现代化的国防相比于钨渗铜相比于钨渗铜结构重量减轻结构重量减轻80% 射程显著增加射程显著增加导弹发动机喷管导弹发动机喷管导弹发动
7、机喷管导弹发动机喷管发动机燃烧室发动机燃烧室发动机燃烧室发动机燃烧室高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件高超声速飞行器部件严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。战略、战术导弹炭战略、战术导弹炭战略、战术导弹炭战略、战术导弹炭/ / / /炭复合材料推进系统炭复合材料推进系统炭复合材料推进系统炭复合材料推进系统重量减轻重量减轻80% 射程显著增加射程显著增加过渡环喉衬扩散段严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行
8、为或突发事件。其它应用领域其它应用领域其它应用领域其它应用领域l 高温热防护l 半导体工业l 热压模具严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 2 C/C2 C/C复合材料的制备复合材料的制备复合材料的制备复合材料的制备碳纤维预制体化学气相沉积 （CVD或CVI）热固性树脂浸渍、固化沥青浸渍碳化9001500C/C复合材料碳化1000石墨化处理（21002800）C/C复合材料反复多次严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。坯体的制备坯体的制备致密化致
9、密化石墨化石墨化抗氧化涂层抗氧化涂层C/CC/C复合材料制备的关键技术复合材料制备的关键技术严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。坯体的制备坯体的制备炭纤维针刺整体毡炭纤维针刺整体毡(0o/90o，0.550.05g/cm3)0.30.10.70.1细编穿刺毡细编穿刺毡严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。热解炭的化学气相沉积或渗透热解炭的化学气相沉积或渗透 CVI工艺工艺是把炭纤维预制体置于专用的是把炭纤维预制体置于专用的CVI炉中，加热至要求的
10、温度，炉中，加热至要求的温度，通入碳源气（通入碳源气（CH4、C2H4、C3H6、C3H8）这些气体热解并在炭纤维上）这些气体热解并在炭纤维上沉积炭，以填充多孔预制体中的孔隙。沉积炭，以填充多孔预制体中的孔隙。 它是高性能炭它是高性能炭/炭材料实现增密的炭材料实现增密的首选工艺。首选工艺。致密化致密化严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。热壁式热壁式CVI冷壁式冷壁式CVI热解炭的化学气相沉积热解炭的化学气相沉积是指含碳气体是指含碳气体(主要是烃类主要是烃类气体气体)发生发生复杂的热解化学反应复杂的热解化学反应并在基体表
11、面生成固体并在基体表面生成固体炭的过程。炭的过程。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1atm和不同温度下烃分子、氢气、石墨、和不同温度下烃分子、氢气、石墨、 C60和无定形碳的吉布斯自由能比较和无定形碳的吉布斯自由能比较严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。从甲烷生成从甲烷生成C2的主要化学反应路线的主要化学反应路线(1100，10kPa)严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发
12、事件。1. 1. 生成生成C2H6C2H6和和H2H2的初级反应的初级反应CH4CH3+HCH4CH3+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H22CH3C2H62CH3C2H6总反应为总反应为 2CH4C2H6+H22CH4C2H6+H22. C2H62. C2H6的次级反应的次级反应CH3+C2H6CH4+C2H5CH3+C2H6CH4+C2H5C2H5C2H4+HC2H5C2H4+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2可逆（单分子）反应为可逆（单分子）反应为C2H62CH3C2H62CH3总反应为总反应为 C2H6C2H4+H2C2H6C2H4+H23. C2H43. C2H
13、4的次级反应的次级反应CH3+C2H4CH4+C2H3CH3+C2H4CH4+C2H3C2H3C2H2+HC2H3C2H2+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2总反应为总反应为 C2H4C2H2+H2C2H4C2H2+H2自由基链的甲基化自由基链的甲基化CH3CH3C2H4n-C3H7C2H4n-C3H7n n-C3H7C3H6+H-C3H7C3H6+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2总反应为总反应为 C2H4C2H4+CH4C3H6+H2+CH4C3H6+H2甲烷热解的部分基元化学反应甲烷热解的部分基元化学反应严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做
14、到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4. C2H24. C2H2的次级反应的次级反应CH3+C2H2CH4+C2HCH3+C2H2CH4+C2HC2HC2+HC2HC2+H自由基链的甲基化为自由基链的甲基化为CH3+C2H2CH3CHCHCH3+C2H2CH3CHCHCH3CHCHCH3CCH+HCH3CHCHCH3CCH+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2总反应为总反应为 C2H2+CH4CH3CCH+H2C2H2+CH4CH3CCH+H25. C3H65. C3H6的次级反应的次级反应CH3+C3H6CH4+C3H5CH3+C3H6CH4+C3H5C3H5CH2
15、CCH2+HC3H5CH2CCH2+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2总反应为总反应为 C3H6CH2CCH2+H2C3H6CH2CCH2+H2自由基链的甲基化为自由基链的甲基化为CH3+C3H6CH3CH2CHCH3CH3+C3H6CH3CH2CHCH3CH3CH2CHCH3CH3CH2CH=CH2+HCH3CH2CHCH3CH3CH2CH=CH2+HCH4+HCH3+H2CH4+HCH3+H2总反应为总反应为 C3H6+CH4CH3 C3H6+CH4CH3 CH2CH=CH2+H2CH2CH=CH2+H2严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制
16、止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。烃类气体烃类气体芳香烃和多芳香烃和多环芳香烃环芳香烃固体炭颗粒固体炭颗粒气相热解气相形核烃类气体烃类气体表面吸附表面化学反应与表面脱附非均匀形核热解炭热解炭均气相反应均气相反应气气固两相反应固两相反应严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。表面扩散表面扩散表面化学反应表面化学反应均气相化学反应均气相化学反应基体表面基体表面气气固相边固相边界层界层沉积速率沉积速率曲线曲线热解炭热解炭延长气相滞留时间延长气相滞留时间热解炭的化学气相沉积是复杂的均气相化学反应热解炭的化学气相沉积是复杂的均气
17、相化学反应和气和气固表面化学反应相互竞争作用的结果。固表面化学反应相互竞争作用的结果。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。l 反应气体进入反应室；反应气体进入反应室；l 反应气体扩散进入预制纤维多孔体；反应气体扩散进入预制纤维多孔体；l 反应气体分子吸附在纤维表面；反应气体分子吸附在纤维表面；l 吸附分子热解成炭；吸附分子热解成炭；l 气相副产物分子脱附并扩散排出多孔体；气相副产物分子脱附并扩散排出多孔体；l 气相副产物排出反应室气相副产物排出反应室。 l 气体分子可以在固体表面上发生物理吸附和化学吸附。气体分子可以在
18、固体表面上发生物理吸附和化学吸附。l 物理吸附是高度可逆的过程，气体分子在固体表面的物理吸附随温度物理吸附是高度可逆的过程，气体分子在固体表面的物理吸附随温度的升高迅速减弱。的升高迅速减弱。l 化学吸附是气体分子和固体表面的原子发生的成键作用，化学键的形化学吸附是气体分子和固体表面的原子发生的成键作用，化学键的形成对固体表面和气体分子双方都具有选择性。成对固体表面和气体分子双方都具有选择性。l 气体分子在固体表面的化学吸附随温度的升高而增强，并且当发生脱气体分子在固体表面的化学吸附随温度的升高而增强，并且当发生脱附时，往往有新物质生成。附时，往往有新物质生成。气体分子在固体表面的吸附：气体分子
19、在固体表面的吸附：整个整个CVICVI过程可分步骤表述如下过程可分步骤表述如下 ： 炭材料表面的炭材料表面的活性位是指某种气体活性位是指某种气体组分能够在上面发生组分能够在上面发生化学吸附的碳原子。化学吸附的碳原子。 活性碳原子都有活性碳原子都有未饱和的未饱和的SPSP单电子或单电子或者空的成键轨道。者空的成键轨道。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1. 在在1100和和10kPa压强条件下，甲烷和氢气分子的平均自由程分别压强条件下，甲烷和氢气分子的平均自由程分别为为2.53m和和5.83m。根据气体分子运动的平均自
20、由程与孔直径的差别。根据气体分子运动的平均自由程与孔直径的差别大小，由浓度梯度引起的气体分子在多孔体内的扩散，可分为分子扩大小，由浓度梯度引起的气体分子在多孔体内的扩散，可分为分子扩散（散（Fick diffusion）和努森扩散（）和努森扩散（Knudsen diffusion）两种。分子）两种。分子扩散通过气体分子之间的碰撞进行，努森扩散通过气体分子与孔壁的扩散通过气体分子之间的碰撞进行，努森扩散通过气体分子与孔壁的碰撞进行。碰撞进行。2. 通过通过CVI 在炭纤维多孔预制体内部沉积热解炭的开始阶段，孔的直在炭纤维多孔预制体内部沉积热解炭的开始阶段，孔的直径一般都在数百微米，此时分子扩散是
21、气体输运的主要方式；到了径一般都在数百微米，此时分子扩散是气体输运的主要方式；到了CVI的后期，孔的平均直径下降到的后期，孔的平均直径下降到10m以下，此时努森扩散成为主要的气以下，此时努森扩散成为主要的气体输运方式。体输运方式。3. 由于努森扩散系数远远小于分子扩散系数，由于努森扩散系数远远小于分子扩散系数，在在CVI的后期，热解炭在的后期，热解炭在坯体内部的沉积变得异常缓慢，这是等温等压坯体内部的沉积变得异常缓慢，这是等温等压CVI技术致密化周期长技术致密化周期长、相对密度很难快速提高的重要原因。相对密度很难快速提高的重要原因。CVICVI工艺的局限性工艺的局限性严格执行突发事件上报制度、
22、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。复合增密复合增密C/CC/C材料的偏光显微结构材料的偏光显微结构炭纤维炭纤维热解炭热解炭树脂炭树脂炭严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。碳的晶体结构碳元素的原子序号为6，碳原子的6个基本电子的轨道为1S22S22P2。由于在最多可容纳10个电子的L壳层只有4个电子，因此，邻近碳原子间很容易通过2S和2P轨道间的杂化形成和两种
23、强共价键。根据电子杂化方式的不同， 碳原子可呈现SP3，SP2，SP等不同的杂化价态，并可形成不同的炭的同素异型体如金刚石、石墨、富勒烯等。 3 C/C3 C/C复合材料的结构与性能复合材料的结构与性能复合材料的结构与性能复合材料的结构与性能利用含碳气体发生的气相化学反应和表面利用含碳气体发生的气相化学反应和表面反应技术可以制备碳的所有同素异形体。反应技术可以制备碳的所有同素异形体。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。成键轨道成键轨道杂化轨道杂化轨道（orbital hybridization ）Carbon 12.0
24、12.26 C 6 1s22s22p23.574300 18602s1 2p1orbital hybridizationsp2sp3In a planeIn 3D3.1碳的晶体结构碳的晶体结构严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。金刚石晶体结构金刚石晶体结构 Bond: sp3ABCcd0Diamond严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。石墨平面结构石墨平面结构SP2ABAcGraphite石墨晶体结构石墨晶体结构 严格执行突发事件上报制度、校外
25、活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。C60晶体Fullerenes (C60)严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 除了几种结晶形态外，碳的另一类同素异形体为除了几种结晶形态外，碳的另一类同素异形体为无定型碳。无定形碳一般多指炭黑、木炭、活性炭等。无定型碳。无定形碳一般多指炭黑、木炭、活性炭等。实际上它们并非真正的无定形碳，而是属于微晶碳，实际上它们并非真正的无定形碳，而是属于微晶碳，其成键轨道为其成键轨道为spsp2 2 + sp + sp3 3。在结晶形碳和无定形碳之间
26、，存在着大量的过渡在结晶形碳和无定形碳之间，存在着大量的过渡态碳，它是无定形碳向晶形碳过渡的中间产物，其结态碳，它是无定形碳向晶形碳过渡的中间产物，其结构属构属乱层石墨结构乱层石墨结构。无定形碳和过渡态碳无定形碳和过渡态碳严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 碳结构Franklin 模型 无定形炭及过渡态炭的石墨化无定形炭及过渡态炭的石墨化炭的晶体结构还与原材料密切相关。Franklin将炭分成易石墨化炭和难石墨化炭，以及介于两者之间的部分易石墨化炭。如右图所示： 碳结构石墨化随高温处理温度的变化 炭/炭复合材料的重要
27、组元CVD热解炭属于乱层堆积的六方晶碳型，缺乏晶体结构的三维有序排列。经适当高温处理，热解炭内部可产生一种石墨晶体结构，其晶体结构随高温处理温度变化的示意图如左图所示。石墨化石墨化通过加热的方式把热力学非稳定态的炭材通过加热的方式把热力学非稳定态的炭材料转变为稳态的石墨的过程。料转变为稳态的石墨的过程。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。3.2炭炭/炭复合材料的显微结构炭复合材料的显微结构粗糙层粗糙层(RL)(RL)结构结构各向同性各向同性(ISO)(ISO)结构结构光滑层光滑层(SL)(SL)结构结构偏偏光光显显微微
28、照照片片严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。(a) CFSLRL (b) CFRLSL (c) CFSLRLSL(a) CFSLRL (b) CFRLSL (c) CFSLRLSL 三种典型的带状结构三种典型的带状结构PyCPyC严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。场场发发射射高高分分辩辩S SE EM MRLRL结构结构SLSL结构结构ISOISO结构结构严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理
29、各类违纪行为或突发事件。(002)(002)面高分辩晶格条纹像面高分辩晶格条纹像R RL L结结构构S SL L结结构构I IS SO O结结构构严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。3.3炭炭/炭复合材料结构的观察与表征炭复合材料结构的观察与表征 偏光显微镜偏光显微镜 场发射高分辨扫描电镜（场发射高分辨扫描电镜（SEMSEM） 透射电镜（透射电镜（TEMTEM） 拉曼光谱拉曼光谱 X X射线衍射（射线衍射（X
30、RD)XRD)热解炭结构的五热解炭结构的五个层次：个层次：1.1.碳原子结构（碳原子结构（SP2SP2、SP3SP3杂化杂化轨道）轨道）2.2.乱层结构（乱层结构（LaLa、LcLc、d002)d002)3.3.乱层结构组织（乱层结构组织（L1L1、L2L2、d002)d002)4.4.织态结构织态结构5.5.宏观结构宏观结构严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。（1 1） 炭材料由许多大小不同的石墨烯（平面大小用炭材料由许多大小不同的石墨烯（平面大小用L L1 1和和LaLa表征）组成，石墨烯表征）组成，石墨烯内部和层
31、间几乎不存在任何缺陷，因而保持完整的平面结构；内部和层间几乎不存在任何缺陷，因而保持完整的平面结构；（2 2） 石墨烯之间相互联结形成连续的芳香碳平面，在石墨烯联结的区域都含有石墨烯之间相互联结形成连续的芳香碳平面，在石墨烯联结的区域都含有许多缺陷（五元环、空穴、杂原子和层间缺陷等），因此芳香碳平面实际上许多缺陷（五元环、空穴、杂原子和层间缺陷等），因此芳香碳平面实际上不是平面，而是连续的曲面（平面大小用不是平面，而是连续的曲面（平面大小用L L2 2表征）；表征）；（3 3） 数目不等的芳香碳平面（平面数量用数目不等的芳香碳平面（平面数量用N N表征）大致相互平行和大致等间距表征）大致相互平
32、行和大致等间距（层间距即（层间距即d d002002值）地堆积在一起，构成炭材料的微观结构组织（堆垛高度值）地堆积在一起，构成炭材料的微观结构组织（堆垛高度LcLc）; ;（4 4） 每个微观结构组织内部的芳香碳平面随机取向，层与层间的碳原子不存在每个微观结构组织内部的芳香碳平面随机取向，层与层间的碳原子不存在周期性位相关系；周期性位相关系；（5 5） 芳香碳平面之间以一定的倾斜的折叠角度相互联结，大小不同的结构组织芳香碳平面之间以一定的倾斜的折叠角度相互联结，大小不同的结构组织在空间中以不同的程度定向，构成炭材料中碳原子排列的长程序，或者称为在空间中以不同的程度定向，构成炭材料中碳原子排列的
33、长程序，或者称为织态结构，简称织构（用织态结构，简称织构（用BaconBacon各向异性系数各向异性系数BAFBAF、定向角、定向角OAOA和消光角和消光角AeAe来表来表征）。征）。（6 6） 不同织态结构的乱层结构组织和孔隙共同构成炭材料的宏观结构。不同织态结构的乱层结构组织和孔隙共同构成炭材料的宏观结构。关于炭材料的结构特征描述：关于炭材料的结构特征描述：严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。热解炭结构炭源气、载气、纤维表面炭源气、载气、纤维表面特性与坯体的初始密度特性与坯体的初始密度温度、压力、流温度、压力、流量
34、、炭源气分压量、炭源气分压炉膛体积、温度炉膛体积、温度场、气流方式场、气流方式原原料料因因素素工工艺艺因因素素设设备备因因素素3.4热解炭结构的控制热解炭结构的控制影响热解炭结构的因素：影响热解炭结构的因素：严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。微气氛对热解炭结构的影响微气氛对热解炭结构的影响控制气体在沉积微区停留时间是控制微气氛的关键控制气体在沉积微区停留时间是控制微气氛的关键vCVICVI过过程程的的复复杂杂之之处处在在于于，在在反反应应气气体体吸吸附附、热热解解成成炭炭之之前前，反应气体本身还将发生一系列分解和聚合
35、的过程。反应气体本身还将发生一系列分解和聚合的过程。延长气相滞留时间延长气相滞留时间气气气均气均相反应相反应气气固多固多相反应相反应炭源气炭源气k1k2芳烃类芳烃类物质物质C6k3稠稠 环环 芳芳 烃烃聚聚集物集物C6n气相成气相成核核碳黑碳黑k4k5k6PyC(A)PyC(B)PyC(C)脂肪烃类物脂肪烃类物质质(C1与与C2)严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。气体流动方式对沉积区微气氛的影响 易于控制气体停留时间易于控制气体停留时间不能控制气体停留时间不能控制气体停留时间反应气体反应气体扩散进入扩散进入孔隙内孔隙
36、内热解、缩聚热解、缩聚吸附，脱吸附，脱H H副产物扩散排出副产物扩散排出解吸解吸CVD CVD CVD CVD 环节环节环节环节严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。CVICVI技术装备技术装备（发明专利：ZL00114790.0、 03105528.1）逆定向流逆定向流- -径向热梯度径向热梯度CVICVI示意图进气口电 极炭盘发热体炉膛压力压力/Pa炭盘炭盘径向温度径向温度径向气体径向气体压力压力温度温度/径向温度梯度、压力梯度示意图严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并
37、处理各类违纪行为或突发事件。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。3.5C/C复合材料的性能复合材料的性能3.4.13.4.1热物理性能热物理性能石墨化温度对石墨化温度对C/C材料材料g与与LC的影响的影响 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。ABCD 四种不同热解炭结构四种不同热解炭结构C/C材料的材料的XRD谱线谱线 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 不同结构不同
38、结构C/C材料在平行和垂直方材料在平行和垂直方 向的导热系数随热处理温度的变化向的导热系数随热处理温度的变化 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 不同不同CF的热导率的热导率严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 热解炭基热解炭基C/C复合材料的断口复合材料的断口SEM严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。密度的影响密度的影响不同密度的不同密度的RL结构材料与结构材料与S
39、L结构材料的力学性能结构材料的力学性能（T预预、T终终均为均为2300）3.4.2 3.4.2 力学性能力学性能严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 终处理温度的影响终处理温度的影响 经不同终处理温度（经不同终处理温度（T终终）后两种）后两种C/C复合材料的力学性能复合材料的力学性能（dRL=1.680.02g/cm3，dSL=1.720.02g/cm3）严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。坯体结构的影响坯体结构的影响坯体结构CVI炭结构密度(
40、g/cm3)炭纤维体积分数（%）F (MPa)S (MPa) C (MPa)炭布叠层SL1.7542.0199.5627.66248.05预氧丝薄毡叠层SL1.7637.8111.3118.64159.20炭纤维薄毡叠层SL1.7436.2114.9818.48165.90预氧丝薄毡加炭布混合叠层SL1.7442.8105.7017.54152.35普通炭毡SL1.729.360.559.69117.82 不同坯体结构的不同坯体结构的C/C复合材料的力学性能（复合材料的力学性能（T预预及及T终终均为均为2400） 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇
41、报并处理各类违纪行为或突发事件。RL结构材料，无纬布区 SL结构材料，无纬布区RL结构材料，网毡区 SL结构材料，网毡区 C/C复合材料抗弯试样断口扫描照片复合材料抗弯试样断口扫描照片严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。抗弯，RL 抗弯，SL 抗剪，RL 抗剪，SL 抗压，RL 抗压，SL C/C复合材料的载荷复合材料的载荷-变形曲线变形曲线严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。210023002500RL结构结构SL结构结构基体炭结构对炭基体炭
42、结构对炭/ /炭材料摩擦性能的影响炭材料摩擦性能的影响C/CC/C航空刹车副航空刹车副CVI热解炭应为热解炭应为RL结构结构3.4.3 3.4.3 摩擦磨损性能摩擦磨损性能严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。摩擦磨损性能测试MM1000惯性测功仪严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。模拟B757飞机的制动条件正常着陆：正常着陆：n0=7500rpm，J=3.0Kgfcms2，P=60或或100N/cm2。(不少于不少于10次次)超载着陆：超载着陆
43、：n0=8500rpm，J=3.0Kgfcms2，P=100N/cm2。(不少于不少于5次次)中止起飞：中止起飞：n0=8500rpm，J=5.0Kgfcms2，P=120N/cm2。(23次）次）严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。不同结构不同结构C/CC/C材料的摩擦系数随刹车压力的变化材料的摩擦系数随刹车压力的变化严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。CVI增密，RL结构CVI炭 复合增密，RL结构CVI炭 CVI增密，SL结构CVI炭 三
44、种三种C/C复合材料摩擦表面实物照片（模拟正常着陆条件）复合材料摩擦表面实物照片（模拟正常着陆条件） 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。CVI增密，RL结构，正常着陆 CVI增密，RL结构，中止起飞 复合增密，RL结构，正常着陆 复合增密，RL结构，超载着陆 三种三种C/C复合材料摩擦表面的偏光显微照片复合材料摩擦表面的偏光显微照片 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。复合增密，RL结构，中止起飞 CVI增密，SL结构，正常着陆 CVI增密，
45、SL结构，超载着陆 CVI增密，SL结构，中止起飞 三种三种C/C复合材料摩擦表面的偏光显微照片复合材料摩擦表面的偏光显微照片 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。 摩擦磨损机理由磨屑经摩擦挤压、剪切堆摩擦磨损机理由磨屑经摩擦挤压、剪切堆 积在表面形成的磨屑层所决定。积在表面形成的磨屑层所决定。膜片膜片磨屑磨屑摩擦膜摩擦膜膜片细化膜片细化游离磨屑游离磨屑膜膜自自修修复复v 剪切成膜机制剪切成膜机制RLRL结构热解炭结构热解炭C/CC/C复合材料摩擦磨损机理复合材料摩擦磨损机理严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等
46、相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。不同类型炭纤维氧化特性不同类型炭纤维氧化特性预氧丝炭化炭纤维具有更高的氧化活性预氧丝炭化炭纤维具有更高的氧化活性 等温吸附曲线等温吸附曲线 900900等温氧化曲线等温氧化曲线 预氧丝炭化炭纤维炭纤维炭纤维预氧丝炭化炭纤维3.4.4 3.4.4 氧化特性与防护氧化特性与防护严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。氧化前氧化前预氧丝炭纤维增强预氧丝炭纤维增强C/CC/C材料材料炭纤维增强炭纤维增强C/CC/C材料材料v氧化顺序：氧化顺序：失重失重3535后后
47、预氧丝炭化炭纤维预氧丝炭化炭纤维先于先于基体炭基体炭先于先于炭纤维炭纤维C/CC/C复合材料中纤维、基体炭氧化特性复合材料中纤维、基体炭氧化特性严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。不同结构热解炭的氧化特性不同结构热解炭的氧化特性 973K973K时等温氧化时等温氧化 粗糙层粗糙层RLRL为主的为主的C/CC/C复合材料氧化最慢，光滑层复合材料氧化最慢，光滑层SLSL为主的氧化最快。为主的氧化最快。变温氧化曲线，加热速率变温氧化曲线，加热速率5/min 5/min RLSL+RLSLRLSL+RLSLSLRLSL+RL氧
48、化残重严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。开孔率和孔比表面积对氧化速率的影响开孔率和孔比表面积对氧化速率的影响决定氧化速率的是微孔比面积，而不是开孔孔隙率决定氧化速率的是微孔比面积，而不是开孔孔隙率等温氧化速率曲线等温氧化速率曲线(900) (900) 表面积表面积6.026m2/g孔隙率孔隙率15.66表面积表面积3.573m2/g孔隙率孔隙率18.32表面积表面积2.262m2/g孔隙率孔隙率12.16时间时间/min氧化速率氧化速率严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报
49、并处理各类违纪行为或突发事件。C/CC/C复合材料氧化机制复合材料氧化机制 620 oC 氧化氧化 20min 再经再经720 oC氧化氧化5min 再经再经820 oC氧化氧化5min 氧化反应受控于界面和微裂纹数量氧化反应受控于界面和微裂纹数量：纤维热解炭：纤维热解炭：热解炭热解炭：热解炭热解炭：微裂纹：微裂纹：微：微 孔孔氧化速率氧化速率严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。预浸涂预浸涂 涂层成分设计涂层成分设计致密、自愈合、强结合、抗氧化性好致密、自愈合、强结合、抗氧化性好喷涂复合浆料喷涂复合浆料 复合涂层技术复
50、合涂层技术固化处理固化处理（发明专利：ZL00113381.0， 02119634.6）骨架相骨架相(ZrO2、Al2O3等等)玻璃相玻璃相(SiO2、B2O3等等)助熔剂助熔剂(CaF2、PbO4等等)耗氧剂耗氧剂(SiC、B4C等等)其它辅助剂其它辅助剂抗氧化涂层成分设计及复合涂层技术抗氧化涂层成分设计及复合涂层技术v制备技术制备技术严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。化化学学气气相相渗渗透透（ CVI)工工艺艺等温等压法压差法脉冲法FCVI热梯度-压力脉冲CVICLVI 均均热热法法 热热梯梯度度法法 4 C/C
51、4 C/C复合材料快速复合材料快速复合材料快速复合材料快速CVICVI致密化技术致密化技术致密化技术致密化技术严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。化化学学液液气气相相渗渗透透技技术术严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。C/C复合材料碳原子排复合材料碳原子排列机理及其演变机制列机理及其演变机制科科科科 学学学学问题问题问题问题1 1 1
52、 1树脂炭热解炭炭纤维C/C结构示意图结构示意图C/C材料中存在多相材料中存在多相各相碳微晶结构千差万别各相碳微晶结构千差万别碳微晶结构直接影响碳微晶结构直接影响C/C材料材料性能性能碳原子排列整齐碳原子排列整齐碳原子排列整齐碳原子排列整齐碳原子排列紊乱碳原子排列紊乱碳原子排列紊乱碳原子排列紊乱 5 C/C5 C/C复合材料研究前沿复合材料研究前沿复合材料研究前沿复合材料研究前沿严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。C/C材料中存在多种不同类材料中存在多种不同类型的界面型的界面界面显著影响碳微晶结构界面显著影响碳微晶结构
53、界面是决定界面是决定C/C材料性能的材料性能的重要因素重要因素C/C复合材料界面复合材料界面特性与表征特性与表征科科科科 学学学学问题问题问题问题2 2 2 2树脂炭树脂炭/热解炭热解炭界面界面炭纤维炭纤维/热解炭热解炭界面界面热解炭热解炭/热解炭热解炭界面界面C/C结构示意图结构示意图炭纤维炭纤维/ /热解炭界面结构热解炭界面结构炭纤维炭纤维界面区界面区热解炭热解炭5 nm 4 C/C4 C/C复合材料研究前沿复合材料研究前沿复合材料研究前沿复合材料研究前沿严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。C/C材料应用环境极其苛
54、刻材料应用环境极其苛刻C/C材料防护困难材料防护困难C/C复合材料环境服役复合材料环境服役动态过程与防护机理动态过程与防护机理科科科科 学学学学问题问题问题问题3 3 3 3基体改性基体改性基体改性基体改性表面涂层表面涂层表面涂层表面涂层20m mm40m mm 4 C/C4 C/C复合材料研究前沿复合材料研究前沿复合材料研究前沿复合材料研究前沿严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。多层复合梯度（多层复合梯度（TaC/SiC）多层复合多层复合HfC/SiC）多层多层复合复合梯度梯度涂层涂层美国美国美国美国UltrametUltramet公司报道公司报道公司报道公司报道本课题开发技术制备本课题开发技术制备本课题开发技术制备本课题开发技术制备( (发明专利申请号发明专利申请号发明专利申请号发明专利申请号200410023390.0)200410023390.0)严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。谢谢各位！中南大学中南大学CENTRAL SOUTH UNIVERSITY
