摘 要

本文采用模压成型工艺，以碳纤维为主体框架，硼酚醛树脂和二氧化硅的混合物作为粘结剂，通过模压成型工艺，并经过固化、碳化制备了不同密度的C/C复合材料，对材料的微观结构、力学性能、热物理性能进行了分析。

采用TG-DSC综合热分析研究了硼酚醛树脂的固化过程和碳化热解行为。研究结果表明，制备CF/PF复合材料的较佳固化工艺为：在压机上80℃/30min 150℃/30min 200℃/2h；碳化以2℃/min速率升温，工艺路线为200℃/0.5h 380℃/0.5h 600℃/0.5h 900℃/2h，随炉冷却至室温。随着密度增加，C/C复合材料的抗压强度和弯曲强度增大。C/C复合材料具有优良的热物理性能，其热导率在0.78-0.93W/(m·℃)之间。

关键词：C/C复合材料；碳化热解行为；力学性能；热物理性能

Abstract

The compression moulding technology was applied to make carbon fiber as the main framework and the mixture of phenolic resin and SiO₂ as the binder with the process of forming by molding,then the C/C composite materials of different density were prepared by curing and carbonization.The microstructure and mechanical behaviors of materials were analyzed,and the thermal physical properties of materials were investigated.

TG-DSC synthetic thermal analysis was used to study the curing process and the pyrolysis process of carbide of boron modified phenolic resin.The results showed that the curing process for the CF/PF composite was 80℃/30min 150℃/30min 200℃/2h in the pressing machine,and the carbonization process for C/C composite was 200℃/0.5h 380℃/0.5h 600℃/0.5h 900℃/2h with the heating rate of 2℃/min.With the increasing of density, compressive strength and flexural strength increases.The C/C composite possesses excellent thermophysical properties.The coefficients of thermal conductivity of the composite were between 0.78 and 0.93W/(m·℃).

Keywords:C/C composite materials,carbide pyrolysis,mechanical properties,thermal physical properties

目 录

1. 绪论 1

1.1 C/C复合材料概述 1

1.1.1 C/C复合材料的研究历史和现状 1

1.1.2 C/C复合材料的特点 2

1.2 C/C复合材料的制造工艺 3

1.2.1 碳纤维的选择 3

1.2.2 C/C复合材料的预制体成型工艺 4

1.2.3 C/C复合材料的致密化工艺 5

1.3 C/C复合材料的性能 6

1.3.1 C/C复合材料的力学性能 6

1.3.2 C/C复合材料的热物理性能 7

1.3.3 C/C复合材料的抗烧蚀性能 7

1.4 选题背景及研究内容 7

1.4.1 选题背景 7

1.4.2 主要研究内容 8

2. 实验部分 9

2.1 C/C复合材料的制备 9

2.1.1 实验原料 9

2.1.2 实验设备 9

2.1.3 C/C复合材料的制备 9

2.2 C/C复合材料的测试 13

3. 实验结果与分析 15

3.1 C/C复合材料的组织结构表征 15

3.1.1 C/C复合材料的体积密度 15

3.1.2 微观形貌分析 15

3.2 C/C复合材料的力学性能研究 17

3.2.1 压缩性能 17

3.2.2 弯曲性能 19

3.3 C/C复合材料的热导率 20

4.结论 21

参考文献 22

致谢 23

1. 绪论

1.1 C/C复合材料概述

1.1.1 C/C复合材料的研究历史和现状

C/C复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称，是由碳纤维增强聚合物基复合材料经热解炭化，或再经过石墨化制得的一种性能优异的材料。C/C复合材料通常由树脂碳连接碳纤维构成，几乎只包含碳元素，所以具有极好的热性能，在高温和极大的加热速率下性能突出。C/C复合材料拥有一系列其他材料所不具备的独特的优点，如密度小、比强度高、比模量高、耐摩擦及热物理性能良好等，随着碳纤维取向的变化，C/C复合材料的力学性能发生变化。在某种最佳的取向状态下，材料的力学性能达到最佳，在高温下不会改变这些性能，甚至某些性能指标有所提高。在机械加载时，C/C复合材料的变形与延伸都呈假塑性，最后以非脆性方式断裂。这些特点使C/C复合材料在航天科技、机械工业、生物医学、实验室仪表设备等领域广受关注并大量使用，可用作耐热隔火材料、耐烧蚀材料、生物相容性材料、闸衬材料等。

到目前为止，C/C复合材料的发展过程可以划分为以下五个阶段^[1]-[3]：

（1）20 世纪 60 年代初期的低性能阶段

在这一时期对C/C复合材料的研究刚起步，还属于基础的部分，对制备工艺的研究主要针对化学气相沉积工艺（CVD），这一时期的研究比较基础。当时碳纤维制品已出现商品化趋势，主要被用于增强一些大型石墨部件，如火箭喷嘴。结果在强度、耐高速高温气体的腐蚀方面都有非常显著的提高。

（2）20 世纪 70 年代末期的初始应用开发阶段

C/C复合材料优异的性能，得到了工程材料领域的广泛关注，成为其中重要组成部分。在这一时期，C/C 复合材料主要用于飞机刹车盘和导弹鼻锥。

（3）20 世纪 80 年代的应用开发阶段

这一时期对C/C复合材料的研究进入非常活跃的阶段。人们着重研究提高该复合材料的各种性能，同时对致密化工艺的研究取得了很大进步，这些使得C/C复合材料在更多的领域的得到应用。在70年代的开发研究的基础上，这一时期C/C复合材料在制备工艺、复合材料的结构设计，以及各项性能方面的基础理论及制备工艺方法的研究都取得了令人瞩目的成就，在航空航天、军事以及民用领域C/C复合材料都发挥着举足轻重的作用[3]。C/C复合材料在航空航天领域的重要应用及飞速进展最为引人注目。C/C复合材料烧蚀率非常低，可较大地减轻构建的耗损质量，用于气动加热环境较为恶劣、热流量较高的部位，如战略导弹弹头端头帽、航天（空天）飞机的机翼前缘、高性能SEM喷管扩张段等部位。C/C复合材料还可作为热结构部件用于高温下的承力构件，很好地满足了高超声速飞行器热防护系统中隔热材料的性能要求。