航空刹车用炭/炭复合材料CVD过程参数及性能的研究

【类型】学位论文

【作者】于澍 

【关键词】 炭/炭复合材料 CVD过程参数 力学性能 磨损机理

【摘要】1）根据文献报道，结合试验数据，作者对所得热解炭结构有一个明确的界定：分为RL、SL、ISO以及ReL四种。指出RL结构的最大特点在于：偏振光下有不规则的消光十字架，有明显的细而窄小、贯穿整个生长面的不可再生的柱状生长锥。而再生层状结构ReL：密度和各向异性与RL相当，热处理后也易产生环状裂纹，有宽而短的连续可再生的生长锥。 2）以丙烯为碳源气，通过对CVD工艺参数的研究，首次得出规律性的结论： RL在中等温度下生成，较低与较高温度下均生成SL结构，持续升高温度，将生成ISO结构； 在中等温度下，以碳源气与载气的比例为1：3为宜； 在碳源气不变的情况下，不论从沉积的效果、均匀性，还是从经济角度出发，以氮气作载气最为合适； 毛坯在CVD增密前有无热处理对炭纤维的表面形貌有很大影响，炭纤维在热处理后，比表面积增加，所含自由活化点的数目增加，生成的热解炭为RL结构。但在2100℃以上，热处理温度对坯体在CVD沉积过程中的影响无多大差别； 毛坯的纤维体积含量对热解炭的结构没有影响； 在相同的沉积温度下，气体在炉体内的滞留时间对热解炭的结构有很大的影响，RL在中等滞留时间生成。 3）通过对CVD工艺参数的系统研究，首次得出生成RL结构的最优试验条件：以丙烯为碳源气，氮气为载气，毛坯经2100℃的热处理，反应温度为930℃，C3H6：N2＝1：3（体积百分比），即滞留时间为2．19S。 4）以丙烯为碳源气，在优化各种工艺参数的基础上，首次用等温法沉积1：1的炭/炭复合材料刹车盘大样，在短短400小时内可通过CVD获得密度达1．65-1．68g/cm3左右的、完全粗糙层结构的炭/炭复合材料刹车盘（国外同类产品CVD需800-1000小时），其各项性能与占国际市场大份额的Dunlop样件、Missier样件相当。其短周期、高性能的特点对我国打破西方技术垄断，自主进行炭/炭复合材料刹车盘的批量生产有着重大意义 5）采用特定装炉方式，强制气体通过坯体，在忽略炉体内气体因各种复杂化学反应引起体积变化的基础上，对毛坯及整个热解沉积炉的气体通过情况进行了动态的机理分析，首次得到了描述毛坯所围的内部空间、毛坯外部的炉体空间的压强p1、p2和毛坯的孔隙度k随时间的变化的微分方程，以此微分方程可求出气体在炉体的滞留时间以及渗透毛坯的时间。 6）首次提出以丙烯为碳源气进行裂解的沉积模型，指出C2H2在气相生长中的作用以及SL结构和ReL结构的形成原因。并认为气相中若以苯和六元环芳香烃为主要产物，沉积所得的热解炭，在结构上与理想石墨晶体最接近。 7）研究了不同结构、不同温度热处理、不同增密方式、纤维的不同取向，对炭/炭复合材料的石墨化度和晶粒尺寸的影响。 8）首次系统地研究了不同结构、不同温度热处理、不同比压和速度对炭/炭复合材料摩擦磨损性能的影响。分析解释了各种条件下的摩擦磨损机理。并通过炭/炭复合材料刹车盘1：1大样解剖分析，表明：近几年来，我国在炭/炭复合材料飞机刹车盘的研制工作中已取得了较大的进展和突破，其各项性能指标足以与国外同类产品相媲美。 9）研究了不同结构、不同温度热处理对炭/炭复合材料的力学性能的影响，分析解释了各种条件下的力学性能的变化趋势。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中南大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】李溪滨

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