炭炭复合材料课件

1、第5讲 炭/炭复合材料的结构与石墨化,炭/炭复合材料的 结构及表征,1.1 C/C复合材料的结构,C/C复合制动材料的结构包括炭纤维的结构、基体炭的 结构以及孔隙结构特征（孔隙大小、数量形状与分布），其中孔隙特征取决于材料制备的工艺条件。 在其他条件相近的条件下，对材料性能影响最大的是炭纤维的结构、基体炭的结构。 在偏光下炭纤维单丝表现为光学各向同性，基体炭结构通常代表了C/C复合制动材料的偏光显微结构。,广义的热解炭-煤、沥青、烃类等经热解过程得到的炭材料的总称。包括炭黑、玻璃炭、热解石墨。 热解炭-碳氢化合物在高温炉中经复杂的热解过程沉积到炭纤维表面的炭，也称沉积炭。,1.2 热解炭消光角

2、,热解炭偏振光特性与其微观结构的关系,Diefendorf和Tokarsky根据消光角范围提出了热解炭微观结构的四种类型： 各向同性（ISO，Ae4） 暗层（Dark Laminar， 4Ae12） 光滑层（Smooth Laminar，12Ae 18） 粗糙层（Rough Laminar，Ae18,ISO高分辨SEM图象,SL高分辨SEM图象,RL高分辨SEM图象,粗糙层热解炭的柱状生长锥TEM图象,热解炭的织构取向与取向角及消光角的关系,2 炭/炭复合材料的 石墨化及表征,石墨化是通过热激活使无定形炭向石墨转变的固态反应。 石墨化过程是炭层（炭层：含层内缺陷的炭层）向2维周期有序的炭层（炭

3、层：无缺陷的石墨层）转变的过程，同时层与层之间互相有序，形成三维石墨结构。 石墨化程度取决于材料织构、热处理温度、原子重排所需的时间，以及所采用的压力。,2 .1炭/炭复合材料石墨化特征,： 。 ， d002介于3.373.40部分石墨化的炭， d002大于3.40不可石墨化的炭。,2.2 炭/炭复合材料石墨化度的XRD测量,L:相干衍射长度；,：波长,为半高宽；为Bragg角，K为Scherrer参数。,d002面间距测量,Lc的测量,2.2.1 石墨化度的测量原理,石墨化度是在Franklin模型的基础上，由Mering 和Maire公式计算，其简化形式为： g = (0.3440-d00

4、2) X 100%/(0.3440-0.3354) d002的计算由布拉格公式算出：2 d002 sin=。式中，0.3354是指理想石墨晶体的层间距,0.3440是指完全未石墨化的层间距,单位为nm。,2.2.2 石墨化度分析,表3-6 试样微观结构及表观密度,试样,用Rigaku D/MAX-3C型X射线衍射仪，CuKa单色光辐射，硅作内标，对粉末试样进行结构参数的测定。 管电压35kV，电流20mA，Cu=1.54050 ,测量,石墨化过程模拟简图,可石墨化炭石墨化过程,MTg-1 试样在2100热处理后的晶格条纹象,MTg-1 试样在2600热处理后的晶格条纹象,经过2600的高温热处

5、理后仍有乱层结构的特征,可石墨化炭 HTg,可部分石墨化炭 MTg,各向同性热解炭,各种热解炭结构模型,HTg-2 未石墨化,HTg-2 2400石墨化 1hr,MTg-2 未石墨化,MTg-2 2400石墨化 1hr,2.2.3 小结,根据Franklin公式dm=3.44(1-g)+3.354g，由dm可求得g。 对于可石墨化炭，随着温度的提高，体系获得能量，炭原子的热振动频率增加，振幅增大，而层间距缩小，使炭层面向三维有序的石墨结构过渡，外界提供的能量越多，炭层结构越接近于石墨结构； 而对于部分可石墨化炭，由于其晶格生长的缺陷，大量晶格排列互相交错、搭界，由温升提供的外界能量不足以使这些

6、晶面拉直，因而石墨化度到达一定数值后就升高很慢或不再升高。 可石墨化热解炭的石墨化机理：无序排列BSU在C轴方向形成较大的柱状BSU在网平面内炭层不断长大，逐渐向炭层转变，且炭层不断长大形成较完整的结构。,2.3 炭/炭复合材料石墨化度的喇曼光谱分析,显微激光喇曼光谱反映的是被分析对象表面及其以下约50 nm范围内的信息，既具备分析炭结构的能力，又能够进行微区（现已小至直径为1 m的区域）分析，很好地满足了对复合材料中不同组元炭结构分析的要求。,2.3.1 测量原理,2.3.2 石墨化分析,试样,炭纤维为PAN基炭纤维（日本东丽T700），沥青炭为中温沥青炭，4种C/C复合材料的基体皆为CVD

7、热解炭。 复合材料A、B、C、D的密度分别为1.76 gcm-3、1.76 gcm-3、1.79 gcm-3、1.81 gcm-3。 炭纤维、沥青炭及4种复合材料均分别经受2 000 、2 100 、2 200 、2 400 、2 600 、2 800 氩气流保护石墨化处理。,JOBIN YVON-Lab Ram HR800型显微激光喇曼光谱仪。 采用He-Ne激光，波长632.8 nm，激光功率20 kWcm-2，单晶硅片校准，微区分析范围1 m，激光束与样品平面垂直。,测量,CF-炭纤维,喇曼位移,表3-9 炭纤维喇曼光谱与XRD结构参数的对照,随着石墨化处理温度升高，R -1增大，石墨化

8、度值升高,材料B,材料C,材料D,图2-10 C/C复合材料金相片：PyC-热解炭,PyC-热解炭,表3-10 热解炭喇曼光谱与XRD结构参数的对照,热解炭的石墨化度亦随R -1增大而升高,图2-11 R-1与g的对应关系： CF-炭纤维；CP-沥青炭；PyC-热解炭,喇曼光谱参数R -1与XRD石墨化度参数g的对应关系,g = 1-2.05exp(-2.11R -1),a炭纤维、沥青炭、热解炭的喇曼图谱上都有两个散射强度峰，D峰位于喇曼位移约1 333.49 cm-1处，G峰位于喇曼位移约1 584.16 cm-1处。随着石墨化处理温度的改变，两峰的峰位没有变化，但两峰的相对强度却发生变化。 bD峰相对于G峰的强度R的倒数R -1与