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黃啟忠教授帶你了解碳的化學(xué)氣相沉積機(jī)理與快速制備碳/碳復(fù)合材料
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第二屆碳/碳復(fù)合材料論壇12月13-15日與你相約上海 碳/碳復(fù)合材料 碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維及其織物為增強(qiáng)體,熱解碳或?yàn)r青碳等碳質(zhì)材料為基體,通過一定的工藝復(fù)合而成的全碳質(zhì)多相固體材料。碳/碳復(fù)合材料具有很多非常優(yōu)異的性能,尤其是高溫時(shí)表現(xiàn)較為突出,因此,在航空航天、光伏、核工業(yè)、醫(yī)用材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 圖片 炭剎車盤副,圖片來源:優(yōu)材百慕 碳/碳復(fù)合材料的制備工藝 碳/碳復(fù)合材料的制備工藝主要包括了三個(gè)基本步驟:預(yù)制體成型、預(yù)制體致密化和石墨化處理。 預(yù)制體成型是制備碳/碳復(fù)合材料的前提。目前常用的預(yù)制體成型方法主要有短纖維模壓、長(zhǎng)纖維織物疊層和多維編織/穿刺。 圖片 預(yù)制體成型步驟,圖片來源:金博股份招股書 圖片 TS飛機(jī)碳剎車預(yù)制件 圖片來源:江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司 預(yù)制體致密化是制備碳/碳復(fù)合材料的關(guān)鍵環(huán)節(jié),只有達(dá)到一定密度的碳/碳復(fù)合材料才能具有良好的力學(xué)性能。目前碳/碳復(fù)合材料的致密化工藝可分為四種:第一種為液相浸漬-碳化(LIC)工藝,第二種為化學(xué)氣相沉積(CVI)工藝,第三種為液相氣化沉積(CLVI)工藝,第四種為 CVI與 LIC 復(fù)合工藝。 石墨化處理是通過高溫(1800~2800 ℃)將熱力學(xué)非穩(wěn)定態(tài)的碳材料轉(zhuǎn)變成穩(wěn)態(tài)的石墨的過程。 不同預(yù)制體致密化工藝對(duì)比 圖片 圖片 不同致密化工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比 圖片來源:劉俊峰,高效制備碳/碳復(fù)合材料的思考 化學(xué)氣相沉積工藝優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、增密的程度便于精確控制、不損傷纖維、可與其他致密化工藝一起使用,缺點(diǎn)是制備周期太長(zhǎng)、生產(chǎn)效率較低。 影響碳/碳復(fù)合材料性能的關(guān)鍵 影響碳/碳復(fù)合材料性能的有如下幾個(gè)方面: 碳纖維的種類 碳纖維的編織方式和編織密度 基體的增密形式和密度 碳纖維和基體的界面結(jié)構(gòu) 化學(xué)氣相沉積熱解炭的方式和織構(gòu) 石墨化工藝 表面涂層情況 快速制備碳/碳復(fù)合材料 化學(xué)氣相沉積(CVI)是制造高性能碳/碳復(fù)合材料的關(guān)鍵工序。提高增密速度、熱解炭結(jié)構(gòu)的多樣化和材料的抗氧化是當(dāng)前制備碳/碳復(fù)合材料的三大難點(diǎn)課題。發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相投巨資研究開發(fā)快速 CVI工藝,除了工業(yè)化程度較高的等溫CVI之外,還研發(fā)了熱梯度CVI、壓差CVI、液相氣化滲透工藝 CLVI強(qiáng)迫流動(dòng) CVI、脈沖CVI等。其中美國(guó)達(dá)信公司開發(fā)的 CLVI工藝,把致密時(shí)間減少到原來的1%;美國(guó)佐治亞理工大學(xué)在美國(guó)空軍支持下開發(fā)的FCVI工藝,在8~12h 內(nèi)制備出空隙率僅為7%的碳/碳復(fù)合材料。對(duì)制備碳/碳 復(fù)合材料作了有益的探索。 化學(xué)氣相沉積工藝是獲得高性能碳/碳復(fù)合材料的關(guān)鍵,界面結(jié)構(gòu)和織構(gòu)對(duì)碳/碳復(fù)合材料的性能影響非常大,而且化學(xué)氣相沉積速度非常慢,對(duì)材料價(jià)格影響大,因此研究化學(xué)氣相沉積機(jī)理,可以促進(jìn)快速化學(xué)氣相沉積制備,獲得高性能碳/碳復(fù)合材料的制備方法。 對(duì)于化學(xué)氣相沉積工藝而言,如何減小成型周期,提高生產(chǎn)效率,從而做到快速制備碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品是迫切需要解決的一個(gè)難題。 為了更好地了解碳的化學(xué)氣相沉積機(jī)理與快速制備碳/碳復(fù)合材料,2021年12月13-15日在上海舉行的“Carbontech第二屆碳/碳復(fù)合材料論壇” 特邀 中南大學(xué)黃啟忠教授 蒞臨本次大會(huì),分享《碳的化學(xué)氣相沉積機(jī)理與快速制備碳/碳復(fù)合材料》主題報(bào)告。 專家介紹 圖片 黃啟忠,中南大學(xué)二級(jí)教授、博導(dǎo),國(guó)務(wù)院政府津貼獲得者,國(guó)家航天技術(shù)專家組成員,是《Journal of Materials Science & Technology》《新型炭材料》《高科技纖維與應(yīng)用》雜志編委,《炭素技術(shù)》《炭素》雜志編委會(huì)副主任;中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)常務(wù)理事,中國(guó)金屬學(xué)會(huì)炭素分會(huì)副主任委員,中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)碳石墨材料專業(yè)委員會(huì)副主任;在國(guó)內(nèi)外發(fā)表論文200余篇,出版了專著《高性能炭/炭復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用》和譯著《新一代航空航天熱結(jié)構(gòu)與材料》,獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)等7項(xiàng)科技成果獎(jiǎng)勵(lì);近年來主持了國(guó)家重大科技專項(xiàng)、國(guó)家973、國(guó)家863、國(guó)家支撐、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目20多項(xiàng),解決了多項(xiàng)國(guó)家急需。 主要研究領(lǐng)域:炭的化學(xué)氣相沉積與新炭材料;炭/炭復(fù)合材料;航天耐燒蝕炭/炭復(fù)合材料;燃料電池炭紙。 |
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