石墨烯改性碳/碳复合材料界面性能表征及其机理研究

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碳/碳复合材料是一种由碳纤维为增强体碳为基体所组成的复合材料,是一种多相碳素体。因其在高温下具有优异的机械性能常用于航空航天设备及飞机零部件中。碳/碳复合材料的宏观性能依赖于对碳纤维、基体前驱体的选择以及其制备过程和微观结构。已经有研究表明碳/碳复合材料良好的机械性能极大地依赖于纤维/基体界面的负载能力。碳/碳复合材料的界面结合强度太弱会影响复合材料的力学强度,而太强的界面结合力可能诱发热处理过程中对碳纤维的损伤以及材料的脆性断裂行为。因此对碳/碳复合材料界面改性及其机理研究势在必行。本课题采用不同浓度(0.01,0.05,0.1,0.5mg/ml)的石墨烯溶液涂层改性预制体,将预制体经沥青液相浸渍后碳化-石墨化制成碳/碳复合材料。经过XRD检测结果发现,经过石墨烯改性的碳/碳复合材料的石墨化度随石墨烯含量的增加而不断上升,最大达到90.56%。由此可见石墨烯的存在可以有利于碳/碳复合材料中基体的石墨片层规则取向。通过对改性碳/碳复合材料弯曲性能测试结果研究发现,0.05mg/ml涂层改性的碳/碳复合材料弯曲强度提高最多,大约提高了25.5%。通过纤维束顶出测试发现,经过石墨烯改性的碳/碳复合材料纤维束/基体界面剪切强度提高了19.1%。但是随着涂层浓度的增加改性效果越来越弱,直至浓度达到0.5mg/ml时界面最大载荷力值与0.1mg/ml改性样品相比反而有所减弱。本课题通过对改性前后的碳/碳复合材料进行界面性能和宏观性能表征,建立涂层中石墨烯含量和性能之间的关系;针对已制备的碳/碳复合材料开展诱导结晶、结晶取向、石墨化程度等界面基础问题研究,揭示石墨烯界面改性对碳/碳复合材料界面结构影响的规律,探索界面结构对碳/碳复合材料性能影响的机理,为制备新型高性能碳/碳复合材料奠定理论和实践基础。
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