沥青基碳/碳复合材料压力浸渍—碳化机理分析

作者:孙乐民;李贺军;张教强;张守阳 刊名:西北工业大学学报 上传者:苗向军

【摘要】煤沥青是一种内部成分非常复杂的芳烃类混合物,含有许多稠环结构。由于其组成成分的复 杂性导致其碳化过程的复杂。液态沥青向制件孔隙内的浸渍过程中,既要克服由于液态沥青 表面张力所产生的阻力,还要克服制件内部孔隙中气体所产生的阻力。经研究表明,沥青在 常压下碳化,大量含碳的低分子成分挥发出去,不但造成碳化收率的降低,而且也影响了致 密效率。沥青在高压下碳化,不但提高了碳化收率,而且也影响碳化过程,有利于基体碳向 石墨结构的转变。

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2 0 0【年 2月 第】9卷第1期 西 北 工 业 大 学 学 报 Journal of Northwestern Polytechnical University Feb. 200l VO1.19 No l 沥青基碳/碳复合材料压力 浸渍一碳化机理分析 孙乐民,李贺军.张教强,张守阳 (西北工业大学 材料学院,陕西 西安 710072) 摘 要:煤沥青是一种 内部成分非常复杂的芳烃类混合物,音有许多稠环结构。由于其组成成分的 复杂·l生导致其碳化过程的复杂。液态沥青向制件孔隙内的浸溃过程中,既要克服由于液态沥青袁面 张力所产生的阻力,还要克服制件内部孔隙中气体所产生的阻力 经研究袁明,沥青在常压下碳化, 大量音碳的低分子成分挥发出去,不但造成碳化收率的降低,而且也影响了致密效率 沥青在高压 下碳化,不但提高了碳化收率,而且也影响碳化过程,有利于基体碳 向石墨结构的转变。 关 键 词:沥青,浸渍,压力,碳化 中图分类号 :TB332 文献标识码 :A 文章编号 :1000—2758(2001)01—0088—04 碳/碳复合材料是一种新型的高性能复合材料, 具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀等一系列优点, 其在航空、航天、核能、医学等领域具有越来越广泛 的作用。c/c复合材料的制作工艺主要有两种方 法:CV|(或CVD)法和液相浸溃一碳化法。在液相浸 渍法中,沥青的碳化收率较高,而且如果选用台适的 沥青原料,容易得到石墨化结构的基体,所以在这方 面的研究也更括跃。 Hutinger等人对煤焦油沥青和石油沥青在温 度 3。()~600C之间、氯气压力为 2×1.013×10 Pa 的条件下的搏解进行了研究,发现增加压力可降低 搏解过程完成的温度0]。Hosomura等人对沥青压 力碳化的规律进行了研究,发现压力使碳基体的孔 隙尺寸和孔隙率减小,从而碳/碳复合材料的密度提 高.强度增大0]。G.RelickI: 和M Granda[‘ 等人从 数学的角度对沥青压力碳化时的致密规律进行 了定 量研究,并给出了密度变化的量化公式,从而可以做 到对致密结果的预测。本文选用太原煤化所提供的 调制中温煤沥青作为基体前躯体原料,借助热分析、 x一射线衍射等技术对其常压和高压下浸溃一碳化的 机理进行分析研究。 1 沥青浸渍过程的理论基础 浸溃过程是制作沥青基碳/碳复合材料的基础, 浸溃效果的好坏直接影响到碳/碳复合材料的致密 效率。浸溃时要求液态沥青最好处于最低粘度的温 度下施加压力,以使沥青充分浸人制件的内部孔隙 中。沥青浸人预制体内孔隙的过程可由图 1来表示, 流动方向为从右向左,这时就存在三相状态,即气相 G(-TL隙内的气体)、液相工(流体沥青)和固相S(碳 纤维或基体碳)。当三相处于平衡状态时,有下列关 系跚: cos8一 ( 一 1)/ (1) 式中, 、 和 分别为固一气、固一液和液 一气界 面表面张力, 为流体表面张力和液 一固界面张力之 间的夹角 ,即接触角。这里存在三种情形 : (1)如果 一 【一 l ,则cos 一1, 一0 ,则 为完垒润湿; (2)如果 > ( 一 “),则 1> cos8> 0. < 90 ,则流体可以润湿固体; (3)如果 < ,则cos口<0. > 90。,则固体 收稿日期:I ggg—flg-o1 基金项目t国防科学基金(ggJ12.5.2.t-[KO311)资助 作者简介;孙乐民(1965一),

参考文献

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