摘要
炭/炭复合材料具有密度低、热膨胀系数低、力学性能优异、热导率较高、耐烧蚀性能优异等优点，在航空航天的热防护和热管理领域得到了广泛的应用，并且随着智能化、小型化、高能量密度电子设备的不断发展，对材料的结构性能以及导热性能也提出了更高的要求。本研究采用聚丙烯腈基炭纤维(CFPAN)及中间相沥青基炭纤维(CFMP)编织不同结构的炭纤维预制体，经化学气相渗透(CVI)、液相浸渍-炭化以及高温石墨化(2000～3000℃)等工艺，制备出不同炭纤维及基体的C/C复合材料。并采用扫描电子显微镜(SEM)、偏光显微镜(PLM)、拉曼光谱分析、电子万能材料试验机、激光热导仪以及氧乙炔烧蚀试验等表征手段，探究不同原料及工艺对C/C复合材料的微观结构、力学性能、导热性能以及烧蚀性能的影响。 (1)采用CVI和高压沥青浸渍-炭化工艺(HPIC)制备CFPAN/CPitch复合材料，密度达到1.83g/cm3。各炭相的石墨化度值由高至低为沥青炭＞PyC＞炭纤维，更高温度的石墨化过程中，石墨微晶的进一步生长和有序排列提高了各炭相的石墨化程度。因此，3000℃石墨化后，复合材料热导率在x-y向上由75.60增加到126.09W/(m·K),在z向由31.09增加到75.60W/(m·K)。但各炭相的热收缩不一致，使得界面处形成了大量微裂纹和微孔，最终导致材料的力学强度明显下降，抗弯强度和抗压强度分别下降27.48％和29.42％,降至104.17MPa和113.92MPa。材料的导热性能以及耐热化学剥蚀能力随石墨化温度的提高而提升。因此，质量烧蚀率从3.00下降到1.80mg/s。然而，各炭相的耐机械剥蚀能力下降，线性烧蚀率4.0由提升至9.3μm/s。 (2)采用CVI和树脂浸渍-炭化工艺制备CFMP/CResin复合材料，密度达到1.85g/cm3。3000℃石墨化后，3DCFMP/CResin复合材料在x-y向热导率达到152.88W/(m·K),在z方向上由13.61增加到56.35W/(m·K),针刺CFMP/CResin复合材料在z方向上由14.74增加到63.57W/(m·K)。3D穿刺预制体结构能够提供更完整的纤维骨架，使其较针刺材料具有更好的力学性能，两者抗弯强度分别为185.81MPa和101.81MPa(2000℃),高出82.5％。但3000℃处理后，材料高度石墨化，预制体结构对材料力学性能的贡献有限，两种材料抗弯强度相近，分别为55.71MPa和49.35MPa。材料大幅提升的导热性能以及更优异的抗冲刷能力使其耐烧蚀性能有小幅提升，线性烧蚀率从18.0下降到16.7μm/s,质量烧蚀率则变化不大。 (3)采用CVI和HPIC工艺制备CFMP/CPitch复合材料，密度达到1.86g/cm3。沥青炭相较于树脂炭拥有更高的石墨化度，通过改变基体炭的类型能有效提升材料的导热能力。3000℃石墨化后，材料热导率在x-y向达到275.30W/(m·K),z向达到100.80W/(m·K),抗弯强度由145.91MPa降低到103.74MPa。材料优异的导热性能，使得烧蚀过程中表面积聚的热量快速疏导至冷端，以此显著降低烧蚀面温度。因此，材料线性以及质量烧蚀率均明显降低，前者由13.0降至7.0μm/s,后者由3.00降至1.18mg/s。
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