高模量炭纤维的微观结构及对其力学性能的影响

利用透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和X射线衍射(XRD)研究了高模量炭纤维的微观结构,并将其与纤维的力学性能进行了关联。结果表明,影响炭纤维力学性能、特别是拉伸模量的直接原因是晶相的多少及其取向、石墨片层的排列情况。从微观上提高石墨层的取向和堆叠程度是获得高模量炭纤维的必要条件。

碳纤维表面微观结构的定量化表征方法

通过使用Matlab编程处理日本东丽T300、国产GCF-1和GCF-2等3种碳纤维样品断面的扫描电镜照片,采用二值标签算法获得了碳纤维的直径及圆度等碳纤维物理特征定量数据。建立了采用直线方程切线法寻找并计算碳纤维表面沟槽的数量及尺度的方法,发现3种碳纤维样品的边缘沟槽的深度及宽度的分布均符合Weibull分布的特征。3种碳纤维的表面物理特征随温度变化的规律相同,说明其在结构上存在着一致性。经过不同温度热处理后3种碳纤维样品的圆度值变化不大,平均直径随着热处理温度的升高逐渐减小,并且表面沟槽的数量及分布的变化规律相同,说明其结构存在一致性。3种碳纤维的圆度等表面物理特征存在一定差异,T300的圆度小于国产GCF-1及GCF-2碳纤维。

M40J和T300碳纤维的微结构

利用SEM、TEM、XPS、XRD、Raman和元素分析仪分析了M40J和T300的表面化学、物理及微观结构特征。研究发现:M40J含碳量高于T300纤维,而含氮量低于T300纤维,且表面活性基团比T300纤维低;M40J和T300碳纤维表面具有大量沟槽,前者相对长而浅,后者相对短而深;T300纤维端面皮芯结构明显,而M40J端面结构较均匀;M40J的微晶结构及取向性优于T300碳纤维。

涂层制备过程中刚性隔热瓦的变形控制

针对刚性隔热瓦涂层制备过程中高温烧结热处理所导致的变形问题,在对其变形机制分析的基础上,探索了变形控制方法。研究结果表明,刚性隔热瓦在涂层制备过程中的变形来源于涂层玻璃相降温过程中收缩所导致的对于基体材料的压应力。与常规方法相比,仅将涂覆涂层面置于高温环境中烧结热处理,或者采用厚度较大的基体材料成型涂层后再进行二次加工减薄至最终所需厚度,均可明显降低变形量,变形量随基体材料厚度的增加而减小。当这两种方法并用时可进一步降低变形量。

纳米隔热材料的热导率变化规律

为认识和掌握纳米隔热材料的热导率变化规律,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源、炭黑为遮光剂、石英纤维为增强体,采用溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥技术制备了纳米隔热材料,并采用热导率测试仪、N_2吸附-脱附、SEM、激光粒度仪对材料进行了表征。测试结果表明:未添加炭黑的材料常压热导率随表观密度的变化以203 kg/m^3为分界点,分界点之前随表观密度的增大线性降低,分界点之后则随表观密度的增大线性升高,并且后一阶段较前一阶段变化快。孔隙率相同时,常压热导率随炭黑含量的增加先降低后稍有升高,极限真空热导率逐渐降低,而常压条件下的气相热导率增大。在半对数坐标系中,气相热导率随环境气压的下降而降低,并且依据降低速率可以划分为三个阶段,101.325～30 kPa之间下降最快,且变化值约为6 mW/(m·K);30～0.1 kPa之间下降较快,且变化值约为2 mW/(m·K);0.1～0.01 kPa之间下降最慢,且基本可以忽略不计。材料常压热导率最低值为16.62 mW/(m·K),添加5wt%的炭黑后可以进一步降低至14.50 mW/(m·K)。

碳纤维表面物理特征图像处理方法

利用Image Pro Plus和Photoshop等图像处理软件对三种典型碳纤维样品断面的扫描电镜照片进行了图像分析及处理,使用Matlab对图像进行了数字化处理,计算得到国产1#及2#碳纤维样品的圆度分别是0.980和0.809,与T300碳纤维的圆度0.846有一定差异。通过该方法可以定量化地表征碳纤维表面的物理特征。

聚碳硅烷的分子量和流体力学特性表征

通过研究聚碳硅烷溶液的流体力学参数与分子量的关系以及比浓黏度与浓度的关系,得到了聚碳硅烷的分子结构信息。结果表明,聚碳硅烷绝对重均分子量Mw为1.098×10^4 g/mol,分子量分布MWD为6.7,第二维利系数A2为1.57×10^-3 cm^3·mol/g2,Huggins常数k’为1.85,流体力学半径与分子量间的标度指数b为0.21。在室温条件下,良溶剂四氢呋喃稀溶液中,聚碳硅烷链段空间分布较为紧密,分子链为非线型结构。

纳米隔热材料的孔隙结构特征与气体热传输特性

为研究纳米隔热材料孔隙结构内部的气体热传输特性,采用溶胶—凝胶工艺结合超临界干燥技术,制备了一系列具有不同孔隙结构特征的样品,通过热导率、氮气吸-脱附和真密度测试,全面、准确获取了其孔隙结构信息,并专门、系统研究了孔隙结构特征与气体热传输特性之间的关系.研究结果表明:与气相贡献热导率相对应,材料具有双尺度孔隙结构特征,并且当大孔隙尺度不及小孔隙的10倍时,可进一步等效为单尺度孔隙.考虑气固耦合传热的本征气相贡献热导率随孔隙尺度的增大而升高,与气相热导率变化类似且成一定的比例关系,孔隙尺度小于200 nm和大于500 nm时的比例系数分别为2. 0和1. 5,200~500 nm时则为2. 0~1. 5.当大、小孔隙尺度的比值不超过10时,或者这一比值为100~1000且大孔隙含量低于10%时,气相贡献热导率随环境气压的降低依次呈现快速下降、缓慢下降和无变化三个阶段;当这一比值超过3000时,即使大孔隙含量很低(不超过10%),气相贡献热导率也会依次呈现快速下降、缓慢下降、快速下降和无变化四个阶段.

多向编织碳/碳复合材料喉衬烧蚀细/微观结构的表征与分析

本文利用表面粗糙度仪和扫描电子显微镜对多向编织C/C材料喉衬烧蚀细/微观结构进行了表征与分析,结果表明:C/C材料喉衬烧蚀优先从界面、缺陷处进行,碳纤维、基体碳烧蚀速率不同,碳纤维抗烧蚀性能优于基体碳。喉衬入口部位、喉径部位及出口部位的烧蚀形貌存在显著差异,与喷管燃气的温度、组分浓度和速度等流场参数密切相关。