各向同性热解炭材料中的缺陷分析和超声检测技术

利用偏光金相显微镜和超声探伤仪对高性能机械密封用块体各向同性热解炭材料中的缺陷进行表征和无损检测。偏光显微观察发现,各向同性热解炭材料中的主要缺陷主要包括三种:各向异性夹杂、裂纹和各向同性夹杂。超声实验研究表明,利用脉冲反射法超声波检测技术可有效检出各向同性热解炭制件中存在的上述缺陷。目前该技术已成功地用于各向同性热解炭产品的批量探伤。

大尺寸各向同性热解炭材料的制备与表征

采用一种新的旋转基体稳态流化床沉积装置制备大尺寸的各向同性热解炭材料。利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和XRD对各向同性热解炭材料的微观结构进行了表征,并对其力学性能进行了测试。结果表明,改进后的旋转基体稳态流化床沉积工艺能够制备出大尺寸的各向同性热解炭材料。材料的结构均匀,气孔较少,主要由球形颗粒状碳结构组成,构成这种球形颗粒状碳结构的是乱层结构的石墨片层堆积体。各向同性热解炭与传统炭材料相比具有较高的杨氏模量、硬度和强度。

热处理对各向同性热解炭材料微观结构和力学性能的影响

对化学气相沉积法(CVD)制备的各向同性热解炭材料在不同温度下进行热处理,利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射和显微激光喇曼光谱等表征手段及显微硬度实验、三点弯曲实验,研究了材料的微观结构和力学性能与热处理温度之间的关系。结果表明,随着热处理温度的提高,各向同性热解炭材料的石墨片层间距缩小,石墨化程度增加,晶粒尺寸增大,同时材料中的孔隙结构也发生了较大的变化。材料的显微硬度和弹性模量随热处理温度的升高而降低,抗弯强度在1 750℃和2 400℃之间没有变化,在2 600℃时有显著的增加。

各向同性热解石墨在压痕试验中的尺寸效应

为促进各向同性热解石墨的精密/超精密加工技术的发展,采用压痕试验的方法研究了其在纳米/微米尺度上的尺寸效应。在确立压痕试验中使用载荷可行性域的基础上,对不同载荷作用条件下存在的尺寸效应进行了研究。结果表明,为提高尺寸效应分析的准确性,本试验条件下所施加的载荷应大于450μN,且各向同性热解石墨压痕试验中硬度及弹性模量均存在一定的尺寸效应。同时,尺寸效应主要是由各向同性热解石墨表面附近球形单元内部的位错运动引起的。位错滑移阻碍较小时产生的尺寸效应较明显,位错滑移阻碍较大时产生的尺寸效应并不显著。

各向同性热解石墨超精密车削加工机理研究

通过各向同性热解石墨的纳米印压试验结果分析,并结合基于晶体结构和压头形状的应变梯度理论研究,计算出各向同性热解石墨材料发生脆塑性转变的临界切削厚度,其临界切削厚度在(335.63～1343.15)nm之间,在此范围内各向同性热解石墨材料发生了脆塑性转变,主要以塑性方式去除为主。根据脆性材料超精密切削中的脆塑性转变机理,建立了各向同性热解石墨超精密车削加工模型,并通过超精密车削试验对研究结果进行验证,表明了所建立超精密切削模型的准确性。

工艺参数对各向同性热解石墨超精密加工质量的影响

各向同性热解石墨作为一种典型的脆性材料,其切削加工问题非常突出,表面质量难以控制。使用PCD刀具进行切削试验,主要分析了切削速度、切削深度、进给量等切削参数以及刀具前角对加工表面粗糙度的影响。通过对试验结果的研究分析表明:进给量对表面粗糙度的影响最大,切削速度和背吃刀量对表面粗糙度的影响较小,而增大刀具负前角有利于改善各向同性热解石墨的加工表面质量。

各向同性热解石墨的纳米压痕试验与有限元仿真研究

通过对各向同性热解石墨进行了纳米压痕试验,得到了其材料的载荷-位移曲线。并根据Olive和Pharr理论算出了其硬度与弹性模量值,得到了主要的材料性能。在纳米压痕试验的基础上,通过有限元单元法建立了纳米压痕试验的数值模型,通过比较有限元所拟合的载荷-位移曲线和实际纳米压痕试验所得到的曲线,进行相应的修正,最后得到了该材料的塑性性能,也证明了有限元仿真的可行性。

CVD制备各向同性热解炭的微观结构表征及沉积机制研究

利用化学气相沉积设备及自行设计的沉积室,以高纯石墨为沉积基体,天然气为前驱体,沉积温度1200℃,在不同气体流量下(0.10,0.15,0.20m3/h)制备出了各向同性热解炭块体材料。利用XRD、Raman、SEM、TEM分析手段对材料的微观结构进行了研究。结果表明:各向同性热解炭由粒径为1.5～2.5μm的颗粒组成;热解炭微晶的Lc和La随着气体流量的增加而增大;TEM中选区电子衍射图谱中d002环为圆环,取向角为180°,定量地揭示制备的热解炭为各向同性。

载荷对各向同性热解炭干态摩擦磨损行为的影响

在室温干态条件下,利用环-块滑动摩擦实验研究了不同载荷下各向同性热解炭材料(IPyC)与热处理40Cr钢配副的摩擦磨损行为。结果表明:材料的摩擦性能受到载荷的影响,不同的载荷条件下,各向同性热解炭的摩擦系数为0.10～0.12,体积磨损量为0.15～0.30 mm3。研究表明,不同载荷下形成的磨屑膜和转移膜是影响材料摩擦磨损行为的主要因素。

聚晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨过程中的磨损机理

针对各向同性热解石墨切削过程中刀具磨损过快的问题,采用聚晶金刚石(PCD)刀具进行了切削加工试验。研究了切削过程中PCD刀具的磨损形式、磨损规律以及刀具磨损对表面加工质量的影响。试验结果表明:PCD刀具磨损主要发生在后刀面上,磨损形式为磨粒磨损和氧化磨损。磨损区域可以分为平行沟槽和严重磨损两种形貌。初始磨损阶段,磨损带长度急剧增大,并在切削1200m后进入正常磨损阶段。切削过程中还出现了石墨切屑在磨损区域的黏附堆积和刀具崩刃现象。切削初期,随着切削距离的增大,加工表面粗糙度值急剧增大,切削距离为600m时表面粗糙度达到最大值1.7μm。

单晶金刚石刀具切削各向同性热解石墨的磨损机理

为了研究各向同性热解石墨切削过程中单晶金刚石刀具磨损及其对加工质量的影响,对各向同性热解石墨材料进行了切削试验。观测了刀具磨损形貌的演变过程,分析了刀具磨损机理以及刀具磨损对加工表面质量的影响。研究结果表明,在切削距离逐渐增加的情况下,单晶金刚石刀具后刀面磨损区域逐渐增大,磨损形貌分为平行沟槽和微细网状两种。切削过程中产生的颗粒状切屑和交变应力分别是导致磨粒磨损和解理磨损的主要原因。切削距离300 m内,试件加工表面粗糙度值Ra在0.2~0.4μm之间波动,切削距离达到1000 m以后,试件加工表面粗糙度值明显增大,但是保持了相对稳定,表面粗糙度值Ra约为0.8μm。

各向同性热解石墨硬度逆压痕尺寸效应研究

为实现各向同性热解石墨材料的高质量精密切削加工,采用维氏压痕试验的方法,研究了各向同性热解石墨在微观尺度上的硬度变化规律。试验结果表明各向同性热解石墨在微观尺度上存在明显的硬度压痕尺寸效应(ISE)现象,且使用Meyer方程判定出该尺寸效应为逆压痕尺寸效应(RISE)现象。同时,使用比例试样阻力(PSR)模型得出各向同性热解石墨的真实硬度HV值以及测试硬度时应采取的合适载荷范围。各向同性热解石墨逆压痕尺寸效应形成的主要原因是位错滑移到晶界处造成位错增殖以及位错塞积,以及在晶界中发生位错交割使材料发生剧烈塑性变形造成裂纹萌生,进而发生加工硬化的现象,在压痕试验中即表现为硬度的逆尺寸效应。

切削参数对各向同性热解石墨切削力的影响

为了研究切削参数对各向同性热解石墨车削过程中切削力的影响,采用单因素试验法及聚晶金刚石刀具进行了切削试验。试验结果表明,切削速度、进给量及切削深度均可显著影响各向同性热解石墨的切削力,且切削深度以及进给量对切削力的影响较为突出。以最小切削力为优化目标,对切削参数进行了优化选择。在选取最佳组合参数的基础上,对材料进行了切削试验,并得到了表面粗糙度Ra值为0.04μm的加工表面。

PCD和SCD刀具车削各向同性热解石墨时的性能对比

采用聚晶金刚石(PCD)刀具和单晶金刚石(SCD)刀具进行了各向同性热解石墨切削加工试验,对刀具磨损过程、磨损机理和表面加工质量进行了对比研究。通过对试验结果的研究分析表明:两种刀具的磨损主要发生在后刀面,且切削刃都出现了微崩刃。PCD刀具后刀面上形成了平行沟槽和严重磨损两种磨损形貌,SCD刀具后刀面上形成了平行沟槽和微细网状两种磨损形貌。PCD刀具的磨损机理主要磨粒磨损,SCD刀具的磨损机理则主要是解理磨损和磨粒磨损,切削过程中持续波动的切削力是造成两种刀具微崩刃的主要原因。虽然两种刀具的加工表面都存在不同程度的凹坑,但与PCD刀具相比,SCD刀具具有较好且稳定的加工性能。

沉积条件对低温各向同性热解炭形貌的影响

研究沉积温度和丙烷气体体积分数对低温各向同性热解炭（LTIC）形貌的影响,并用成核-生长理论解释材料形貌的成因。该热解炭材料由不同体积分数的丙烷通过准稳态流化床化学气相沉积法（FBCVD）在1 250~1 450℃的沉积温度下得到。研究结果表明：随着沉积温度或丙烷气体体积分数的升高,各向同性热解炭的类球形颗粒状形貌越来越明显,且密度降低,沉积过程由生长模式向成核模式过渡。沉积模式随沉积条件的改变会决定热解炭形貌的改变,而这些变化与气相中形成的线性分子和小分子芳烃与稠环芳香烃（PAHS）的比以及液滴的黏度改变有关。

硬质合金刀具切削各向同性热解石墨磨损机理

针对各向同性热解石墨切削过程中刀具磨损过快的问题,采用硬质合金刀具进行了切削加工试验,研究了切削过程中硬质合金刀具的磨损形式、磨损过程以及刀具磨损对表面加工质量的影响。通过对试验结果的研究分析表明:硬质合金刀具磨损形式为后刀面磨损以及切削刃崩刃破损,刀具磨损机理为磨粒磨损。刀具的有效切削距离仅为250m左右,已加工表面分布着形状和深度大小不一的凹坑,表面加工质量差,硬质合金刀具作为各向同性热解石墨的切削刀具具有一定的局限性。

油润滑条件下各向同性热解石墨/GH4169的摩擦学行为

各向同性热解石墨由于具有优异的力学性能以及极低的孔隙率,在机械密封领域具有广泛的应用前景,但目前针对各向同性热解石墨的摩擦磨损试验开展较少。采用MMW-10环-盘端面摩擦磨损试验机,通过改变转速和载荷,对各向同性热解石墨与GH4169配副的摩擦学行为进行研究。结果表明:在油润滑条件下,随着转速的增加,各向同性热解石墨的摩擦因数与磨损率呈现出先减小后增加的趋势,200 r/min时获得最小值;而摩擦因数与磨损率随载荷的增加逐渐减小,2 kN时获得最小值,且载荷对磨损率的影响更加明显。各向同性热解石墨的磨损形式主要为类抛光、擦伤及犁沟。各向同性热解石墨的润滑机理与液体膜的形成以及摩擦配副表面的接触特性密切相关。揭示了各向同性热解石墨在油润滑条件下的磨损机制以及润滑机理,为其在机械密封领域的应用提供和积累了参考依据。

低温各向同性热解炭的沉积工艺

一、前言热解炭由于其独特的理化性能,在航空、航天、核工业等很多领域得到了应用.其中低温热解炭由于弯曲强度大于4000psi(2812.4kgf/cm^2),弹性模量低,断裂形变大于2%,及在一定的限度内可以通过变化它的密度从而改变其热膨胀系数等特性,

各向同性热解石墨车铣加工对比试验研究

本文针对各向同性热解石墨加工表面质量较差的问题,分别利用硬质合金刀具进行了车削和铣削各向同性热解石墨试验,观测了加工表面的微观形貌,测量了已加工表面粗糙度值,在此基础之上,对比分析了车削和铣削这两种加工方法的优劣。从加工表面的微观形貌看,铣削加工表面残余凹坑少,而且深度小;从已加工表面粗糙度值来看,铣削加工表面的粗糙度值小而且稳定。综合来看,对于各向同性热解石墨的加工,相比车削加工而言,铣削加工更具优势。

天然石墨球-热解炭核壳结构的制备及电化学性能研究(英文)

通过化学气相沉积的方法,以乙炔为碳源,天然石墨球为原料,采用不同流化床CVD工艺和不同的反应时间,制备出具有光滑表面或颗粒状热解炭包覆层的核-壳构型改性天然石墨球。改性天然石墨球的核体是具有高度有序石墨结构的天然石墨,而壳体是无序结构的热解炭。与天然石墨球相比,具有核-壳结构的改性天然石墨球的首次库仑效率和循环性能都得到显著改善。尤其是具有颗粒状热解炭包覆层的改性石墨具有优异的循环性能,在41次循环后其放电容量仍为首次容量的84%,这一改善归因于表面沉积的颗粒状热解炭有效地降低了改性天然石墨颗粒之间的接触电阻和增加了接触面积。