Fe/N/C材料在质子交换膜燃料电池中阴极催化剂的研究进展

从ORR反应的机理出发,结合Fe/N/C材料的制备方式,从活性位点角度分析了Fe/N/C材料高效氧还原电催化的机制,并针对在高性能Fe/N/C材料开发过程中存在的各种稳定性问题进行阐述。对于Fe/N/C催化剂在燃料电池中的应用前景提出建议和展望,为今后Fe/N/C材料的发展提供了参考。

添加树脂碳对针刺C/C-SiC材料熔渗行为及性能的影响

以2.5D无纬布/网胎叠层针刺预制体为增强体,采用化学气相渗透和树脂浸渍裂解法制备了密度约1.35 g/cm 3的热解碳C/C、热解碳+树脂碳C/C两种坯体,再经反应熔渗获得C/C-SiC复合材料,分析了不同碳基体组分C/C材料的熔渗特性及其微结构、拉伸性能及氧乙炔烧蚀性能的变化规律。结果表明:相比热解碳的“薄壳”型孔隙结构,树脂碳的“狭缝”型孔结构增大了液Si与碳基体的接触面积,提高了熔渗动力,获得致密度和SiC含量高的C/C-SiC复合材料,提升抗烧蚀性能,在氧乙炔火焰下经400~600 s烧蚀的线烧蚀率降低24%,但树脂碳对液Si的诱导渗透增加了骨架承载体的损伤,使树脂碳+热解碳基C/C-SiC复合材料室温拉伸强度(104±3)MPa低于热解碳基C/C-SiC的(118±3)MPa。

粒子侵蚀对C／C材料烧蚀性能影响研究

为了研究粒子侵蚀对C/C喉衬烧蚀性能的影响,文章首先对烧蚀发动机内流行数值模拟,获取粒子运动轨迹,得到粒子撞击收敛段及喉部的速度、角度和浓度,为粒子侵蚀提供表征参数;同时进行地面小型发动机含铝/无铝对比烧蚀试验。利用扫描电镜和三维微观成像等测量手段进行喉衬微观烧蚀形貌的研究。通过数值模拟和烧蚀试验结果分析:①在小喉径条件下有无粒子侵蚀对C/C材料的烧蚀率影响不大,热化学烧蚀后的纤维单丝比有粒子侵蚀的要尖锐,基体表面上未出现粒子侵蚀的明显痕迹;②粒子以碰撞的模式作用于喷管的收敛段,以磨蚀的模式作用于喷管的喉部及扩张段;且收敛段以粒子侵蚀为主,喉部和扩张段以热化学烧蚀为主。

软硬混编预制体增强沥青基4D-C/C材料的拉伸破坏行为

以X-Y平面依次铺设炭纤维束、Z向穿插炭棒的4D软硬混编为预制体,采用沥青液相常压、高压浸渍/炭化-石墨化循环致密工艺制备4D-C/C复合材料。通过该材料Z向(炭棒方向)的拉伸实验,测定其拉伸性能和力学行为,并采用SEM分析试样表面及断口形貌。结果表明:宏观上拉伸试样以炭棒整体拔出的形式破坏;细观尺度上,试样表面形成了与载荷方向垂直的贯穿性裂纹,裂纹以2 mm左右的距离呈等间距分布;材料进一步的破坏过程中,基体裂纹在X-Y向纤维束中呈线性扩展,快速分割了基体材料,使4D-C/C复合材料的拉伸破坏演变为1D-C/C复合材料的破坏模式,由于炭棒与基体炭界面结合弱,炭棒以拔出方式失效和破坏。

颗粒冲刷对C/C材料烧蚀影响的实验研究

为研究粒子直接撞击模式下C/C材料的烧蚀形貌及性能,丰富C/C材料烧蚀研究,开展了粒子侵蚀实验。利用扫描电镜和三维微观成像等测量手段进行微观烧蚀形貌的研究,结果表明颗粒冲刷条件下由于粒子的直接撞击,侵蚀区域出现小凹坑,但轴棒纤维突出,轴棒表面出现大小不同的凹坑,部分单丝从基体中断裂,形成微观锥形孔穴形貌,径向纤维束部分区域出现孔和开槽,整体形貌不再连续一致;未侵蚀部位的微观形貌和烧蚀试验中的喉部形貌一致,单丝呈现笋尖状。

无纬布/网胎叠层针刺C/C材料的制备及性能

以无纬布/炭纤维网胎叠层针刺预制体为增强体,经化学气相渗透(CVI)联合沥青浸渍/高压炭化(HPIC)方法制备了针刺C/C材料,研究了该材料的热力学性能,并与整体毡C/C材料进行了对比。结果表明:针刺C/C材料室温及2 800℃下轴向拉伸强度分别为24.50 MPa和52.88 MPa,较整体毡C/C材料分别提高了138%和170%,且拉伸破坏模式为假塑性。针刺C/C材料热物理性能优于整体毡C/C材料,1 000℃轴向热膨胀系数仅为1.409×10-6/℃,相比降低了64%。针刺C/C材料优异的机械强度和良好的热物理性能为其在固体火箭发动机中的应用奠定了基础。

高浓度粒子冲刷条件下多向编织C／C材料烧蚀研究

基于一种粒子速度、浓度可调的高浓度粒子侵蚀发动机,针对多向编织C/C复合材料开展2次粒子侵蚀实验,获得粒子直接撞击模式下C/C材料的烧蚀性能和微观形貌。实验结果表明,高浓度粒子侵蚀发动机可以用于预示全尺寸发动机潜入段的烧蚀环境;粒子侵蚀后的C/C材料部分径向纤维顶端呈现明显的断裂形貌,纤维束出现孔和开槽,整体形貌不再连续一致;轴棒表面出现大小不同的凹坑,形成基体高于单丝的微观孔穴形貌;颗粒速度和浓度是影响C/C材料烧蚀的重要因素,速度越高,浓度越大会导致粒子侵蚀更加严重。

硼在先驱体转化制备2DC_f／SiC材料中的应用

研究了含硼(B)的聚碳硅烷(PCS)／二乙烯基苯(DVB)先驱体的裂解,并以B为活性填料,SiC微粉为惰性填料,PCS／DVB为先驱体制备了2D Cf／SiC-B材料。考察了B粉含量对材料力学性能和抗氧化性能的影响。结果表明,B的引入可以有效提高先驱体的陶瓷产率,缩短制备周期,当浆料中B含量为15(?)％时,6次浸渍-交联-裂解周期后,材料的弯曲强度达到301．3MPa,与不添加活性填料制备的材料9个周期后的性能基本相当。当浆料中B含量为5(?)％时,材料的力学性能和抗氧化性能均较好,9个周期后,材料的弯曲强度和断裂韧性分别达到351．3 MPa,13．7 MPa·m1/2,较不添加活性填料制备的材料力学性能有所提高,在1300℃马弗炉中氧化10 min后,弯曲强度和断裂韧性保留率分别达到了79．4％和80.3％,较未添加活性填料的Cf／SiC材料有明显提高。

液相炭化致密叠层针刺C/C材料的制备及性能

为了研究C/C材料快速致密的工艺,采用常压炭化和高压炭化联合致密的纯沥青液相炭化工艺,对叠层针刺C/C材料进行致密化处理,使预制体密度由0.48 g/cm3增至1.92 g/cm3,对该材料的力学及热学性能进行了测试,与整体毡C/C材料性能进行了对比,并利用扫描电子显微镜观察了材料的显微结构。结果表明,该材料具有较好的力学与热学性能,微观结构界面结合良好。

高温处理对PCS裂解SiC基体的微晶形态及C/C-SiC材料性能的影响

采用聚碳硅烷(PCS)作为先驱体,通过浸渍裂解法制备C/C-SiC材料,分别经过1 400、1 500、1 600℃高温处理,研究了不同处理温度对SiC基体的微晶形态及C/C-SiC材料力学性能和抗氧化性能的影响。结果表明,3种处理温度下,SiC的晶型主要为β-SiC。温度升高,晶粒尺寸增大,1 500℃以后生长速度减缓;SiC微晶优先沿着(111)晶面生长,(220)和(311)晶面的生长取向逐渐增加。处理温度升高,C/C-SiC材料的弯曲强度和剪切强度不断下降。1 400℃处理后,C/C-SiC材料的断裂方式呈现出非常明显的韧性断裂。C/C-SiC材料在1 500℃静态空气中的氧化失重率随高温处理温度的升高而逐渐增大,氧化程度越来越严重,断面典型区域的氧化形貌由"尖笋状"成为"梭形"。

C/SiC材料疲劳试验加载频率的数值研究

材料S-N曲线和结构动应力响应是声疲劳寿命评估的两个要素,而热结构材料C/SiC的S-N曲线具有强的频率依赖性。为得到典型C/SiC材料热结构声疲劳寿命评估可用的S-N曲线,分析了随机信号的水平穿越问题,导出随机信号的正斜率穿越率计算公式。论证了随机信号的正斜率零穿越率表征了信号的统计平均频率,且可直接由功率谱密度函数计算得到。对一C/SiC加筋壁板在声压载荷下的随机动响应进行数值仿真,在声载荷下壁板3个典型部位动应力响应的平均频率的最大值为532Hz,数值算例验证了正斜率零穿越率与随机信号在单位时间内的循环次数近似相等。因此在对该结构寿命评估前,测定材料S-N曲线应使试验加载频率尽可能接近532Hz。

MgO-ZrO_2-C材料的性能和显微结构

研究了在MgO -C耐火材料中添加单斜氧化锆或锆英石所形成的MgO -ZrO2 -C材料的性能和显微结构。结果表明 :(1)加入单斜氧化锆和锆英石导致材料的高温抗折强度降低。 (2 )热震温度低于 10 0 0℃时 ,加入不同量的单斜氧化锆或锆英石对材料抗折强度损失率的影响较小 ;而热震温度为12 0 0℃时 ,不同的添加量有较大的差别 ,当单斜氧化锆的添加量为 5 %～ 7% ,锆英石的添加量为 1.5 4 %时 ,MgO -ZrO2 -C材料的抗折强度损失率最小。 (3)添加的单斜氧化锆在 12 0 0℃的热震温度下有部分ZrO2 固溶到了镁砂颗粒的内部 ;而添加的锆英石在 12 0 0℃下变化轻微 ,但在 14 0 0℃下 ,材料中仅存在少量未分解或分解不完全的锆英石 ,MgO由基质向锆英石颗粒内部扩散 ,导致分解完全的锆英石颗粒转变为ZrO2 、CMS和c ZrO2 小颗粒。

热-力-氧环境下C/SiC材料损伤失效行为研究

C/SiC复合材料广泛应用于航空航天领域,在热-力-氧耦合环境下不可避免会面临损伤失效问题。本研究结合独创的高温力学加载装置、三维X射线显微成像技术和SEM表征,详细探究了C/SiC复合材料的内部微结构演化特征和断口形貌,分析了微孔洞/裂纹的分布与演变,揭示了C/SiC复合材料在1650℃有氧环境下的力学性能和损伤失效机制。研究结果表明,在热-力-氧环境的共同作用下,纤维迅速发生氧化反应,导致孔隙率快速增加;微裂纹在纤维与基体界面迅速诱发并扩展,从而引发纤维束的断裂、拔出,以及裂纹偏转等相互交织的损伤断裂机制。

改性C/C材料梁结构四点弯高温应变光纤传感测量

本文根据梁结构四点弯模型挠度与应变的关系特点,采用自主研制的光纤高温应变复合传感器,在改性C/C材料结构表面用高温无机胶粘贴布设传感器,放入高温挠度试验机进行常温至800℃条件下的四点弯加载试验,获得不同挠度下光纤复合传感器所测的应变数据,并与按四点弯模型计算的参考应变作对比,相对误差1-范数平均值在10%以内。通过有限元进行四点弯模型仿真计算,获得不同挠度下试验件上的应变仿真数据和光纤复合传感器测量的应变仿真数据,二者相对误差为7.56%。高温挠度试验和有限元仿真结果均证明,在测量梁的弯曲应变时,光纤高温应变复合传感器测量结果大于挠度对应的梁的实际应变值,相对误差在10%以内。

440C材料零件表面特殊磁痕的原因分析

采用荧光渗透检测、金相检查及能谱分析,对440C材料在磁粉检测中发现的特殊纵向磁痕及形成原因进行分析。结果表明,该磁痕是一种非相关显示,是由于材料中共晶碳化物严重带状偏析,碳化物与基体的磁导率存在差异引起磁感应线发生畸变,从而吸附磁粉形成的。

载气对CVIC/C材料密度和热解炭结构分布的影响

采用定向流动热梯度CVI工艺,以丙烯作炭源气,以针刺炭纤维整体毡作预制体分别研究了加氢气和氮气作载气对C/C复合材料密度和热解炭结构分布的影响。结果表明,载气对热梯度CVI C/C材料密度和热解炭结构沿径向分布的均匀性有重要影响。当其它工艺条件相同时,经过400 h的沉积,采用N2作载气时所得炭盘的平均体密度为1.54 g/cm3,炭盘密度沿径向分布的偏差Δρ为0.24 g/cm3,在炭盘的外侧易形成SL结构热解炭;而采用H2作载气时,可以得到平均体密度为1.67 g/cm3、热解炭结构分布高度均匀的全RL结构PyC基C/C复合材料,且炭盘密度沿径向分布的偏差Δρ仅为0.11 g/cm3,密度分布均匀性提高一倍以上。不管是采用N2还是H2作载气,炭盘的密度沿周向分布都十分均匀(Δρ≤0.02 g/cm3),且炭盘的较低密度部位均位于中间偏内侧。

高温烧蚀条件下C/C材料热力耦合场模拟

热防护材料在高温、高焓、高压环境中因物理、化学和力学因素造成质量损失引起材料烧蚀,使其热力学和热物理性质发生不可逆变化,表现出复杂的非线性特征。通过对碳基复合材料热化学烧蚀机理分析,由质量守恒、能量守恒及系统化学反应的热化学平衡原理,建立相应的热化学和热力学烧蚀模型。基于材料线烧蚀引起边界移动建立热传导方程;对温度场以及热应力场求解时充分考虑材料变物性特征。通过数值模拟表征材料在高温烧蚀条件下的动态热力学行为,与实验结果吻合较好,实现了材料在高温、高过载等复杂因素耦合作用下的实时仿真。

C/C材料-高硅氧布/酚醛树脂复合缠绕制品工艺研究

随着固体发动机推进剂性能的提高,对发动机喷管绝热扩散段抗冲刷性能的要求也不断提高。通过对C/C-高硅氧布/酚醛复合材料制品缠绕成型的工艺研究,即在C/C材料外型面补缠高硅氧布/酚醛材料,了解不同材料的复合成型方法,选择一种适合绝热扩散段的工艺方法,提高材料的烧蚀性能和抗冲刷性能。

热梯度CVI C/C材料的结构与性能

以炭纤维整体毡为预制体 ,采用热梯度CVI工艺制备了两种不同结构基体炭的C/C材料 ,即RL结构和SL结构材料。采用光学金相仪 ,X射线衍射仪 ,硬度计 ,激光导热仪等设备研究了沉积态和热处理态C/C材料的显微结构及热物理性能。对比研究了两种结构材料的力学性能及摩擦摩损性能。结果表明 :当密度超过一定值后 ,密度对C/C材料的力学性能和摩擦性能的影响远不如CVD炭结构的影响大 ;不管是沉积态还是热处理态 ,RL结构材料的刹车性能曲线明显优于SL结构材料的刹车性能曲线 ,这意味着CVD炭的微观结构不同是造成C/C材料摩擦性能差异的根本原因。

一种快速制备C/C材料方法的探索研究

介绍了一种新的C/C材料制备方法快速化学液气相渗透致密法。利用该技术 ,采用碳毡作预制体 ,以两种液态低分子有机物作碳源前驱体 ,沉积时间在 3h内 ,沉积温度在 90 0℃～ 110 0℃范围内可获得密度达 1.74g/cm3的C/C材料。碳纤维表面最大沉积速率可达 6 4 μm/h ,比传统的等温CVI沉积速率(0 .1μm/h～ 0 .2 5μm/h)提高了 2 0 0倍以上 ,并初步分析了该技术快速致密多孔预制体的机理。