炭炭复合材料课件5

第5讲炭/炭复合材料的结构与石墨化1炭/炭复合材料的结构及表征1.1C/C复合材料的结构C/C复合制动材料的结构包括炭纤维的结构、基体炭的结构以及孔隙结构特征（孔隙大小、数量形状与分布），其中孔隙特征取决于材料制备的工艺条件。在其他条件相近的条件下，对材料性能影响最大的是炭纤维的结构、基体炭的结构。在偏光下炭纤维单丝表现为光学各向同性，基体炭结构通常代表了C/C复合制动材料的偏光显微结构。广义的热解炭----煤、沥青、烃类等经热解过程得到的炭材料的总称。包括炭黑、玻璃炭、热解石墨。热解炭----碳氢化合物在高温炉中经复杂的热解过程沉积到炭纤维表面的炭，也称沉积炭。结构类型颜色硬度石墨化难易度密度(g/cm3)结构参数（nm）d002LC光滑层（SL）具有暗淡黑色的外观比RL硬可留下与硬铅笔笔迹类似痕迹不易比ISO稍易1.95±0.050.340-0.344平均:0.3419.5-16.5平均:12.5粗糙层（RL）有光泽、银色般的外观比较软可留下与铅笔笔迹类似的痕迹最易2.12±0.01平均:0.33731~46平均:38.5各向同性层（ISO）介于RL与SL之间较难辨认最硬难1.66±0.020.341-0.344平均:0.3437~11平均：91.2热解炭消光角试样热解炭结构消光角ISO各向同性0SL光滑层12RL粗糙层22热解炭偏振光特性与其微观结构的关系Diefendorf和Tokarsky根据消光角范围提出了热解炭微观结构的四种类型：各向同性（ISO，Ae4°）暗层（DarkLaminar，4°≤Ae12°）光滑层（SmoothLaminar，12°≤Ae18°）粗糙层（RoughLaminar，Ae≥18°ISO高分辨SEM图象SL高分辨SEM图象RL高分辨SEM图象粗糙层热解炭的柱状生长锥TEM图象热解炭的织构取向与取向角及消光角的关系2炭/炭复合材料的石墨化及表征石墨化是通过热激活使无定形炭向石墨转变的固态反应。石墨化过程是α炭层（α炭层：含层内缺陷的炭层）向2维周期有序的β炭层（β炭层：无缺陷的石墨层）转变的过程，同时层与层之间互相有序，形成三维石墨结构。石墨化程度取决于材料织构、热处理温度、原子重排所需的时间，以及所采用的压力。2.1炭/炭复合材料石墨化特征：。，d002介于3.37~3.40Å－－部分石墨化的炭，d002大于3.40Å－－不可石墨化的炭。2.2炭/炭复合材料石墨化度的XRD测量)cos/(kLL:相干衍射长度；：波长β为半高宽；θ为Bragg角，K为Scherrer参数。d002面间距测量ndhklhkl)sin(2Lc的测量2.2.1石墨化度的测量原理石墨化度是在Franklin模型的基础上，由Mering和Maire公式计算，其简化形式为：g=(0.3440-d002)X100%/(0.3440-0.3354)d002的计算由布拉格公式算出：2d002sinθ=λ。式中，0.3354是指理想石墨晶体的层间距,0.3440是指完全未石墨化的层间距,单位为nm。2.2.2石墨化度分析No（g/cm3）热解炭光学微观结构HTg-11.85粗糙层HTg-21.76粗糙层MTg-11.75光滑层MTg-21.70光滑层表3-6试样微观结构及表观密度试样用RigakuD/MAX-3C型X射线衍射仪，CuKa单色光辐射，硅作内标，对粉末试样进行结构参数的测定。管电压35kV，电流20mA，λCu=1.54050Å测量1600180020002200240026002800020406080100HTg-1HTg-2MTg-1MTg-2g(%)T,oC16001800200022002400260028004681012141618202224262830HTg-1HTg-2MTg-1MTg-2Lc,nmT,oC石墨化过程模拟简图可石墨化炭石墨化过程MTg-1试样在2100℃热处理后的晶格条纹象MTg-1试样在2600℃热处理后的晶格条纹象经过2600℃的高温热处理后仍有乱层结构的特征可石墨化炭HTg可部分石墨化炭MTg各向同性热解炭各种热解炭结构模型HTg-2未石墨化HTg-22400℃石墨化1hrMTg-2未石墨化MTg-22400℃石墨化1hr2.2.3小结根据Franklin公式dm=3.44(1-g)+3.354g，由dm可求得g。对于可石墨化炭，随着温度的提高，体系获得能量，炭原子的热振动频率增加，振幅增大，而层间距缩小，使炭层面向三维有序的石墨结构过渡，外界提供的能量越多，炭层结构越接近于石墨结构；而对于部分可石墨化炭，由于其晶格生长的缺陷，大量晶格排列互相交错、搭界，由温升提供的外界能量不足以使这些晶面拉直，因而石墨化度到达一定数值后就升高很慢或不再升高。可石墨化热解炭的石墨化机理：无序排列BSU→在C轴方向形成较大的柱状BSU→在网平面内α炭层不断长大，逐渐向β炭层转变，且β炭层不断长大→形成较完整的ββ结构。2.3炭/炭复合材料石墨化度的喇曼光谱分析显微激光喇曼光谱反映的是被分析对象表面及其以下约50nm范围内的信息，既具备分析炭结构的能力，又能够进行微区（现已小至直径为1μm的区域）分析，很好地满足了对复合材料中不同组元炭结构分析的要求。2.3.1测量原理2.3.2石墨化分析试样炭纤维为PAN基炭纤维（日本东丽T700），沥青炭为中温沥青炭，4种C/C复合材料的基体皆为CVD热解炭。复合材料A、B、C、D的密度分别为1.76g•cm-3、1.76g•cm-3、1.79g•cm-3、1.81g•cm-3。炭纤维、沥青炭及4种复合材料均分别经受2000℃、2100℃、2200℃、2400℃、2600℃、2800℃氩气流保护石墨化处理。JOBINYVON-LabRamHR800型显微激光喇曼光谱仪。采用He-Ne激光，波长632.8nm，激光功率20kW•cm-2，单晶硅片校准，微区分析范围1μm，激光束与样品平面垂直。测量CF-炭纤维1000120014001600180020001333.491584.162200℃2600℃2400℃2800℃强度/a.u喇曼位移/cm-1喇曼位移t/℃R-1d002/nmg/%Lc/nm22000.360.3441-1.404.8024000.400.34347.355.5026000.430.342220.806.9528000.450.341726.807.75表3-9炭纤维喇曼光谱与XRD结构参数的对照随着石墨化处理温度升高，R-1增大，石墨化度值升高材料B材料C材料D图2-10C/C复合材料金相片：PyC-热解炭PyC-热解炭T/℃R-1d002/nmg/%Lc/nm20000.520.341529.114.421000.630.339255.521.922000.870.338168.2——24001.200.336983.125.226001.280.336487.926.228001.430.336389.727.6表3-10热解炭喇曼光谱与XRD结构参数的对照热解炭的石墨化度亦随R-1增大而升高0.40.60.81.01.21.41.60102030405060708090100CFCPPyCg/%R-1图2-11R-1与g的对应关系：CF-炭纤维；CP-沥青炭；PyC-热解炭喇曼光谱参数R-1与XRD石墨化度参数g的对应关系g=1-2.05exp(-2.11R-1)a．炭纤维、沥青炭、热解炭的喇曼图谱上都有两个散射强度峰，D峰位于喇曼位移约1333.49cm-1处，G峰位于喇曼位移约1584.16cm-1处。随着石墨化处理温度的改变，两峰的峰位没有变化，但两峰的相对强度却发生变化。b．D峰相对于G峰的强度R的倒数R-1与XRD方法得到的石墨化度g之间存在一一对应关系：在R-1-g关系曲线上，g值随R-1值的升高而升高，但曲线上每一点斜率随R-1值的升高逐渐减小并由正值趋向于0，二者符合公式：g=1-2.05exp(-2.11R-1)。2.3.3小结