高性能炭炭復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究

項(xiàng)目名稱：高性能炭/炭復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：黃伯云中南大學(xué)起止年限：2006.1至2010.12依托部門(mén)：教育部一、研究?jī)?nèi)容擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題縱觀國(guó)內(nèi)外C/C復(fù)合材料已有的研究成果，不難發(fā)現(xiàn)C/C復(fù)合材料的研究主要存在如下五個(gè)基本問(wèn)題亟待解決：(1)大規(guī)格異型炭纖維預(yù)制體的設(shè)計(jì)、編織與成型難；(2)基體炭的組織結(jié)構(gòu)尚不能自主控制，制備周期長(zhǎng)、成本高；(3)C/C材料中炭結(jié)構(gòu)的高溫演變機(jī)制不明；(4)C/C復(fù)合材料中炭纖維/基體炭、基體炭/基體炭的界面特征缺乏深入研究，沒(méi)有形成系統(tǒng)的界面表征方法；(5)沒(méi)有建立系統(tǒng)的C/C復(fù)合材料環(huán)境服役行為評(píng)價(jià)體系，環(huán)境損傷防護(hù)水平低，應(yīng)用領(lǐng)域受到嚴(yán)重制約。因此，本項(xiàng)目擬通過(guò)解決三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：(1)C/C復(fù)合材料碳原子排列機(jī)理及其演變機(jī)制；(2)C/C復(fù)合材料界面效應(yīng)與設(shè)計(jì)；(3)C/C復(fù)合材料的服役失效與防護(hù)機(jī)理。以期建立制備高性能C/C復(fù)合材料的理論基礎(chǔ)平臺(tái)，推動(dòng)我國(guó)C/C復(fù)合材料制備技術(shù)及其應(yīng)用水平的大幅度發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容(1)通過(guò)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)等物理場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其作用機(jī)理的研究，利用數(shù)值分析和模擬，建立坯體內(nèi)部傳質(zhì)和傳熱的動(dòng)力學(xué)模型，探討在多元耦合物理場(chǎng)作用下CVI過(guò)程特征，碳原子排列機(jī)理，以及熱解炭形核、快速長(zhǎng)大機(jī)理，形成RL、SL、ISO等熱解炭結(jié)構(gòu)的精確控制技術(shù)，獲得物理場(chǎng)和熱解炭結(jié)構(gòu)的關(guān)系，形成高性能C/C復(fù)合材料的制備技術(shù)體系。(2)研究液、固相炭有機(jī)先驅(qū)體改性、耐燒蝕元素及異類元素的加入及其作用，獲得高性能C/C復(fù)合材料的原材料。通過(guò)常壓和高壓炭化，研究炭微觀結(jié)構(gòu)的演變機(jī)理及增密作用，同時(shí)研究氣、液、固相復(fù)合增密的碳原子排列機(jī)理及精確控制技術(shù)。(3)以物理化學(xué)和晶體學(xué)原理為基礎(chǔ)，研究材料石墨化過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，探討熱處理過(guò)程中基體炭的炭結(jié)構(gòu)演變機(jī)理。同時(shí)，探討異類元素、應(yīng)力對(duì)炭結(jié)構(gòu)演變的作用及機(jī)理。通過(guò)研究Raman散射強(qiáng)度比IG/ID與石墨化度g之間的定量關(guān)系，建立基于Raman和粉末XRD的復(fù)合材料微區(qū)及整體石墨化度的精確定量表征體系。(4)研究不同炭纖維預(yù)處理方法中纖維改性的機(jī)制，通過(guò)炭纖維表面處理調(diào)整炭纖維表層碳原子的排列。建立炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能等關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，研究計(jì)算機(jī)仿真模擬的方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其可設(shè)計(jì)性。研究復(fù)雜、異型炭纖維預(yù)制體編織方法。(5)在炭纖維表面(活化與潤(rùn)濕性等)處理和改性的基礎(chǔ)上，研究炭纖維表面結(jié)構(gòu)對(duì)CVI沉積碳原子的誘導(dǎo)及與其堆積模式的關(guān)系。采用現(xiàn)代研究手段，研究炭纖維與基體炭、基體炭與基體炭之間界面結(jié)構(gòu)特征，形成系統(tǒng)的C/C復(fù)合材料界面特征表征方法。通過(guò)研究炭纖維與基體炭之間的晶格匹配及其能勢(shì)，炭纖維與基體炭、基體炭與基體炭之間界面的應(yīng)力場(chǎng)特性，進(jìn)而研究界面特性對(duì)C/C復(fù)合材料物理、化學(xué)和力學(xué)性能的影響規(guī)律及其機(jī)理。(6)制備具有不同炭纖維及編制方式、不同基體炭類型及結(jié)構(gòu)的C/C復(fù)合材料，并經(jīng)不同的高溫?zé)崽幚?，研究其作為摩阻和減摩材料在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、高速、重載和不同環(huán)境氣氛等工況條件的摩擦磨損行為。在此基礎(chǔ)上，采用分形理論研究表面/次表面/基體部位的應(yīng)力場(chǎng)、摩擦熱場(chǎng)、材料損傷和組織結(jié)構(gòu)（如石墨微晶取向和有序度）以及磨屑的變化規(guī)律，建立摩擦磨損機(jī)理的物理模型和材料組織結(jié)構(gòu)特性與摩擦磨損性能之間的聯(lián)系，為制動(dòng)耐磨和密封減磨等應(yīng)用條件下自主調(diào)節(jié)材料摩擦磨損性能提供理論基礎(chǔ)。(7)研究C/C材料導(dǎo)熱系數(shù)隨炭纖維體積分?jǐn)?shù)和取向、石墨化度、孔隙/結(jié)構(gòu)/分布、界面結(jié)構(gòu)及環(huán)境狀態(tài)的演變規(guī)律，探討控制C/C材料導(dǎo)熱性能的有效途徑。建立導(dǎo)熱性能預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)體系。采用有限元法，探討炭纖維及其周圍基體沿纖維軸向及徑向熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理。研究在外加溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)共同作用下添加元素的作用機(jī)理，探討控制C/C材料導(dǎo)熱性能的有效途徑。(8)通過(guò)研究C/C材料在物理場(chǎng)(溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等)、化學(xué)場(chǎng)作用前后的結(jié)構(gòu)、性能變化規(guī)律，探討C/C材料環(huán)境服役行為。采用CVI、HCVI、有機(jī)溶劑浸漬、涂覆等工藝制備Hf、Ta、Si等難熔金屬碳化物和氧化物功能復(fù)合梯度涂層。以高溫風(fēng)洞模擬，輔以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證和修正，研究材料的環(huán)境損傷行為，探討其防護(hù)機(jī)理。研究涂層/基體系統(tǒng)的損傷失效機(jī)理，形成C/C材料抗氧化技術(shù)的理論體系。二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)：通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，研究C/C復(fù)合材料的制備工藝、結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系，探索碳原子排列機(jī)理，研究C/C材料結(jié)構(gòu)多樣性和性能多樣性，奠定高性能C/C材料制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的理論基礎(chǔ)；推進(jìn)C/C材料高性能、低成本化，滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高新技術(shù)領(lǐng)域的重大需求，加速其在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用；推動(dòng)C/C材料制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)向高、精、尖發(fā)展，滿足我國(guó)國(guó)防建設(shè)的需求。五年預(yù)期目標(biāo)：(1)通過(guò)高性能C/C復(fù)合材料基礎(chǔ)研究，取得如下相關(guān)理論成果：研究多元耦合物理場(chǎng)作用下快速CVI增密和C/C復(fù)合材料炭結(jié)構(gòu)的調(diào)控，揭示C/C復(fù)合材料炭結(jié)構(gòu)形成及演變機(jī)理。研究炭纖維表面結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)特征，探明C/C復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)形成機(jī)制。研究C/C復(fù)合材料在摩擦、導(dǎo)熱、氧化、燒蝕等環(huán)境中的服役行為，建立材料失效防護(hù)的理論體系。(2)為提高C/C復(fù)合材料的性能和降低成本，發(fā)展以下新技術(shù)原型：形成系列高性能C/C航空制動(dòng)材料原型，支撐我國(guó)大型民用飛機(jī)、數(shù)千架軍機(jī)先進(jìn)制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。形成輕質(zhì)耐燒蝕材料和熱防護(hù)C/C材料原型，為發(fā)展我國(guó)高性能火箭、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和高超聲速飛行器的先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。形成導(dǎo)熱隔熱、熱結(jié)構(gòu)、耐腐蝕高性能C/C材料原型，為國(guó)家大型制造業(yè)、化工業(yè)以及國(guó)家重大工程提供材料技術(shù)保障。(3)通過(guò)高性能C/C復(fù)合材料基礎(chǔ)研究，達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：創(chuàng)立短周期、低成本、高性能C/C復(fù)合材料多場(chǎng)耦合制備新工藝，周期縮短40%、成本降低30%。高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料材料導(dǎo)熱系數(shù)提高25%，隔熱C/C復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)降低25%,建立C/C復(fù)合材料環(huán)境服役防護(hù)體系，熱防護(hù)材料壽命達(dá)到15s(3150℃)，熱結(jié)構(gòu)材料壽命達(dá)到30hrs(1700℃(4)培養(yǎng)博士后10~20人、博士50~80人、碩士80~100人，形成我國(guó)C/C復(fù)合材料的高水平研究團(tuán)隊(duì)；發(fā)表論文260篇以上，其中SCI、EI源刊物150篇，申請(qǐng)專利10項(xiàng)以上。三、研究方案學(xué)術(shù)思路以物理學(xué)、化學(xué)、物理冶金學(xué)、物理化學(xué)、表面科學(xué)等基本原理為基礎(chǔ)，結(jié)合C/C材料的結(jié)構(gòu)特征(單一炭元素構(gòu)成的過(guò)渡型結(jié)構(gòu))，運(yùn)用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)、分析手段，圍繞本項(xiàng)目擬解決的三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，在快速CVI、高壓炭化、熱處理、纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、摩擦與減磨、導(dǎo)熱與隔熱、環(huán)境防護(hù)八個(gè)方面展開(kāi)系統(tǒng)、深入的研究，以建立高性能C/C復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論體系，形成相關(guān)技術(shù)原型。技術(shù)途徑(1)C/C復(fù)合材料碳原子排列機(jī)理及其演變機(jī)制以熱物理學(xué)和電磁學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)外加或內(nèi)置的方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)CVI，構(gòu)建坯體內(nèi)部的多元耦合物理場(chǎng)；采用數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)模擬，建立坯體內(nèi)部傳質(zhì)和傳熱的動(dòng)力學(xué)模型；以晶體學(xué)理論為基礎(chǔ)，探討多元耦合物理場(chǎng)作用下熱解炭形核、長(zhǎng)大的理論模型，形成物理場(chǎng)和熱解炭結(jié)構(gòu)的關(guān)系圖；利用無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)的方法，產(chǎn)生原子態(tài)碳，研究制備C/C復(fù)合材料的新方法；以高分子化學(xué)為基礎(chǔ)，研究常壓和高壓炭化作用下瀝青、樹(shù)脂改性機(jī)理。通過(guò)外加或預(yù)置方式，在C/C材料中引入異類元素或應(yīng)力，探討其對(duì)炭結(jié)構(gòu)演變的作用及機(jī)理；以物理化學(xué)和晶體學(xué)原理為基礎(chǔ)，結(jié)合石墨化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，探討熱處理過(guò)程中炭結(jié)構(gòu)演變的機(jī)理；以Raman散射和XRD固體物理學(xué)原理為指導(dǎo)，建立Raman散射強(qiáng)度比IG/ID與石墨化度g之間的定量關(guān)系，以及基于粉末XRD譜線的復(fù)合材料整體石墨化度的計(jì)算模型。(2)C/C復(fù)合材料界面效應(yīng)與設(shè)計(jì)建立炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，研究計(jì)算機(jī)仿真模擬的方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其預(yù)先可設(shè)計(jì)性；結(jié)合后續(xù)的CVI增密過(guò)程，研究炭纖維表面改性處理后表面碳原子結(jié)構(gòu)對(duì)CVI熱解炭形核、生長(zhǎng)及其組織結(jié)構(gòu)的影響；采用長(zhǎng)纖維纏繞、炭氈、短纖維模壓、炭布疊層、以及Z向針刺等工藝,實(shí)現(xiàn)炭纖維預(yù)制體的編制，研究復(fù)雜、異型、大尺寸炭纖維預(yù)制體的編織技術(shù)及薄壁件的尺寸穩(wěn)定技術(shù)；以XPS表征表面成分，研究炭纖維表面改性處理對(duì)纖維表面原子結(jié)構(gòu)、炭纖維/基體炭界面的電子、能量相互作用機(jī)理；以微壓痕法研究界面結(jié)合，以Raman、HRTEM、SEM等表征界面微結(jié)構(gòu)，研究界面對(duì)基體炭的結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)機(jī)制；以Raman、XRD等分析界面應(yīng)力，研究界面對(duì)C/C復(fù)合材料力學(xué)、熱物理性能的影響規(guī)律及其機(jī)理。(3)C/C復(fù)合材料的服役失效與防護(hù)機(jī)理在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置上，模擬高能制動(dòng)和高速滑動(dòng)摩擦等條件及不同環(huán)境氣氛下材料的摩擦磨損行為；運(yùn)用現(xiàn)代分析手段，研究摩擦過(guò)程中摩擦表面/次表面/基體應(yīng)力、材料損傷和組織結(jié)構(gòu)以及磨屑的變化規(guī)律；利用機(jī)械學(xué)和材料學(xué)理論，研究靜態(tài)、高能及不同環(huán)境氣氛下材料組織結(jié)構(gòu)與摩擦磨損特性的關(guān)系，揭示其摩擦磨損機(jī)理；d）運(yùn)用現(xiàn)代分析手段，研究C/C復(fù)合材料在室溫及溫升過(guò)程中導(dǎo)熱系數(shù)隨石墨化度、孔隙、界面的演變規(guī)律，建立其導(dǎo)熱性能的預(yù)知和評(píng)價(jià)體系；e）探討纖維及其周圍基體沿纖維軸向及徑向熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理，建立模型；f）以物理冶金、物理化學(xué)為基礎(chǔ)，研究外加溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、添加元素對(duì)C/C材料導(dǎo)熱性能的作用機(jī)理；g）研究CVI、浸漬等技術(shù)對(duì)C/C復(fù)合材料基體改性，提高材料的抗氧化、耐燒蝕等性能；h）采用固滲、噴涂或CVD技術(shù)，制備防氧化、耐燒蝕復(fù)合梯度涂層；i）采用高壓電弧加熱器，模擬噴管喉襯工作條件，揭示C/C材料燒蝕機(jī)理；j）以高溫風(fēng)洞模擬，佐以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證和修正，研究材料的環(huán)境損傷行為，探討防護(hù)機(jī)理。創(chuàng)新點(diǎn)與特色(1)在C/C復(fù)合材料碳原子排列機(jī)理及其演變機(jī)制方面：建立碳源氣體在炭纖維坯體中的流體力學(xué)有限元模型；多元物理場(chǎng)耦合作用于CVI沉積過(guò)程，有效調(diào)控碳基官能團(tuán)的遷移、裂解、聚合等行為，既調(diào)控碳原子排列模式，又顯著提高沉積速度；探明瀝青、樹(shù)脂的改性及高壓炭化碳原子堆積規(guī)律；形成基于Raman與XRD的C/C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有序度的精確定量表征體系。(2)在C/C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及界面特性與表征方面：探明炭纖維處理過(guò)程中碳原子排列及炭纖維編織方式對(duì)炭結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；調(diào)整炭纖維表面炭結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)基體炭形核、長(zhǎng)大過(guò)程，控制界面和基體組織結(jié)構(gòu)。(3)在C/C復(fù)合材料的環(huán)境服役動(dòng)態(tài)過(guò)程與防護(hù)機(jī)理方面：研究C/C復(fù)合材料摩擦表面的分形結(jié)構(gòu)模型；探討炭纖維及其周圍基體沿纖維軸向及徑向熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理；揭示基體改性抑制氧化機(jī)理；引入異類組元調(diào)控C/C復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)和界面狀態(tài)，優(yōu)化炭纖維/基體炭、基體炭/基體炭間的復(fù)合效應(yīng)；多相、多功能難熔化合物復(fù)合梯度涂層與基體改性相結(jié)合，構(gòu)筑C/C復(fù)合材料苛刻環(huán)境服役防護(hù)體系。可行性分析C/C復(fù)合材料千變?nèi)f化的結(jié)構(gòu)特征、無(wú)可比擬的性能潛力為本項(xiàng)目提供了理論和方法的支持；具體清晰的技術(shù)路線、完備的實(shí)驗(yàn)手段為本項(xiàng)目提供了順利實(shí)施的保障；優(yōu)勢(shì)單位的前期研究為本項(xiàng)目的順利完成奠定了良好的基礎(chǔ)；新型預(yù)制體成型及基體增密、結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，有助于在高性能C/C復(fù)合材料低成本化方面取得重大突破；低密度隔熱材料、高導(dǎo)熱材料、抗輻射材料、生物醫(yī)用材料、體育器材等新型功能材料的開(kāi)發(fā)，有助于在C/C復(fù)合材料功能多樣化方面取得重大突破；新的基體改性與復(fù)合梯度涂層體系的形成，有助于在特殊工況下的環(huán)境防護(hù)方面取得重大突破。課題設(shè)置(1)C/C復(fù)合材料碳原子排列機(jī)理及其演變機(jī)制設(shè)置三個(gè)課題：=1\*GB3①快速CVI過(guò)程特征及碳原子排列機(jī)理；=2\*GB3②液、固相炭化及高壓作用機(jī)理；=3\*GB3③C/C復(fù)合材料熱處理過(guò)程組織結(jié)構(gòu)演變機(jī)制。主要研究炭的氣、液、固相有機(jī)先驅(qū)體的改性、高溫下碳原子堆積機(jī)理，高溫過(guò)程對(duì)炭結(jié)構(gòu)的演變作用機(jī)理，特別是制備C/C復(fù)合材料關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，也是工藝時(shí)間和成本最主要的發(fā)生環(huán)節(jié)，研究快速致密和高壓炭化的方法及其機(jī)理，對(duì)提高制備C/C復(fù)合材料的整體水平、降低成本和擴(kuò)大應(yīng)用范圍具有極其重要的意義。C/C復(fù)合材料中基體炭，特別是熱解炭的組織結(jié)構(gòu)直接決定材料的性能和用途，如何有效控制熱解炭的組織結(jié)構(gòu)是目前C/C復(fù)合材料研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，國(guó)際上對(duì)CVI/CVD工藝中熱解炭的沉積過(guò)程提出了諸如小分子沉積、液滴沉積、粘滯體沉積等宏觀層面上的沉積機(jī)理，遠(yuǎn)未涉及到原子堆積層次的沉積機(jī)理研究，對(duì)外加物理場(chǎng)的影響還未作系統(tǒng)研究，對(duì)熱解炭組織結(jié)構(gòu)還不能控制自如，影響了這一材料在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。(2)C/C復(fù)合材料界面效應(yīng)與設(shè)計(jì)設(shè)置二個(gè)課題：=4\*GB3④炭纖維表面結(jié)構(gòu)演變和預(yù)制體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；=5\*GB3⑤C/C復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)特性及其表征。主要研究炭纖維改性及其表面碳原子結(jié)構(gòu)對(duì)基體熱解炭形核-生長(zhǎng)的誘導(dǎo)作用，炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與編織，以及C/C復(fù)合材料中炭纖維編織結(jié)構(gòu)、基體炭結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響。炭纖維的作用是承載，炭基體使復(fù)合材料成型并保護(hù)炭纖維，界面的作用是傳力，即將基體承受的載荷轉(zhuǎn)移到纖維上。因此C/C復(fù)合材料的強(qiáng)度等性能直接與界面特征息息相關(guān)。在化學(xué)氣相沉積熱解炭的過(guò)程中，熱解炭依附于炭纖維表面形核-生長(zhǎng)，因此炭纖維表面碳原子結(jié)構(gòu)將對(duì)熱解炭的生長(zhǎng)起誘導(dǎo)作用，并最終影響炭纖維/基體炭的界面結(jié)構(gòu)特征。從宏觀上看，炭纖維與基體炭的界面特征包括結(jié)合強(qiáng)度、炭纖維與界面的應(yīng)力分布、界面反應(yīng)等等；從微觀尺度上看，包括界面的晶格匹配、電子和能量交互作用、應(yīng)力場(chǎng)特性、復(fù)合效應(yīng)等等。這些都是界面設(shè)計(jì)中所涉及的基本問(wèn)題，也是制備高性能C/C復(fù)合材料所不能回避的問(wèn)題。在宏觀和微觀尺度研究界面特征的基礎(chǔ)上，研究界面特征的控制及其對(duì)材料性能的影響規(guī)律和作用機(jī)理具有十分重要的作用。(3)C/C復(fù)合材料的服役失效與防護(hù)機(jī)理設(shè)置三個(gè)課題：=6\*GB3⑥特殊工況下C/C復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)理；=7\*GB3⑦C/C復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)制及設(shè)計(jì)；=8\*GB3⑧物理、化學(xué)場(chǎng)作用下C/C復(fù)合材料動(dòng)態(tài)失效特征及防護(hù)機(jī)理?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)30多年的研究歷程不難發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)C/C復(fù)合材料的制備工藝研究多，而對(duì)C/C復(fù)合材料的環(huán)境服役行為和評(píng)價(jià)方法的研究較少，致使在提高材料性能和應(yīng)用的研究上走了很大彎路。因此，研究C/C復(fù)合材料的環(huán)境服役行為，明確環(huán)境損傷過(guò)程中的宏觀性能與微觀組織結(jié)構(gòu)的演變關(guān)系，獲得失效模式和失效判據(jù)，建立材料環(huán)境性能的表征體系、失效控制和壽命預(yù)測(cè)模式，提出材料防護(hù)技術(shù)及相關(guān)的基礎(chǔ)理論，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。課題分解課題1：快速CVI過(guò)程特征及碳原子排列機(jī)理研究目標(biāo)：探明熱解炭沉積機(jī)理，實(shí)現(xiàn)快速CVI和熱解炭結(jié)構(gòu)的可控、可調(diào)。主要研究?jī)?nèi)容：(1)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、電磁場(chǎng)等物理場(chǎng)的多元耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)及其作用機(jī)理；(2)建立坯體內(nèi)部傳質(zhì)和傳熱的動(dòng)力學(xué)模型，采用計(jì)算機(jī)模擬，優(yōu)化反應(yīng)氣體流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)；(3)探討物理場(chǎng)作用下熱解炭生長(zhǎng)機(jī)理，形成熱解炭結(jié)構(gòu)控制技術(shù)；(4)無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)法原子態(tài)碳沉積及碳原子排列機(jī)理。承擔(dān)單位：中南大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：黃啟忠學(xué)術(shù)骨干：黃伯云、張福勤、張偉剛經(jīng)費(fèi)比例：17％課題2:液、固相炭化及高壓作用機(jī)理研究目標(biāo)：探明炭化過(guò)程中炭結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律及影響因素。主要研究?jī)?nèi)容：(1)炭有機(jī)先驅(qū)體的改性研究；(2)先驅(qū)體對(duì)C/C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響；(3)耐燒蝕等異類組元加入對(duì)炭化過(guò)程的作用機(jī)理；(4)高壓炭化對(duì)炭微觀結(jié)構(gòu)及增密的作用機(jī)理；(5)復(fù)合增密對(duì)高性能C/C復(fù)合材料的影響。承擔(dān)單位：中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院四十三所課題負(fù)責(zé)人：程文學(xué)術(shù)骨干：張紅波、侯衛(wèi)權(quán)、鄒武、左勁旅、段建軍、解惠珍、肖春經(jīng)費(fèi)比例：10%課題3：C/C復(fù)合材料熱處理過(guò)程組織結(jié)構(gòu)演變機(jī)制研究目標(biāo)：闡明C/C復(fù)合材料炭結(jié)構(gòu)高溫演變規(guī)律及其機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容：(1)以物理化學(xué)和晶體學(xué)原理為基礎(chǔ)，結(jié)合石墨化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，探討熱處理過(guò)程中炭結(jié)構(gòu)演變的機(jī)理；(2)以Raman散射和XRD固體物理學(xué)原理為指導(dǎo)，建立Raman散射強(qiáng)度比（IG/ID）與石墨化度（g）之間的定量關(guān)系及其計(jì)算模型；(3)探討異類元素、應(yīng)力對(duì)炭結(jié)構(gòu)演變的作用及機(jī)理。承擔(dān)單位：湖南大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：陳金華學(xué)術(shù)骨干：湯中華、聶利華、劉揚(yáng)、劉洪波、曠亞非、何德良經(jīng)費(fèi)比例：10%課題4：炭纖維表面結(jié)構(gòu)演變和預(yù)制體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究目標(biāo)：探明炭纖維表面結(jié)構(gòu)對(duì)界面的影響規(guī)律，以及炭纖維編織結(jié)構(gòu)與C/C復(fù)合材料性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)纖維/基體界面的調(diào)控和炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性。主要研究?jī)?nèi)容：(1)熱處理和物理、化學(xué)處理過(guò)程中炭纖維表面結(jié)構(gòu)的演變機(jī)理；(2)建立炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能等關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，研究計(jì)算機(jī)仿真模擬的方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)；(3)復(fù)雜、異型炭纖維預(yù)制體編織方法。承擔(dān)單位：中南大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：肖鵬學(xué)術(shù)骨干：廖寄喬、陳建勛、汪琳、殷京良經(jīng)費(fèi)比例：13％課題5：C/C復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)特性及其表征研究目標(biāo)：探明炭纖維表面炭結(jié)構(gòu)對(duì)基體熱解炭形核、生長(zhǎng)的影響規(guī)律，以及各種界面的形成機(jī)理，實(shí)現(xiàn)界面設(shè)計(jì)與調(diào)控。主要研究?jī)?nèi)容：(1)炭纖維表面結(jié)構(gòu)對(duì)熱解碳原子的誘導(dǎo)及與排列模式的關(guān)系；(2)炭纖維/基體、基體/基體以及難熔粒子/基體等界面結(jié)構(gòu)特性及應(yīng)力場(chǎng)特征；(3)炭纖維與基體炭之間的晶格匹配及其能勢(shì)；(4)界面特性對(duì)C/C復(fù)合材料物理、化學(xué)和力學(xué)性能的影響規(guī)律及其機(jī)理。承擔(dān)單位：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所課題負(fù)責(zé)人：賀連龍學(xué)術(shù)骨干：陳騰飛、金志雄、李志杰、沈智奇、謝天生經(jīng)費(fèi)比例：10%課題6：特殊工況下C/C復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)理研究目標(biāo)：研究特殊工況條件下摩擦學(xué)行為，建立C/C復(fù)合材料摩擦磨損物理模型。主要研究?jī)?nèi)容：(1)特殊工況下C/C復(fù)合材料的摩擦磨損行為；(2)摩擦表面分形理論分析，建立分形結(jié)構(gòu)模型和摩擦磨損物理模型；(3)分析摩擦前后表面/次表面/基體部位應(yīng)力、組織結(jié)構(gòu)和磨屑的變化規(guī)律；(4)研究炭纖維類型、排列取向、體積分?jǐn)?shù)、編織方式、基體類型和結(jié)構(gòu)以及高溫?zé)崽幚韺?duì)不同制動(dòng)耐磨和密封減磨等條件下摩擦磨損特性的影響規(guī)律。承擔(dān)單位：中南大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：易茂中學(xué)術(shù)骨干：冉麗萍、徐惠娟經(jīng)費(fèi)比例：12%課題7：C/C復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)制及設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容：(1)研究C/C材料在室溫及溫升過(guò)程中導(dǎo)熱系數(shù)隨石墨化度、孔隙、界面的演變規(guī)律，建立其導(dǎo)熱性能的預(yù)知和評(píng)價(jià)體系；(2)探討單根纖維及其周圍基體沿纖維軸向及徑向熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理，建立模型；(3)研究在外加溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)共同作用下添加元素的作用機(jī)理，探討控制C/C材料導(dǎo)熱、隔熱的有效途徑。承擔(dān)單位：中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第一研究院703所課題負(fù)責(zé)人：胡子君學(xué)術(shù)骨干：熊翔、楊村林、王金明、何鳳梅、姜朝陽(yáng)、張宏波經(jīng)費(fèi)比例：10%課題8:物理、化學(xué)場(chǎng)作用下C/C復(fù)合材料動(dòng)態(tài)失效特征及防護(hù)機(jī)理研究目標(biāo)：揭示C/C復(fù)合材料基體與涂層的損傷機(jī)制及其防護(hù)機(jī)理，構(gòu)筑苛刻環(huán)境服役防護(hù)體系。主要研究?jī)?nèi)容：(1)C/C材料在物理場(chǎng)(熱場(chǎng)、力場(chǎng)、流場(chǎng)等)、化學(xué)場(chǎng)作用后結(jié)構(gòu)、性能變化規(guī)律，及其環(huán)境服役過(guò)程的動(dòng)態(tài)失效特征；(2)Hf、Ta、Si等難熔金屬碳化物和氧化物基體改性的研究；(3)C/C復(fù)合材料表面功能復(fù)合梯度涂層的研究；(4)研究涂層/基體系統(tǒng)的損傷失效機(jī)理，形成C/C材料防護(hù)技術(shù)的理論體系。承擔(dān)單位：西北工業(yè)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：成來(lái)飛學(xué)術(shù)骨干：李克智，曾慶豐，李江鴻經(jīng)費(fèi)比例：18%四、年度計(jì)劃研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年研究CVI過(guò)程中坯體內(nèi)部溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、電磁場(chǎng)等物理場(chǎng)的多元耦合作用；炭有機(jī)先驅(qū)體的改性；熱處理過(guò)程中炭纖維內(nèi)部及表面結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；炭纖維表面物理改性研究；炭纖維表面結(jié)構(gòu)對(duì)熱解炭形核的誘導(dǎo)作用；特殊工況下C/C摩擦材料復(fù)合涂層/基體系統(tǒng)的氧化特性；C/C材料導(dǎo)熱系數(shù)隨石墨化度的變化規(guī)律；物理場(chǎng)(熱場(chǎng)、力場(chǎng)、流場(chǎng)等)作用下C/C材料環(huán)境服役過(guò)程的動(dòng)態(tài)失效特征。建立坯體內(nèi)部傳質(zhì)和傳熱的動(dòng)力學(xué)模型；優(yōu)化反應(yīng)氣體流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)；探明物理方法改性炭纖維表面結(jié)構(gòu)機(jī)理；揭示炭纖維表面結(jié)構(gòu)對(duì)熱解炭的誘導(dǎo)機(jī)制；探明復(fù)合涂層/基體系統(tǒng)抗氧化防護(hù)機(jī)理。在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文20～30篇，其中SCI、EI雜志源刊物發(fā)表論文15～20篇。第二年多元耦合物理場(chǎng)對(duì)熱解炭沉積速度的提升效果；先驅(qū)體改性對(duì)C/C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響；熱處理過(guò)程中熱解炭結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；炭纖維表面化學(xué)改性研究；炭纖維/基體、基體/基體界面結(jié)構(gòu)特性及應(yīng)力場(chǎng)特征；研究炭纖維坯體結(jié)構(gòu)、基體結(jié)構(gòu)對(duì)材料制動(dòng)耐磨和密封減磨條件下摩擦磨損特性的影響；孔隙對(duì)C/C材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響及其規(guī)律；化學(xué)場(chǎng)作用下C/C材料環(huán)境服役過(guò)程的動(dòng)態(tài)失效特征。揭示熱解炭形核、快速長(zhǎng)大機(jī)理，初步實(shí)現(xiàn)快速CVI；探明C/C復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)特征；揭示材料組織結(jié)構(gòu)與摩擦磨損特性之間的內(nèi)在聯(lián)系；建立C/C材料氧化燒蝕過(guò)程動(dòng)態(tài)失效表征體系。申請(qǐng)專利1～2項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文30～40篇，其中SCI、EI雜志源刊物發(fā)表論文20～30篇。第三年多元耦合物理場(chǎng)對(duì)熱解炭結(jié)構(gòu)的影響及其規(guī)律；高壓炭化對(duì)炭微觀結(jié)構(gòu)及增密的作用；熱處理過(guò)程中樹(shù)脂炭或?yàn)r青炭結(jié)構(gòu)變化規(guī)律；