【基金标书】2011CB605800-高性能炭 炭复合材料高效制备与服役基础研究.doc

项目名称:
高性能炭/炭复合材料高效制备与服役基础研究
首席科学家:
熊翔中南大学
起止年限:

依托部门:
教育部
二、预期目标
1. 总体目标
发展长程传输快速CVI增密技术、高效液相增密技术,实现炭结构可控可调,奠定高性能C/C复合材料的低成本制备技术基础;发展C/C复合材料基体改性技术和涂层技术,建立改性组织结构、多相界面结构与多样化性能的内在联系,提高C/C复合材料在苛刻环境下的使用性能,扩展其使用范围,扩大应用领域;探明C/C复合材料高温长时间服役行为与防护机理,解决国家中长期规划大飞机工程、XX声速飞行器工程等国防现代化建设和国民经济建设对高性能C/C复合材料的需求。
2. 五年预期目标
(1) 理论成果
①研究物理场、气体流场和碳源组分对CVI过程中碳源基团长程快速传输及演变规律,揭示快速增密过程机理;
②研究多相界面结构特征,探明C/C复合材料界面结构与宏观性能之间的关系;
③研究C/C复合材料在烧蚀、导热、吸波、辐照环境中的服役行为,建立材料失效防护理论体系。
(2) 技术原型
①大尺寸异形C/C材料快速增密技术;
② C/C材料基体改性技术和涂层技术;
③ C/C材料高温长时耐烧蚀涂层制备技术;
④ C/C材料结构功能一体化制备技术。
(3) 技术指标
①~,密度不均性≤8%;
②临近空间条件下Ma5~8,工作时间≥1200s。
(4) 应用成果
①满足载人航天与探月工程、大飞机工程、XX声速飞行器工程等国家中长期规划对高性能C/C复合材料的急需;
②满足满足化工、核能、新能源等对低成本高性能C/C复合材料的需求。
(5)论著与人才培养
①发表论文200篇以上(其中SCI、EI源刊物150篇以上),出版专著2本;
②申请发明专利20~25项,获省部级以上科技奖励4项;
③培养博士后10~15人,博士生15~20人,硕士生30~35人,培养和造就一支高水平的研究团队,建立与发展本领域的基础研究和技术创新基地。
三、研究方案
1. 总体研究思路
C/C复合材料具有多种制备方法和复杂的工艺过程,制备技术的多样性直接导致了其组织结构和性能的多样化,从而可满足应用的多样性要求。本项目以长路径传输快速增密和高效液相增密为突破口,解决大尺寸异形C/C复合材料构件高效制备的基础问题;结合基体陶瓷改性和表面涂层防护及一体化设计,优化多相界面结构,实现C/C复合材料结构和性能的多样化,解决C/C复合材料苛刻环境服役的基础问题;在此基础上,建立高性能C/C复合材料设计与服役的理论体系,形成低成本制备技术原型。
C/C复合材料基础研究学术思路图
2. 技术路线
(1) 高性能C/C复合材料高效增密与过程控制
①以化学反应动力学和热力学为基础,以气相色谱、拉曼光谱等为分析手段,研究碳源基团的演变规律。
②采用碳源复合技术,探明CVI高质高速增密的规律。
③以气体扩散动力学为基础,通过计算机模拟,探明碳源基团等气体流在坯体中的消耗传质沉积规律。
④设计物理场和气体流场,探讨各向同性热解炭和高温热解炭结构的生长和快速沉积机理,以及高密度炭纤维预制体和大尺寸异形件的CVI过程影响因素。 ⑤以煤沥青和糠***树脂为对象,详细探讨预制体孔隙尺寸与浸渍用前驱体之间的匹配规律,精确控制浸渍过程。
⑥研究热解炭与沥青炭,热解炭与树脂炭,沥青炭和树脂炭之间的匹配过程和规律,优化协同增密的工艺参数和工艺过程,形成材料性能调控技术。
(2) C/C复合材料高导热结构设计与实现机制
①分析影响C/C复合材料高导热性能的主次因素,结合计算机数值模拟技术,建立C/C复合材料高导热数学理论模型,给出C/C复合材料获得高导热性能的典型结构特征。
②从宏观、细观、微观角度开展高导热C/C复合材料的多层次设计,利用国产中间相沥青及中间相沥青炭纤维为增强体,采用热压、高温浸渍/炭化等多种方法进行材料制备,获得材料结构与制备工艺之间的对应关系。
③通过C/C复合材料的导热性能表征与分析,并与材料的晶体结构、孔隙、界面等因素的相结合,将之反馈于高导热C/C复合材料的多层次结构设计和工艺参数的控制,建立高导热C/C复合材料工艺-结构-性能的关联性。
④通过分析高导热C/C复合材料高温组织结构特征及其演变,研究高导热C/C复合材料导热性能随温度的变化规律,建立高导热C/C复合材料结构与其高温导热性能的相关性,并探索高导热C/C复合材料在服役环境中使用的可行性。
(3) 炭/炭复合材料多相界面设计与表征评价
①利用高分辨透射电镜、场发射高空间分辨透射电镜,场发射扫描电镜等显微分析手段,从微米尺度到纳米原子尺度研究