碳纤维强化石墨

 

碳纤维强化碳基复合材料具有优异的性能和非常重要的应用,但它的价格却十分昂贵。如何能够有效地制备这类材料呢?

碳纤维强化的碳/碳复合材料是由石墨的基体和具有强化作用的碳纤维所组成。这种材料的成本非常高,往往用于高性能、或者极端条件下的一些用途,主要是航天科技。例如,航天飞机的头锥(nose cone)和机翼前缘(wing leading edge)。它也被用于托卡马克反应堆中(Tokamak reactors)的等离子体防面(plasma facing)材料。而且在F-1赛车和飞行器的制动系统中,碳/碳材料的制动盘和刹车片也都是标准的配置。因为这类材料具有非常好的抗热震性能(thermal shock resistance)和低的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion),所以适用于高温条件下工作的结构材料。

由于碳/碳复合材料的制备和高温检测的成本都非常高,所以对制备条件的优化以及对性能的有效预测对扩大此类材料的应用范围是非常主要的。基于这方面的原因,在碳/碳复合材料模拟方面的研究是非常活跃的一个研究领域。

为了对复合材料的结构特征有准确的了解,X射线断层成像是一个比较有效的手段。它可以在很大区域内获得材料结构的准确的三维信息。最近,来自波尔多第一科技大学的科学家们对目前该领域的研究现状进行了一个总结。他们向大家展示了X射线断层成像技术在碳/碳复合材料结构演化研究方面的应用。

文章详细地向大家介绍了在材料使用的不同阶段,对材料结构进行表征的一系列方法:1,材料制备,即向碳的基体中逐部加入碳纤维;2,最终产品,对材料的性能进行评价;3,在极端条件下使用过程中性能变化。目前的研究主要包括成像处理、模式识别、形貌分析和对具有移动边界的反应/扩散系统的直接数字模拟(direct numerical simulation)。

文章最后总结道,利用相位衬度(phase contrast)的X射线断层图像,我们可以对材料的整个变化过程中的几何和输运性能进行有效的评价。另外,在大尺度的加工模型和退化试验中引入结构-性能关系也是至关重要,目前正在进行中。

O. Coindreau et al., Adv. Eng. Mater. 2011; DOI: 10.1002/adem.201000233