【基金標(biāo)書】2011CB605800-高性能炭 炭復(fù)合材料高效制備與服役基礎(chǔ)研究

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項(xiàng)目名稱： 高性能炭/炭復(fù)合材料高效制備與服役基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家： 熊翔 中南大學(xué)起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部門： 教育部二、預(yù)期目標(biāo)1. 總體目標(biāo)發(fā)展長程傳輸快速 CVI 增密技術(shù)、高效液相增密技術(shù)，實(shí)現(xiàn)炭結(jié)構(gòu)可控可調(diào)，奠定高性能 C/C 復(fù)合材料的低成本制備技術(shù)基礎(chǔ)；發(fā)展 C/C 復(fù)合材料基體改性技術(shù)和涂層技術(shù)，建立改性組織結(jié)構(gòu)、多相界面結(jié)構(gòu)與多樣化性能的內(nèi)在聯(lián)系，提高 C/C 復(fù)合材料在苛刻環(huán)境下的使用性能，擴(kuò)展其使用范圍，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域；探明 C/C 復(fù)合材料高溫長時(shí)間服役行為與防護(hù)機(jī)理，解決國家中長期規(guī)劃大飛機(jī)工程、XX 聲速飛行器工程等國防現(xiàn)代化建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)高性能 C/C 復(fù)合材料的需求。2. 五年預(yù)期目標(biāo)(1) 理論成果①研究物理場(chǎng)、氣體流場(chǎng)和碳源組分對(duì) CVI 過程中碳源基團(tuán)長程快速傳輸及演變規(guī)律，揭示快速增密過程機(jī)理；②研究多相界面結(jié)構(gòu)特征，探明 C/C 復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系；③研究 C/C 復(fù)合材料在燒蝕、導(dǎo)熱、吸波、輻照環(huán)境中的服役行為，建立材料失效防護(hù)理論體系。(2) 技術(shù)原型①大尺寸異形 C/C 材料快速增密技術(shù)；② C/C 材料基體改性技術(shù)和涂層技術(shù)；③ C/C 材料高溫長時(shí)耐燒蝕涂層制備技術(shù)；④ C/C 材料結(jié)構(gòu)功能一體化制備技術(shù)。(3) 技術(shù)指標(biāo)①CVI 平均密度 1.5~1.6g/cm3，密度不均性≤8%；②臨近空間條件下 Ma5~8,工作時(shí)間≥1200s 。(4) 應(yīng)用成果①滿足載人航天與探月工程、大飛機(jī)工程、XX 聲速飛行器工程等國家中長期規(guī)劃對(duì)高性能 C/C 復(fù)合材料的急需；②滿足滿足化工、核能、新能源等對(duì)低成本高性能 C/C 復(fù)合材料的需求。(5)論著與人才培養(yǎng)①發(fā)表論文 200 篇以上( 其中 SCI、EI 源刊物 150 篇以上)，出版專著 2 本；②申請(qǐng)發(fā)明專利 20~25 項(xiàng)，獲省部級(jí)以上科技獎(jiǎng)勵(lì) 4 項(xiàng)；③培養(yǎng)博士后 10~15 人，博士生 15~20 人，碩士生 30~35 人，培養(yǎng)和造就一支高水平的研究團(tuán)隊(duì)，建立與發(fā)展本領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新基地。三、研究方案1. 總體研究思路C/C 復(fù)合材料具有多種制備方法和復(fù)雜的工藝過程，制備技術(shù)的多樣性直接導(dǎo)致了其組織結(jié)構(gòu)和性能的多樣化，從而可滿足應(yīng)用的多樣性要求。本項(xiàng)目以長路徑傳輸快速增密和高效液相增密為突破口，解決大尺寸異形 C/C 復(fù)合材料構(gòu)件高效制備的基礎(chǔ)問題；結(jié)合基體陶瓷改性和表面涂層防護(hù)及一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)化多相界面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的多樣化，解決 C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境服役的基礎(chǔ)問題；在此基礎(chǔ)上，建立高性能 C/C 復(fù)合材料設(shè)計(jì)與服役的理論體系，形成低成本制備技術(shù)原型。C/C 復(fù)合材料基礎(chǔ)研究學(xué)術(shù)思路圖2. 技術(shù)路線(1) 高性能 C/C 復(fù)合材料高效增密與過程控制①以化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)為基礎(chǔ)，以氣相色譜、拉曼光譜等為分析手段，研究碳源基團(tuán)的演變規(guī)律。②采用碳源復(fù)合技術(shù)，探明 CVI 高質(zhì)高速增密的規(guī)律。③以氣體擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)模擬，探明碳源基團(tuán)等氣體流在坯體中的消耗傳質(zhì)沉積規(guī)律。④設(shè)計(jì)物理場(chǎng)和氣體流場(chǎng)，探討各向同性熱解炭和高溫?zé)峤馓拷Y(jié)構(gòu)的生長和快速沉積機(jī)理，以及高密度炭纖維預(yù)制體和大尺寸異形件的 CVI 過程影響因素。 ⑤以煤瀝青和糠酮樹脂為對(duì)象，詳細(xì)探討預(yù)制體孔隙尺寸與浸漬用前驅(qū)體之間的匹配規(guī)律，精確控制浸漬過程。⑥研究熱解炭與瀝青炭，熱解炭與樹脂炭，瀝青炭和樹脂炭之間的匹配過程和規(guī)律，優(yōu)化協(xié)同增密的工藝參數(shù)和工藝過程，形成材料性能調(diào)控技術(shù)。(2) C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制 ①分析影響 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱性能的主次因素，結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，建立 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱數(shù)學(xué)理論模型，給出 C/C 復(fù)合材料獲得高導(dǎo)熱性能的典型結(jié)構(gòu)特征。②從宏觀、細(xì)觀、微觀角度開展高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的多層次設(shè)計(jì)，利用國產(chǎn)中間相瀝青及中間相瀝青炭纖維為增強(qiáng)體，采用熱壓、高溫浸漬/炭化等多種方法進(jìn)行材料制備，獲得材料結(jié)構(gòu)與制備工藝之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。③通過 C/C 復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能表征與分析，并與材料的晶體結(jié)構(gòu)、孔隙、界面等因素的相結(jié)合，將之反饋于高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的控制，建立高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料工藝-結(jié)構(gòu) -性能的關(guān)聯(lián)性。④通過分析高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料高溫組織結(jié)構(gòu)特征及其演變，研究高導(dǎo)熱C/C 復(fù)合材料導(dǎo)熱性能隨溫度的變化規(guī)律，建立高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與其高溫導(dǎo)熱性能的相關(guān)性，并探索高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料在服役環(huán)境中使用的可行性。(3) 炭/炭復(fù)合材料多相界面設(shè)計(jì)與表征評(píng)價(jià)①利用高分辨透射電鏡、場(chǎng)發(fā)射高空間分辨透射電鏡，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡等顯微分析手段，從微米尺度到納米原子尺度研究表征各種炭-炭、炭-陶瓷以及炭-金屬界面的原子結(jié)構(gòu)及缺陷結(jié)構(gòu)；電子能量損失譜(EELS)研究 C/C 復(fù)合材料相界面精細(xì)結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)；選擇性制備截面電鏡樣品，以保證從宏觀、介觀到微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)觀察。②利用納米壓痕法以及其它微尺度力學(xué)性能原位測(cè)量裝置研究界面區(qū)的納微尺度力學(xué)性能和界面結(jié)合強(qiáng)度。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采用有限元方法，分析異質(zhì)連接界面應(yīng)力，并采用 X 射線衍射等進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，優(yōu)化設(shè)計(jì)界面過渡結(jié)構(gòu)；采用高溫接觸角測(cè)量儀研究金屬對(duì) C/C 復(fù)合材料表面的潤濕性，探討 C/C 復(fù)合材料表面改性方法及機(jī)理，改善潤濕性。④研究高溫或熱循環(huán)作用下異質(zhì)連接過渡層結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，分析過渡層結(jié)構(gòu)變化對(duì)界面各層微觀力學(xué)行為、層間結(jié)合及接頭連接強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步優(yōu)化界面過渡結(jié)構(gòu)。(4) C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)控制及力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)①在不同溫度下，測(cè)試具有不同熱解炭基體結(jié)構(gòu)、不同結(jié)構(gòu)和性能特性炭纖維、不同炭纖維含量和排列結(jié)構(gòu) C/C 復(fù)合材料的電磁參數(shù)，以及對(duì)不同頻率雷達(dá)波的反射率，確定影響 C/C 復(fù)合材料電磁波響應(yīng)特性的主要因素。②在炭纖維表層摻雜納米金屬顆粒，以及在炭纖維表面原位生長炭纖維炭納米纖維和碳化物納米纖維，改變炭纖維的成分、晶型、截面形狀和表面結(jié)構(gòu)，提高炭纖維對(duì)電磁波的損耗。③進(jìn)行炭纖維、基體和涂層阻抗匹配設(shè)計(jì)，根據(jù) C/C 復(fù)合材料吸波特性控制和高溫力學(xué)性能要求，設(shè)計(jì) C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)和多相界面，通過炭纖維和基體改性、復(fù)合涂層和制備工藝等控制 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)。 ④表征分析 C/C 復(fù)合材料經(jīng) 800℃、1000 ℃和 1200℃氧化后的微結(jié)構(gòu)變化，并分別測(cè)試材料力學(xué)性能和雷達(dá)波反射率。在 800℃、1000℃和 1200℃分別測(cè)試 C/C 復(fù)合材料的力學(xué)性能和雷達(dá)波反射率。研究高溫服役過程中 C/C復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)和吸波性能的演變機(jī)制。⑤進(jìn)行 C/C 復(fù)合材料高溫力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)，研究高溫承載吸波一體化 C/C 復(fù)合材料制備方法。(5) C/C 復(fù)合材料高溫長時(shí)燒蝕行為與控制方法①采用 CVI、浸漬 HfC、TaC、SiC 等陶瓷相對(duì) C/C 復(fù)合材料基體進(jìn)行改性，探討相成分、界面結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)及體積含量等與 C/C 復(fù)合材料力學(xué)性能、抗氧化耐燒蝕性能的關(guān)聯(lián)性。②采用 CVD、固滲或噴涂技術(shù)，制備 SiC、TaC、 HfC、ZrC 等復(fù)合涂層，探討耐燒蝕涂層多層次微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制(包括成分梯度分布指數(shù)、涂層厚度、涂層層數(shù)以及晶體結(jié)構(gòu))。③綜合涂層技術(shù)、基體改性技術(shù)，研究涂層/基體一體化 C/C 復(fù)合材料改性調(diào)控技術(shù)。④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，實(shí)現(xiàn)高溫、高馬赫、富氧長時(shí)間耐燒蝕 C/C 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。(6) C/C 復(fù)合材料輻照損傷機(jī)理與改性①利用同軸源原子氧試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行 C/C 材料及其改性材料的原子氧轟擊試驗(yàn)，通過改變轟擊時(shí)間而實(shí)現(xiàn)原子氧通量的不同。利用同步輻射加速器進(jìn)行材料的 α 粒子輻照試驗(yàn)；利用獨(dú)立中子源進(jìn)行材料的中子輻射；利用 RHM 綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行材料的質(zhì)子和電子輻照試驗(yàn)。②利用 XRD、EDS 和 XPS 等手段分析材料組分和鍵合變化，確定輻照環(huán)境中，基體改性物質(zhì)、涂層與 C/C 復(fù)合材料的相互作用機(jī)理，結(jié)合單一炭結(jié)構(gòu)或單一物質(zhì)在輻照環(huán)境中的微結(jié)構(gòu)和性能演變規(guī)律等損傷特征，逐步還原 C/C復(fù)合材料的損傷規(guī)律和機(jī)理。③通過建立材料組分、鍵合變化與微結(jié)構(gòu)、熱物理性能和力學(xué)性能演變規(guī)律的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定 C/C 復(fù)合材料、基體改性 C/C 復(fù)合材料、梯度涂層 C/C復(fù)合材料和梯度涂層/基體改性 C/C 復(fù)合材料的輻照損傷表征參數(shù)，然后綜合建立完整的 C/C 復(fù)合材料輻照損傷表征體系。④基于 C/C 復(fù)合材料及其改性材料的損傷機(jī)理對(duì)比，確定改性物質(zhì)的輻照環(huán)境的防護(hù)作用機(jī)制，在力學(xué)性能與抗輻照性能協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上確定輻照防護(hù)體系，并發(fā)展輻照防護(hù)改性技術(shù)。3. 可行性分析(1) C/C 復(fù)合材料具有多種制備技術(shù)和復(fù)雜的工藝過程，制備技術(shù)的多樣性直接導(dǎo)致了材料組織結(jié)構(gòu)和性能的多樣性；引入陶瓷改性炭基體與表面涂層，賦予了材料的組織結(jié)構(gòu)更加多樣化和性能高端化。美、法等國家取得了很大進(jìn)展，C/C 復(fù)合材料已實(shí)際應(yīng)用于不同苛刻環(huán)境。我國要迎頭趕上，使 C/C 復(fù)合材料的制備和應(yīng)用整體技術(shù)水平盡快進(jìn)入世界先進(jìn)行列。(2) 本項(xiàng)目集中了我國從事 C/C 復(fù)合材料研究的優(yōu)勢(shì)單位，各承擔(dān)單位具有長期的工作積累，承擔(dān)單位間有著良好的合作關(guān)系，為本項(xiàng)目的開展準(zhǔn)備了良好的軟件條件和充分的硬件條件。(3) 前期 973 項(xiàng)目“ 高性能 C/C 復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究 ”，解決了“碳原子排列機(jī)理及其演變機(jī)制”、典型 C/C 復(fù)合材料“結(jié)構(gòu)及界面特性與表征 ”和 1700℃富氧“環(huán)境服役動(dòng)態(tài)過程與防護(hù)機(jī)理”三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，初步奠定了發(fā)展高性能C/C 復(fù)合材料高效制備技術(shù)的理論基礎(chǔ)，也為本項(xiàng)目的開展打下了堅(jiān)實(shí)的前期工作基礎(chǔ)。(4) 結(jié)合我國國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，本項(xiàng)目各課題承擔(dān)單位已承擔(dān)過與所承擔(dān)課題相關(guān)的技術(shù)研究工作，為本項(xiàng)目各課題的開展作好了較充分的前期準(zhǔn)備。各課題擬定了具體清晰的技術(shù)路線，明確了所需解決的科學(xué)問題。與國家需求緊密結(jié)合，通過本項(xiàng)目的研究，可奠定 C/C 復(fù)合材料高效制備技術(shù)的理論基礎(chǔ)，大幅度提高材料性能。(5) 為提高 C/C 復(fù)合材料在不同應(yīng)用領(lǐng)域的使用性能，突破其性能固有的局限性，近年來，本項(xiàng)目承擔(dān)單位承擔(dān)完成了多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家 863 計(jì)劃項(xiàng)目和軍工配套項(xiàng)目等，掌握了相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)。(6) 我國已建設(shè)有馬赫數(shù)為 6 的風(fēng)洞試驗(yàn)基地，為本項(xiàng)目高馬赫數(shù)、高溫長時(shí)間耐燒蝕性能的研究提供了條件。(7) 由于國外對(duì)原材料的出口限制和技術(shù)封鎖，我國高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的研制一直處于低水平。近年來，隨著原材料的逐步國產(chǎn)化，市場(chǎng)需求加大以及技術(shù)的進(jìn)步，為高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究提供了良好契機(jī)。(8) 建于中國核動(dòng)力院的高通量工程試驗(yàn)堆是我國現(xiàn)役最大的多功能綜合性試驗(yàn)堆，主要承擔(dān)軍用和民用核電站燃料組件、堆用材料及部件的輻照考驗(yàn)，可滿足本課題的輻照研究需要。4. 創(chuàng)新點(diǎn)與特色結(jié)合 C/C 復(fù)合材料制備過程及改性的微結(jié)構(gòu)形成機(jī)制和多種服役環(huán)境的損傷機(jī)理，進(jìn)行多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造：(1)優(yōu)化構(gòu)建 CVI 過程的物理場(chǎng)、氣體流場(chǎng)和碳源基團(tuán)，調(diào)控中間基團(tuán)長程快速遷移、裂解、聚合行為，實(shí)現(xiàn)大尺寸異型構(gòu)件的高速高質(zhì)增密； (2)利用國產(chǎn)中間相瀝青和中間相瀝青炭纖維，進(jìn)行高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制；(3)精細(xì)表征炭-炭、炭- 陶瓷、炭 -金屬界面顯微結(jié)構(gòu)，引入過渡結(jié)構(gòu)，調(diào)控界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多相界面設(shè)計(jì)；(4)通過炭纖維和基體改性、表面涂層設(shè)計(jì)，控制 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)和多相界面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能與電磁響應(yīng)特性協(xié)同；(5)多相基體與涂層協(xié)同改性，構(gòu)筑苛刻服役環(huán)境 C/C 復(fù)合材料防護(hù)體系；(6)結(jié)合多種高能粒子對(duì) C/C 復(fù)合材料的損傷演變規(guī)律，揭示輻照對(duì) C/C復(fù)合材料的損傷機(jī)理。5. 課題設(shè)置圍繞項(xiàng)目提出的要解決的三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題及項(xiàng)目總目標(biāo)，設(shè)置 6 個(gè)課題。關(guān)鍵科學(xué)問題 課題名稱(1)高性能 C/C 復(fù)合材料高效增密與過程控制碳源基團(tuán)高質(zhì)高速增密過程機(jī)理與控制 (2)C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制(3)炭/炭復(fù)合材料多相界面設(shè)計(jì)與表征評(píng)價(jià)C/C 復(fù)合材料微觀組織和界面結(jié)構(gòu)形成與作用機(jī)制(4)C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)控制及力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)(5)C/C 復(fù)合材料高溫長時(shí)燒蝕行為與控制方法C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境下長時(shí)間服役行為與防護(hù)(6)C/C 復(fù)合材料輻照損傷機(jī)理與改性通過研究長程傳輸快速 CVI 增密過程機(jī)理和液相增密過程特征，研究 C/C復(fù)合材料多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制，為解決大尺寸異形件低成本制備問題、炭結(jié)構(gòu)調(diào)控問題( 設(shè)置課題 1)以及采用國產(chǎn)原材料制備高性能 C/C 復(fù)合材料問題(設(shè)置課題 2)提供理論基礎(chǔ)。通過精細(xì)表征 C/C 復(fù)合材料中炭-炭、炭-陶瓷、炭-金屬等多相界面，研究 C/C 復(fù)合材料微觀組織和多相界面結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理(設(shè)置課題 3)，研究炭纖維、基體改性技術(shù)和復(fù)合梯度涂層技術(shù)，研究 C/C 復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和多相界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法(設(shè)置課題 4)，為實(shí)現(xiàn) C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多樣化和性能高端化奠定理論基礎(chǔ)。通過研究高馬赫、高溫、富氧環(huán)境下 C/C 復(fù)合材料的長時(shí)燒蝕行為(設(shè)置課題 5)，研究輻照損傷機(jī)理(設(shè)置課題 6)，探明 C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境下的失效機(jī)理，為提高 C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境服役能力奠定理論基礎(chǔ)。在這些基礎(chǔ)上，建立高性能 C/C 復(fù)合材料高效制備與服役的理論體系，形成低成本制備技術(shù)原型。課題 1：高性能 C/C 復(fù)合材料高效增密與過程控制研究目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)炭結(jié)構(gòu)可控可調(diào)，形成高性能 C/C 復(fù)合材料低成本制備技術(shù)原型。主要研究內(nèi)容：①CVI 過程中物理場(chǎng)、氣體流場(chǎng)和碳源組分的構(gòu)建，中間基團(tuán)的高速、高質(zhì)增密原理；②單一和復(fù)合碳源對(duì) CVI 過程中炭結(jié)構(gòu)和增密速率的影響規(guī)律；③大尺寸、異形件 CVI 過程的影響因素； ④特種熱解炭結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制；⑤液相碳源高速、高效、低成本增密原理與過程控制；⑥優(yōu)化復(fù)合增密過程，形成材料性能調(diào)控技術(shù)。承擔(dān)單位：中南大學(xué)，西安航天復(fù)合材料研究所課題負(fù)責(zé)人：黃啟忠學(xué)術(shù)骨干：張曉虎、謝志勇、張明瑜、王坤杰經(jīng)費(fèi)比例：23%課題 2：C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究目標(biāo)：掌握高導(dǎo)熱抗氧化 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制、抗氧化防護(hù)以及整體性能優(yōu)化的相關(guān)理論和制備技術(shù)。主要研究內(nèi)容：①C/C 復(fù)合材料的高導(dǎo)熱機(jī)理建模；②高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的典型結(jié)構(gòu)特征；③高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表征及控制；④高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料組織、結(jié)構(gòu)及性能的高溫演變機(jī)制；⑤高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料氧化防護(hù)方法。承擔(dān)單位：航天材料及工藝研究所、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：馮志海學(xué)術(shù)骨干：李秀濤、樊楨、郭全貴、李同起經(jīng)費(fèi)比例：14%課題 3：炭/炭復(fù)合材料多相界面設(shè)計(jì)與表征評(píng)價(jià)研究目標(biāo)：優(yōu)化多相界面結(jié)構(gòu)。主要研究內(nèi)容：①C/C 復(fù)合材料炭-炭、炭-陶瓷、炭-金屬界面精細(xì)結(jié)構(gòu)表征；②界面結(jié)構(gòu)及微觀力學(xué)性能；③界面結(jié)構(gòu)與 C/C 復(fù)合材料宏觀性能之間的關(guān)系；④C/C 復(fù)合材料與異質(zhì)界面過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；⑤異質(zhì)連接界面結(jié)構(gòu)的高溫演變與失效機(jī)制。承擔(dān)單位：中國科學(xué)院金屬研究所，中南大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：賀連龍學(xué)術(shù)骨干：張福勤、于澍、沈智奇、杜華經(jīng)費(fèi)比例：15%課題 4：C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)控制及力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)研究目標(biāo)：掌握 C/C 復(fù)合材料力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)與制備技術(shù)。主要研究內(nèi)容：①C/C 復(fù)合材料的電磁波響應(yīng)特性及機(jī)理；②服役過程 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)和吸波性能的演變機(jī)制；③C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、吸波性能控制方法；④高效吸收劑改性基體炭機(jī)理；⑤C/C 復(fù)合材料力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)與制備。承擔(dān)單位：中南大學(xué)，湖南大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：肖鵬學(xué)術(shù)骨干：劉洪波、李專、湯中華、李江鴻經(jīng)費(fèi)比例：15%課題 5：C/C 復(fù)合材料高溫長時(shí)燒蝕行為與控制方法研究目標(biāo)：構(gòu)筑 C/C 復(fù)合材料高溫長時(shí)耐燒蝕技術(shù)體系，滿足 XX 聲速飛行器的工作要求。主要研究內(nèi)容：①高溫長時(shí)燒蝕行為與失效機(jī)理；②高溫長時(shí)耐燒蝕涂層設(shè)計(jì)與制備技術(shù)；③基體改性技術(shù)與控制；④涂層/基體改性一體化設(shè)計(jì)與制備；⑤長時(shí)間高溫富氧環(huán)境下涂層/基體改性一體化復(fù)合材料的失效與防護(hù)機(jī)制。承擔(dān)單位：中南大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：熊翔學(xué)術(shù)骨干：李國棟、陳招科、張武裝、尹健經(jīng)費(fèi)比例：19%課題 6：C/C 復(fù)合材料輻照損傷機(jī)理與改性研究目標(biāo)：確定 C/C 輻照損傷機(jī)理，建立損傷表征體系，掌握輻照防護(hù)改性方法。主要研究內(nèi)容：①輻照環(huán)境中 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能演變規(guī)律；②輻照環(huán)境中 C/C 復(fù)合材料損傷機(jī)理與表征方法；③輻照環(huán)境中基體改性物質(zhì)、涂層與 C/C 復(fù)合材料的相互作用機(jī)理；④力學(xué)性能與抗輻照性能協(xié)同設(shè)計(jì)；⑤輻照環(huán)境中 C/C 復(fù)合材料改性技術(shù)。承擔(dān)單位：西北工業(yè)大學(xué)，中南大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：成來飛學(xué)術(shù)骨干：欒新剛、陳潔、李克智、陳博經(jīng)費(fèi)比例：14%四、年度計(jì)劃研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年1）多元物理場(chǎng)長程傳輸 CVI 裝置及氣體流場(chǎng)設(shè)計(jì)；2）液相增密浸漬劑選擇及組分優(yōu)化；3）高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)建模分析；4）C/C 復(fù)合材料界面精細(xì)結(jié)構(gòu)表征方法；5）C/C 復(fù)合材料 電磁波響應(yīng)特性；6）C/C 復(fù)合材料的基體改性機(jī)理和方法；7）C/C 材料的輻照損傷及表征。1）形成大尺寸、異形件復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，獲得 CVI 過程中物理場(chǎng)和氣體流場(chǎng)作用的初步規(guī)律；2）建立 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱數(shù)學(xué)理論模型；3）揭示炭纖維與不同結(jié)構(gòu)基體炭界面，基體炭與基體炭界面結(jié)構(gòu)特征；4）揭示 C/C 復(fù)合材料的電磁波響應(yīng)機(jī)理；5）形成 C/C 復(fù)合材料陶瓷相基體改性技術(shù)原型；6）建立 C/C 材料的輻照損傷表征體系，科學(xué)表征損傷失效；7）申請(qǐng)專利 4～5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40～60 篇，其中SCI、EI 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第二年1）碳源對(duì)長程傳輸 CVI 增密速率的影響；2）液相增密過程中預(yù)制體結(jié)構(gòu)和炭結(jié)構(gòu)的演變；3）高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4）C/C 復(fù)合材料異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)表征及界面應(yīng)力分析；5）吸收劑與基體炭的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)吸波性能的影響；6）C/C 復(fù)合材料的涂層改性技術(shù)；7）基體改性 C/C 復(fù)合材料的輻照損傷特征。1）優(yōu)化碳源組合，獲得最佳的快速CVI 高效增密的技術(shù)條件；2）給出高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的典型結(jié)構(gòu)特征；3）揭示炭-陶瓷、炭- 金屬異質(zhì)界面的結(jié)構(gòu)特征，建立界面精細(xì)結(jié)構(gòu)表征體系；4）闡明吸收劑的組成、分布及其與基體炭炭的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)吸波性能的影響規(guī)律；5）設(shè)計(jì)出多層次復(fù)合涂層微結(jié)構(gòu)，優(yōu)化陶瓷涂層組合模式；6）掌握基體改性 C/C 復(fù)合材料的輻照損傷機(jī)理；7）申請(qǐng)專利 4～5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40～60 篇，其中SCI、EI 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。第三年1）長程傳輸 CVI 過程中間產(chǎn)物及熱解炭結(jié)構(gòu)控制；2）高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料工藝-結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)聯(lián)性；3）C/C 復(fù)合材料界面微觀力學(xué)行為；4）吸收劑改性炭纖維和基體炭對(duì)C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的影響；5）涂層/ 基體改性一體化 C/C 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制；1）揭示 CVI 中間產(chǎn)物和熱解炭微觀結(jié)構(gòu)多樣性之間關(guān)系；2）掌握高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)控制方法；3）探明界面微觀力學(xué)性能的影響因素；4）探明基體炭與耐高溫吸收劑的協(xié)同吸波機(jī)制；5）掌握一體化改性 C/C 材料的制備技術(shù)；研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)6）梯度涂層 C/C 復(fù)合材料的輻照損傷特征。6）確定梯度涂層 C/C 材料的輻照損傷機(jī)理；7）申請(qǐng)專利 4～5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40～60 篇，其中SCI、EI 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。第四年1）大尺寸、異形件液相增密過程中長程傳輸增密機(jī)制；2）高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及性能的高溫演變；3）C/C 復(fù)合材料異質(zhì)界面在高溫下的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律；4）C/C 復(fù)合材料力學(xué)、氧化燒蝕與吸波性能的協(xié)同設(shè)計(jì)；5）一體化 C/C 復(fù)合材料高馬赫、高溫、富氧服役環(huán)境下的長時(shí)間燒蝕行為；6）梯度涂層/基體改性 C/C 復(fù)合材料的輻照損傷特征。1）確定大尺寸、異形件高效液相增密關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制容限，建立液 2）相致密化過程浸漬效率評(píng)價(jià)體系；探明高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料導(dǎo)熱性能高溫演變規(guī)律；3）揭示異質(zhì)連接界面在高溫下的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及失效機(jī)制；4）實(shí)現(xiàn) C/C 復(fù)合材料抗氧化燒蝕、力學(xué)性能與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)；5）探明一體化材料高馬赫、高溫、富氧服役條件下的失效機(jī)制和防護(hù)機(jī)理；6）確定梯度涂層/基體改性 C/C 復(fù)合材料的輻照損傷機(jī)理；7）申請(qǐng)專利 4～5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40～60 篇，其中SCI、EI 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第五年1）CVI＋液相增密復(fù)合增密過程優(yōu)化；2）高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料性能優(yōu)化；3）C/C 復(fù)合材料異質(zhì)界面在熱循環(huán)作用下的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律；4）高溫服役過程中 C/C 復(fù)合材料吸波性能的穩(wěn)定性；5）一體化高溫長時(shí)燒蝕 C/C 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；6）C/C 復(fù)合材料的輻照防護(hù)改性機(jī)制及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。1）探明 C/C 復(fù)合材料高效復(fù)合增密機(jī)制；2）優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備新型高導(dǎo)熱 C/C復(fù)合材料；3）進(jìn)一步優(yōu)化多相界面結(jié)構(gòu)和異質(zhì)連接界面結(jié)構(gòu)；4）探討高溫服役過程中穩(wěn)定 C/C復(fù)合材料吸波性能的技術(shù)途徑;5）掌握 C/C 復(fù)合材料的輻照防護(hù)技術(shù)和改性技術(shù)，顯著提高 C/C 材料在輻照環(huán)境中的結(jié)構(gòu)、熱物理性能和力學(xué)性能的穩(wěn)定性；6）C/C 復(fù)合材料 CVI 平均密度1.5～1.6g/cm 3，密度不均性≤8%；臨近空間條件下 Ma5～8,工作時(shí)間≥1200s。7）申請(qǐng)專利 4～5 項(xiàng)，在核心刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 篇以上，其中SCI、EI 雜志源刊物發(fā)表論文 30 篇以上。一、研究內(nèi)容1. 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題前期 973 項(xiàng)目解決了 “碳原子排列機(jī)理及其演變機(jī)制”、典型 C/C 復(fù)合材料“結(jié)構(gòu)及界面特性與表征” 和 1700℃富氧“環(huán)境服役動(dòng)態(tài)過程與防護(hù)機(jī)理 ”三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，初步奠定了制備高性能 C/C 復(fù)合材料的理論基礎(chǔ)。為滿足我國國民經(jīng)濟(jì)和國防現(xiàn)代化建設(shè)對(duì) C/C 復(fù)合材料越來越高的性能要求和低成本要求，尚待解決以下五個(gè)方面的基本問題：(1) 大尺寸異形 C/C 復(fù)合材料低成本制備；(2)C/C 復(fù)合材料基體炭結(jié)構(gòu)的可控可調(diào)； (3)C/C 復(fù)合材料中多相界面，涂層界面，以及異質(zhì)連接界面的表征、設(shè)計(jì)和控制；(4)C/C 復(fù)合材料高馬赫、高溫、富氧環(huán)境長時(shí)間耐燒蝕和高導(dǎo)熱實(shí)現(xiàn)機(jī)制；(5)C/C 復(fù)合材料高溫吸波行為和輻照行為及防護(hù)。這些基本問題涉及如下三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：(1) 碳源基團(tuán)高質(zhì)高速增密過程機(jī)理與控制；(2) C/C 復(fù)合材料微觀組織和界面結(jié)構(gòu)形成與作用機(jī)制；(3) C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境下長時(shí)間服役行為與防護(hù)。通過解決上述三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，奠定高性能 C/C 復(fù)合材料高效制備和服役的理論基礎(chǔ)，推動(dòng)我國 C/C 復(fù)合材料制備及應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題一“碳源基團(tuán)高質(zhì)高速增密過程機(jī)理與控制”，開展高性能 C/C 復(fù)合材料高效增密過程與微觀結(jié)構(gòu)控制研究，發(fā)展長程傳輸、長程擴(kuò)散快速 CVI 增密技術(shù)和液相增密技術(shù)，解決大尺寸異形 C/C 復(fù)合材料低成本制備問題，及其炭結(jié)構(gòu)的調(diào)控問題；開展 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制研究，解決采用國產(chǎn)原材料制備高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論問題。圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題二“C/C 復(fù)合材料微觀組織和界面結(jié)構(gòu)形成與作用機(jī)制”，開展炭/炭復(fù)合材料多相界面設(shè)計(jì)與表征評(píng)價(jià)研究，解決 C/C 復(fù)合材料中炭-炭、炭-陶瓷、炭 -金屬界面精細(xì)表征和設(shè)計(jì)，C/C 復(fù)合材料與涂層界面控制，以及C/C 復(fù)合材料異質(zhì)連接界面的設(shè)計(jì)和控制問題；開展 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)控制及力學(xué)與吸波性能協(xié)同研究，設(shè)計(jì) C/C 復(fù)合材料中炭纖維、基體和涂層微結(jié)構(gòu)，解決承載吸波一體化 C/C 復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制備的基礎(chǔ)理論問題。圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題三“C/C 復(fù)合材料苛刻環(huán)境下長時(shí)間服役行為與防護(hù)”，開展 C/C 復(fù)合材料高溫長時(shí)燒蝕行為與防護(hù)方法研究，通過多相基體改性和表面涂層防護(hù)，突破高馬赫、高溫、富氧環(huán)境下長時(shí)間耐燒蝕 C/C 復(fù)合材料制備的理論和技術(shù)瓶頸；開展 C/C 復(fù)合材料輻照損傷機(jī)理與改性研究，解決 C/C 復(fù)合材料輻照防護(hù)的基礎(chǔ)理論問題。2. 主要研究內(nèi)容項(xiàng)目以大型、異型構(gòu)件的高效、均勻增密制備技術(shù)和富氧環(huán)境下高溫、長時(shí)燒蝕行為與防護(hù)作為研究重點(diǎn)。(1) 高性能 C/C 復(fù)合材料高效增密與過程控制深入研究復(fù)合碳源組分、物理場(chǎng)、氣體流場(chǎng)、中間基團(tuán)等對(duì)提高 CVI 增密速率和調(diào)控?zé)峤馓拷Y(jié)構(gòu)的作用，探明沉積過程中基團(tuán)的演變規(guī)律；進(jìn)一步探討不同坯體結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀構(gòu)件的 CVI 增密過程機(jī)理，發(fā)展長程傳輸、長程擴(kuò)散快速 CVI 增密技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大尺寸異形構(gòu)件的 CVI 高質(zhì)高速制備；探索特種熱解炭的結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理，滿足特殊用途應(yīng)用需要；研究液相增密過程機(jī)理，設(shè)計(jì)、優(yōu)化浸漬劑組分，發(fā)展高效液相增密技術(shù)。優(yōu)化氣液相復(fù)合增密工藝技術(shù)。(2) C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析影響 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱的主次因素，建立 C/C 復(fù)合材料高導(dǎo)熱數(shù)學(xué)理論模型，合理確定模型的邊界條件和適用范圍，給出高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料的典型結(jié)構(gòu)特征；開展高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)特征的多層次設(shè)計(jì)，研究高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特征的控制方法，制備高性能的高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料；開展高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料組織、結(jié)構(gòu)特征及其高溫演變研究，研究高導(dǎo)熱 C/C復(fù)合材料氧化防護(hù)方法，建立高導(dǎo)熱 C/C 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與其高溫導(dǎo)熱性能的相關(guān)性。(3) 炭/炭復(fù)合材料多相界面設(shè)計(jì)與表征評(píng)價(jià)研究 C/C 復(fù)合材料中炭-炭、炭-陶瓷界面精細(xì)結(jié)構(gòu)與缺陷，探討界面結(jié)構(gòu)與 C/C 復(fù)合材料宏微觀性能之間的關(guān)系，優(yōu)化 C/C 復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)，提高C/C 復(fù)合材料的宏觀性能；設(shè)計(jì) C/C 復(fù)合材料異質(zhì)連接界面過渡結(jié)構(gòu)，解決界面相容性問題，并探討高溫及熱沖擊作用下界面結(jié)構(gòu)演變與失效機(jī)制，進(jìn)一步優(yōu)化異質(zhì)連接界面結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)研究 C/C 復(fù)合材料多相界面的設(shè)計(jì)、表征與評(píng)價(jià)。(4) C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)控制及力學(xué)與吸波性能協(xié)同設(shè)計(jì)研究不同微結(jié)構(gòu) C/C 復(fù)合材料的電磁波響應(yīng)特性及機(jī)理，以及高溫服役過程中 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)和吸波性能的演變機(jī)制；通過炭纖維和基體改性、復(fù)合涂層和制備工藝等控制 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和吸波性能的研究，形成高溫承載吸波一體化 C/C 復(fù)合材料的協(xié)同設(shè)計(jì)與制備技術(shù)；匹配設(shè)計(jì)炭纖維、基體和涂層阻抗，優(yōu)化設(shè)計(jì) C/C 復(fù)合材料微觀組織和多相界面，實(shí)現(xiàn) C/C 復(fù)合材料高溫力學(xué)性能與吸波性能協(xié)同。(5) C/C 復(fù)合材料高溫長時(shí)燒蝕行為與控制方法研究 C/C 復(fù)合材料高馬赫、高溫、富氧服役環(huán)境下長時(shí)間耐燒蝕涂層設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，探討長時(shí)間耐燒蝕涂層多層次微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制(包括成分梯度分布指數(shù)、涂層厚度、涂層層數(shù)以及晶體結(jié)構(gòu))；研究 C/C 復(fù)合材料基體改性技術(shù)與控制，揭示成分分布、相組成、界面結(jié)構(gòu)、微孔結(jié)構(gòu)與高溫氧化、燒蝕性能的關(guān)聯(lián)性；研究涂層/基體改性一體化設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，以及 C/C 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控，探討高馬赫、高溫、富氧環(huán)境下改性/ 涂層 C/C 復(fù)合材料的長時(shí)間動(dòng)態(tài)演變過程、失效機(jī)制與防護(hù)機(jī)理。(6) C/C 復(fù)合材料輻照損傷機(jī)理與改性研究 C/C 復(fù)合材料及其改性材料在輻照環(huán)境中的結(jié)構(gòu)、熱物理和力學(xué)性能穩(wěn)定性，高能粒子轟擊對(duì) C/C 復(fù)合材料及其改性材料微結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，高能粒子轟擊對(duì)梯度涂層 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，高能粒子轟擊對(duì)梯度涂層/基體改性 C/C 復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律。探討 C/C 復(fù)合材料及其改性材料在輻照環(huán)境中損傷機(jī)理和防護(hù)方法。