中国科学家在不同碳化温度下制备碳纤维增强碳气凝胶状复合材料

成果简介

在之前的研究中，采用酚醛纤维毡和酚醛树脂作为复合材料，高压辅助聚合和常压干燥的新方法，研制出一种强碳纤维增强碳气凝胶状基体（C/CA）复合材料。分别是增强体和基体的前体。所得的具有气凝胶状基体的C/CA复合材料具有大量的大中孔、较大的颗粒间接触面积、低结晶度碳纤维和强纤维/基体界面结合的特点。所有这些都有助于复合材料具有出色的隔热和承载能力。此外，所制备的 C/CA 复合材料具有良好的机械加工性，可接近大型人工制品。这些优异的性能证明了它们作为理想的超高温绝热材料的巨大潜力。然而，合成参数对C/CA复合材料的微观结构以及机械强度和热导率的影响尚未得到充分研究，因此尚未达到令人满意的综合性能。

本文，中国科学院金属研究所汤素芳等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Tailoring microstructures of carbon fiber reinforced carbon aerogel-like matrix composites by carbonization to modulate their mechanical properties and thermal conductivities”的论文， 研究在600-1200 的不同碳化温度下制备了一系列具有酚醛衍生碳基体的 C/CA 复合材料。系统研究了形貌和分子、孔和微晶结构的变化对力学性能和热导率的影响。这项工作可以为合理设计和制备具有航空航天应用所需性能的 C/CA 复合材料提供重要指导。

图文导读

图1。C/CA复合材料的制备示意图。

图2。(a) OP-C/CA 和 C/CA 复合材料的 FTIR 光谱。(b) C/CA 在不同碳化温度下的分子结构演化。

图3。(a-e) C/CA 复合材料的 SEM 图像和 (f) 不同复合材料的初步粒径。

图4。(a-c) TEM 图像，(d) XRD 图案，(e) C/CA 复合材料的拉曼光谱。

图5。(a) C/CA 复合材料的热导率，(b) 类 CA 基体中的热传导模型。

图6。(a) 颗粒堆积致密性，(b) 孔结构，(c) 微晶结构，(d) 在不同碳化温度下制备的 C/CA 复合材料的分子结构。

小结

系统地研究了碳化温度对C/CA复合材料的形貌和分子、孔和微晶结构以及由此产生的力学性能和热导率的影响。C/CA 复合材料具有 45.8-96.9 MPa 的令人印象深刻的抗压强度，远高于其他报道的具有相似体积密度的碳泡沫或气凝胶。C/CA-1200 最高的机械强度和模量可归因于良好的收缩匹配、高的颗粒堆积紧密度、大的微晶尺寸和较少的残留有机官能团。微孔的减少和纤维/基体界面结合的增加是导致 C/CA-1200 基体块状剥落的阶梯状断面出现的原因。定制的微观结构在调节 C/CA 复合材料的热导率方面也起着至关重要的作用。当复合材料在较低温度下碳化时，较大的比表面积，丰富的微孔和有机官能团、较小的微晶尺寸和颗粒间接触面积可以有效抑制声子的转移。这使得 C/CA-600 和 C/CA-750 与 C/CA-1200 相比具有较低的热导率和机械强度。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.05.059