西工大Composites Part B：ZrC納米線改性C/C復合材料的研究

【引言】

碳/碳(C/C)復合材料是可以在2200°C以上長時間高強度使用的獨特材料，其性能會隨著溫度的升高而得到改善。C/C復合材料具有一系列優異的性能，如低密度，高比強度，高比模量，低熱膨脹系數和優異的抗燒蝕、抗熱沖擊性能，因此廣泛用于航空航天領域的高溫結構部件。然而，當C/C復合材料用作尖頭和薄壁部件時，力學性能由于其高脆性和熱解碳(PyC)的低強度而受到了制約。最近，有學者報道了ZrC納米線改性C/C復合材料的研究，通過原位ZrC納米線的生長顯著提高復合材料的彎曲性能。

【成果簡介】

近日，來自西北工業大學的史小紅教授 (通訊作者)等人在Composites Part B上發布了一篇關于C/C復合材料的文章，題為“In-situ homogeneous growth of ZrC nanowires on carbon cloth and their effects on flexural properties of carbon/carbon composites”。
作者通過前驅體熱解技術在碳纖維布上成功合成了原位ZrC納米線（ZrCNWs），并用SEM，TEM，EDS和XRD表征ZrCNWs的形貌，微觀結構和化學組成。研究結果表明，ZrCNWs是單晶結構，直徑約為500-1000nm，縱橫比可達100，ZrCNWs通過納米線橋接，裂紋偏轉以及基體與纖維之間界面結合強度的提高來增韌C/C復合材料。引入ZrCNWs后，C/C復合材料的彎強度提高了163.2％。

【圖片導讀】

圖1 碳纖維布上制備ZrCNW的工藝流程圖

圖2 ZrC前驅體的TG和DSC曲線

圖3 不同熱處理溫度下所制備ZrCNWs的XRD圖譜

圖4 不同熱處理溫度下ZrCNWs原位生長的SEM圖像

(a-b) 1500°C；

(c-d) 1550°C；

(e-f) 1600°C。

圖5 不同催化劑含量下ZrCNWs原位生長的SEM圖像

(a-b) 1wt％；

(c-d) 3wt％；

(e-f) 5wt％。

圖6 ZrCNWs的典型SEM圖像

(a) 低放大倍數；

(b) 高放大倍數；

(c, e) ZrCNWs頂部位置和相應的EDS圖；

(d, f) ZrCNWs生根位置和相應的EDS圖。

圖7 ZrCNWs的TEM照片

(a) 明場像；

(b) 高分辨圖像和相應的選區電子衍射圖像。

圖8 力學性能表征

(a) C/C復合材料和ZrCNWs-C/C復合材料的彎曲應力應變曲線；

(b) C/C復合材料和ZrCNWs-C/C復合材料的XRD圖譜。

【小結】

本文報道了通過前驅體熱解技術在碳纖維布上成功地原位生長出ZrC納米線。具有單晶結構且縱橫比高達100的ZrCNW均勻分布在碳布上，其主要生長方向為[111]晶向。此外，與未改性的C/C復合材料相比，ZrCNWs改性C/C復合材料的彎強度提高了163.2％。 微觀結構的研究表明，改性后最明顯的變化是基體內聚力顯著增強，PyC的晶粒尺寸變大，結晶度進一步提高。

文獻鏈接：In-situ homogeneous growth of ZrC nanowires on carbon cloth and their effects on flexural properties of carbon/carbon composites (Composites Part B, 7 August, 2018 , DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.08.021)

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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