Corros. Sci.：碳納米管的電泳沉積來改善C/C復合材料抗燒蝕性能的研究
【引言】
C/C復合材料是熱保護系統的重要超高溫燒蝕層。它們通常適用于存在空氣動力學加熱和表面摩擦的極端工作條件。 C/C復合材料重量更輕，強度更高，還能耐受高溫環境。然而，C/C復合材料的高燒蝕率限制了它們的使用壽命，并威脅著熱防護系統的可靠性。
目前，超高溫陶瓷（UHTCs）涂層和基體改性是提高C/C復合材料抗燒蝕能力的兩種主要方法。這兩種方法主要集中在減少C/C復合材料的化學燒蝕，并取得了顯著的改善,碳納米管（CNTs）由于具有較高的比強度和優異的導熱性，因此適用于增強基體的內聚力和纖維基體界面。目前應用碳納米管作為燒蝕材料引起了人們的廣泛興趣，許多研究表明碳納米管對抗燒蝕性能的積極作用。
電泳沉積（EPD）是通過帶電粒子在直流電場下在適當溶劑中的運動實現的，已被證明是一種可行的制備纖維-碳納米管分層結構的方法。它避免了金屬催化劑的使用，并且提供了在復雜的纖維織物上以與在原位生長CNT相比更低的成本均勻地沉積CNT。 CNTs在碳纖維上的EPD是增強C/C復合材料基體和纖維基復合材料的一種有效途徑。
【成果簡介】
近日，西北工業天大學李賀軍和宋強(共同通訊作者)等人在期刊Corros. Sci.發表了最新研究的且題目為“Electrophoretic deposition of carbon nanotubes for improved ablation resistance of carbon/carbon composites”的文章。通過電泳沉積將CNTs引入到C/C復合材料中以改善其燒蝕性能。優化的CNT含量，通過應用優化含量的碳納米管，復合材料的熱導率提高了24.5％，纖維基體界面強度提高了74.6％。局部熱損傷得到明顯緩解，高速氣體的基體剝落受到抑制，導致機械燒蝕明顯減少。
【圖文導讀】
圖1. 不同工藝處理下的CNT的顯微圖像
（a）CNT不同時間EPD后碳纖維表面的低倍形貌
（b）用熱解碳滲透后的CNT膜的橫截面圖
（c）CNT-熱解碳過渡層的HR-TEM圖像
圖2. 燒蝕環境的規范模擬
（a）燒蝕設置的原理圖
（b）燒蝕過程中表面溫度隨著燒蝕時間的變化
（c）Ansys Fluent分析的燒蝕過程的模擬速度場
（d）速度場對C/C復合材料表面形貌的影響
圖3. C/C復合材料實驗樣品及燒蝕行為隨EPD時間的變化
（a）燒蝕樣品的表面形貌
（b）樣品的線性和質量消融率
（c）燒蝕樣品的高度圖（原始樣品的表面標記為0）
圖4. SEM表征的燒蝕C/C復合材料的表面形貌
（a）燒蝕過程截面簡圖
（b）燒蝕試驗前C/C復合材料的原始表面形貌
（c）C/C復合材料中心區域的燒蝕表面形貌
（d）C/C復合材料外部區域的燒蝕表面形貌
（e）C/C復合材料邊緣區域的燒蝕表面形貌
圖5 引入碳納米管后，CNT-C/C復合材料的燒蝕表面與原來的C / C復合材料的對比圖
（a）CNT-2-C / C在中央區域的燒蝕表面形態
（b）外部區域中CNT-2-C / C的燒蝕表面形態
（c）在中央區域中CNT-4-C / C的燒蝕表面形態
（d）在外部區域中CNT-4-C / C的燒蝕表面形態
（e）低倍放大的CNT-6-C / C表面燒蝕
（f）高倍率下CNT-6-C / C的燒蝕表面
（g）在低放大倍數下CNT-8-C / C的燒蝕表面
（h）高倍率下CNT-8-C / C的燒蝕表面
【小結】
本文研究了在碳纖維表面引入了碳納米管，以實現更好的C/C復合材料燒蝕性能。引入碳納米管后，C/C復合材料的質量和線性燒蝕率均顯著下降。碳納米管改善了復合材料的導熱系數和纖維-基體界面結合強度，保護基體不被剝離，并被高速沖洗氣??體剝離。結果顯示，復合材料的機械燒蝕明顯減少。因此，EPD引入碳納米管是一種可行且低成本的方法，在不增加復合材料密度的情況下獲得優異的C/C復合材料抗燒蝕性能。同時，由于CNT-C/C復合材料的抗氧化性能并未得到明顯改善，采用EPD碳納米管與UHTCs涂層相結合，進一步改善氧化和機械燒蝕。
（Corros. Sci.，2018，DOI：org/10.1016/j.corsci.2018.01.001.）
本文由材料人編輯部張潤凱編譯 ?材料牛整理編輯 ??
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