西北工业大学李贺军院士团队顶刊综述:一维纳米结构增强C/C复合材料研究进展
2022-07-26 11:31:12 作者:材料学网 来源:西北工业大学 分享至:

引言:碳纤维增强碳基(Carbon/Carbon,C/C)复合材料具有一系列优异的结构性能,已成为航空航天领域高温热结构材料的候选材料。然而,碳基体的强度低、脆性大,微观尺度碳纤维不能在纳米尺度上有效地强化碳基体;同时,飞行器的快速发展要求C/C复合材料兼具优异力学性能和多功能特性。为了有效解决上述问题并满足发展需求,近年来各种一维(1D)纳米结构作为纳米尺度增强体被引入到复合材料中,实现了C/C力学性能和功能特性(抗氧化、抗烧蚀、导热、电磁屏蔽等)的改善。


近日,西北工业大学李贺军院士团队系统总结了一维纳米结构(碳基/硅基陶瓷/超高温陶瓷/杂化一维纳米材料等)强韧化C/C复合材料研究进展,包括复合材料制备策略、一维纳米结构引入方法、一维纳米结构强韧化C/C复合材料的结构表征、力学与功能特性演变规律等。基于一维纳米材料引入对C/C复合材料微观结构影响规律分析,讨论了其改善C/C力学和功能特性的作用机制,并展望了一维纳米结构强韧化C/C复合材料未来研究的机遇和挑战。相关工作以题为“Recent Progress in One-Dimensional Nanostructures Reinforced Carbon/Carbon Composites”发表在了Adv. Funct. Mater.上,论文含大图27幅,表格4个,参考文献245条,总计22000余字。

图1 “一维纳米结构增强C/C复合材料的设计、制备和性能”研究框架图

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图2 3D碳纤维预制体形式

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图3 “分步法”和“一步高效法”制备一维纳米结构增强C/C复合材料的典型工艺

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图4 一维纳米结构引入C/C复合材料内的物理和化学方法

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图5 不同形貌CNTs强韧化C/C复合材料的结构表征和力学性能

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图6 直立CNTs强韧化C/C复合材料的结构表征和力学性能

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图7 电泳CNTs强韧化C/C复合材料的结构表征和力学性能

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图8 CNTs强韧化C/C复合材料的界面设计和力学性能

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图9 CNTs强韧化C/C复合材料高效制备新策略

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图10 CNTs强韧化陶瓷改性C/C复合材料高效制备新策略和结构性能表征

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图11 CNTs强韧化C/C复合材料的功能特性:导热、氧化、烧蚀、电磁等

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图12 CNFs强韧化C/C复合材料的结构表征和性能

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 图13 SiCNWs强韧化碳布基C/C复合材料的结构表征和力学性能(弯曲)

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图14 SiCNWs强韧化碳毡基C/C复合材料的结构表征和力学性能(弯曲)

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图15 SiCNWs强韧化碳毡基C/C复合材料的结构表征和力学性能(压缩、剪切)

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图16 SiCNWs强韧化C/C复合材料的疲劳性能

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图17 SiCNWs强韧化C/C复合材料的功能特性:导热、氧化、电磁等

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图18 SiCNWs强韧化陶瓷改性C/C复合材料的结构表征与力学性能

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图19 SiCNWs强韧化陶瓷改性C/C复合材料的结构表征与电磁功能特性

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图20 Si3N4NWs强韧化C/C复合材料的结构表征与力学性能

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图21 HfCNWs强韧化C/C复合材料的结构与性能表征

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图22 ZrCNWs强韧化C/C复合材料的结构与性能表征

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图23 SiCNWs与Si3N4NBs强韧化C/C复合材料的结构与性能表征

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图24 SiCNWs@CNTs强韧化C/C复合材料的结构与性能表征

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图25 SiCNWs@PyC强韧化陶瓷改性C/C复合材料的结构与性能表征 

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图26 一维纳米结构对C/C复合材料结构和应力分布影响规律

图27 一维纳米结构对C/C复合材料性能(力学、电磁、烧蚀等)的作用机制分析


小结:


随着航空航天技术的快速发展,为了满足日益增长的需求和复杂的服役环境,迫切需要开发高强度、多功能、高性能C/C复合材料。一维纳米材料具有高强度、优异的延展性和大长径比等优点,因此,设计和制备一维纳米结构增强C/C复合材料被认为是实现高力学性能和其他功能特性的有效途径。针对不同的一维纳米结构体系和生长基底,提出了一系列一维纳米结构的引入方法;一维纳米结构的引入可以细化热解碳基体结构,减少C/C内部缺陷,增强纤维/基体界面结合,改善应力分布,实现力学性能的改善;此外,还可以提高C/C抗烧蚀、抗氧化、电磁屏蔽和热物理性能。本综述提出的“一维纳米增强”策略可广泛应用于各种纤维增强复合材料和陶瓷涂层领域。


虽然一维纳米结构的引入可以在一定程度上改善C/C复合材料的性能,但在极端高温应用环境下,进一步提高C/C复合材料的性能仍然存在一些挑战,存在众多问题需要研究学者考虑,例如,“C/C复合材料高氧化敏感性”、“一维纳米材料高温稳定性”、“近服役环境下性能测试和机理研究”、“大尺寸异形结构件制备”等。


文献链接:


Xuemin Yin1, Liyuan Han1, Huimin Liu, Ni Li*, Qiang Song*, Qiangang Fu, Yulei Zhang*, Hejun Li. Recent Progress in One-Dimensional Nanostructures Reinforced Carbon/Carbon Composites. Advanced Functional Materials, 2022, 202204965.(DOI: 10.1002/adfm.202204965)


部分作者简介


殷学民,分别于2014和2021年获西北工业大学学士和博士学位,师从李贺军院士。主要从事陶瓷基/碳基纳米材料的可控制备及其强韧化、功能化复合材料相关领域的研究工作;以第一或通讯作者身份在Adv. Funct. Mater.、Small、Compos. Sci. Technol.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Inter.、J. Mater. Sci. Technol.、Sci. China Mater.等国内外期刊上发表SCI论文多篇,ESI高被引论文3篇。


韩丽媛,于2016年在中北大学获得学士学位,随后在西北工业大学攻读硕士和博士学位(导师:李克智教授)。主要从事碳基纳米材料制备及其在复合材料强韧化、功能化方面的应用,目前以第一/共一作者身份在Adv. Funct. Mater.、Compos. Sci. Technol.、Carbon、Compos. Part B-Eng.等期刊上发表SCI论文多篇,其中1篇论文入选ESI高被引论文。


宋强研究员,西北工业大学研究员,博士生导师,陕西省杰青,西北工业大学“翱翔青年学者”,主要从事纳米改性C/C热结构复合材料及其多功能化研究,以第一或通讯作者身份先后在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Small、Chem. Eng. J.、Carbon、Compos. Sci. Technol.、J. Mater. Sci. Technol.等发表SCI论文50余篇,ESI高被引论文5篇,授权国家发明专利12件。主持国家自然科学基金3项,作为学术骨干参与千万级国家重大项目多项,获教育部自然科学一等奖1项(2020年,排2)。


张雨雷教授,西北工业大学教授,博士生导师,国家级青年人才入选者,超高温结构复合材料重点实验室副主任,主要从事抗氧化、抗烧蚀碳/碳复合材料研究,以第一或通讯作者身份先后在Adv. Funct. Mater.、Carbon、Corros. Sci.、J. Eur. Ceram. Soc.、J. Mater. Sci. Technol.等期刊上发表SCI论文90余篇,授权发明专利26件。主持国家自然科学基金(重点、重大研究计划、面上等5项)、国家重点研发计划课题、173计划领域重点基金等项目20余项。获国家自然科学二等奖(2016年,排5)、陕西省青年科技奖(2020年)、教育部自然科学一等奖1项(2020年,排3)等国家级和省部级科研奖励5项。

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