Corros. Sci.：碳纳米管的电泳沉积来改善C/C复合材料抗烧蚀性能的研究
【引言】
C/C复合材料是热保护系统的重要超高温烧蚀层。它们通常适用于存在空气动力学加热和表面摩擦的极端工作条件。 C/C复合材料重量更轻，强度更高，还能耐受高温环境。然而，C/C复合材料的高烧蚀率限制了它们的使用寿命，并威胁着热防护系统的可靠性。
目前，超高温陶瓷（UHTCs）涂层和基体改性是提高C/C复合材料抗烧蚀能力的两种主要方法。这两种方法主要集中在减少C/C复合材料的化学烧蚀，并取得了显着的改善,碳纳米管（CNTs）由于具有较高的比强度和优异的导热性，因此适用于增强基体的内聚力和纤维基体界面。目前应用碳纳米管作为烧蚀材料引起了人们的广泛兴趣，许多研究表明碳纳米管对抗烧蚀性能的积极作用。
电泳沉积（EPD）是通过带电粒子在直流电场下在适当溶剂中的运动实现的，已被证明是一种可行的制备纤维-碳纳米管分层结构的方法。它避免了金属催化剂的使用，并且提供了在复杂的纤维织物上以与在原位生长CNT相比更低的成本均匀地沉积CNT。 CNTs在碳纤维上的EPD是增强C/C复合材料基体和纤维基复合材料的一种有效途径。
【成果简介】
近日，西北工业天大学李贺军和宋强(共同通讯作者)等人在期刊Corros. Sci.发表了最新研究的且题目为“Electrophoretic deposition of carbon nanotubes for improved ablation resistance of carbon/carbon composites”的文章。通过电泳沉积将CNTs引入到C/C复合材料中以改善其烧蚀性能。优化的CNT含量，通过应用优化含量的碳纳米管，复合材料的热导率提高了24.5％，纤维基体界面强度提高了74.6％。局部热损伤得到明显缓解，高速气体的基体剥落受到抑制，导致机械烧蚀明显减少。
【图文导读】
图1. 不同工艺处理下的CNT的显微图像
（a）CNT不同时间EPD后碳纤维表面的低倍形貌
（b）用热解碳渗透后的CNT膜的横截面图
（c）CNT-热解碳过渡层的HR-TEM图像
图2. 烧蚀环境的规范模拟
（a）烧蚀设置的原理图
（b）烧蚀过程中表面温度随着烧蚀时间的变化
（c）Ansys Fluent分析的烧蚀过程的模拟速度场
（d）速度场对C/C复合材料表面形貌的影响
图3. C/C复合材料实验样品及烧蚀行为随EPD时间的变化
（a）烧蚀样品的表面形貌
（b）样品的线性和质量消融率
（c）烧蚀样品的高度图（原始样品的表面标记为0）
图4. SEM表征的烧蚀C/C复合材料的表面形貌
（a）烧蚀过程截面简图
（b）烧蚀试验前C/C复合材料的原始表面形貌
（c）C/C复合材料中心区域的烧蚀表面形貌
（d）C/C复合材料外部区域的烧蚀表面形貌
（e）C/C复合材料边缘区域的烧蚀表面形貌
图5 引入碳纳米管后，CNT-C/C复合材料的烧蚀表面与原来的C / C复合材料的对比图
（a）CNT-2-C / C在中央区域的烧蚀表面形态
（b）外部区域中CNT-2-C / C的烧蚀表面形态
（c）在中央区域中CNT-4-C / C的烧蚀表面形态
（d）在外部区域中CNT-4-C / C的烧蚀表面形态
（e）低倍放大的CNT-6-C / C表面烧蚀
（f）高倍率下CNT-6-C / C的烧蚀表面
（g）在低放大倍数下CNT-8-C / C的烧蚀表面
（h）高倍率下CNT-8-C / C的烧蚀表面
【小结】
本文研究了在碳纤维表面引入了碳纳米管，以实现更好的C/C复合材料烧蚀性能。引入碳纳米管后，C/C复合材料的质量和线性烧蚀率均显着下降。碳纳米管改善了复合材料的导热系数和纤维-基体界面结合强度，保护基体不被剥离，并被高速冲洗气体剥离。结果显示，复合材料的机械烧蚀明显减少。因此，EPD引入碳纳米管是一种可行且低成本的方法，在不增加复合材料密度的情况下获得优异的C/C复合材料抗烧蚀性能。同时，由于CNT-C/C复合材料的抗氧化性能并未得到明显改善，采用EPD碳纳米管与UHTCs涂层相结合，进一步改善氧化和机械烧蚀。
（Corros. Sci.，2018，DOI：org/10.1016/j.corsci.2018.01.001.）
本文由材料人编辑部张润凯编译 材料牛整理编辑
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