西工大Composites Part B：ZrC纳米线改性C/C复合材料的研究

【引言】

碳/碳(C/C)复合材料是可以在2200°C以上长时间高强度使用的独特材料，其性能会随着温度的升高而得到改善。C/C复合材料具有一系列优异的性能，如低密度，高比强度，高比模量，低热膨胀系数和优异的抗烧蚀、抗热冲击性能，因此广泛用于航空航天领域的高温结构部件。然而，当C/C复合材料用作尖头和薄壁部件时，力学性能由于其高脆性和热解碳(PyC)的低强度而受到了制约。最近，有学者报道了ZrC纳米线改性C/C复合材料的研究，通过原位ZrC纳米线的生长显著提高复合材料的弯曲性能。

【成果简介】

近日，来自西北工业大学的史小红教授 (通讯作者)等人在Composites Part B上发布了一篇关于C/C复合材料的文章，题为“In-situ homogeneous growth of ZrC nanowires on carbon cloth and their effects on flexural properties of carbon/carbon composites”。
作者通过前驱体热解技术在碳纤维布上成功合成了原位ZrC纳米线（ZrCNWs），并用SEM，TEM，EDS和XRD表征ZrCNWs的形貌，微观结构和化学组成。研究结果表明，ZrCNWs是单晶结构，直径约为500-1000nm，纵横比可达100，ZrCNWs通过纳米线桥接，裂纹偏转以及基体与纤维之间界面结合强度的提高来增韧C/C复合材料。引入ZrCNWs后，C/C复合材料的弯强度提高了163.2％。

【图片导读】

图1 碳纤维布上制备ZrCNW的工艺流程图

图2 ZrC前驱体的TG和DSC曲线

图3 不同热处理温度下所制备ZrCNWs的XRD图谱

图4 不同热处理温度下ZrCNWs原位生长的SEM图像

(a-b) 1500°C；

(c-d) 1550°C；

(e-f) 1600°C。

图5 不同催化剂含量下ZrCNWs原位生长的SEM图像

(a-b) 1wt％；

(c-d) 3wt％；

(e-f) 5wt％。

图6 ZrCNWs的典型SEM图像

(a) 低放大倍数；

(b) 高放大倍数；

(c, e) ZrCNWs顶部位置和相应的EDS图；

(d, f) ZrCNWs生根位置和相应的EDS图。

图7 ZrCNWs的TEM照片

(a) 明场像；

(b) 高分辨图像和相应的选区电子衍射图像。

图8 力学性能表征

(a) C/C复合材料和ZrCNWs-C/C复合材料的弯曲应力应变曲线；

(b) C/C复合材料和ZrCNWs-C/C复合材料的XRD图谱。

【小结】

本文报道了通过前驱体热解技术在碳纤维布上成功地原位生长出ZrC纳米线。具有单晶结构且纵横比高达100的ZrCNW均匀分布在碳布上，其主要生长方向为[111]晶向。此外，与未改性的C/C复合材料相比，ZrCNWs改性C/C复合材料的弯强度提高了163.2％。 微观结构的研究表明，改性后最明显的变化是基体内聚力显著增强，PyC的晶粒尺寸变大，结晶度进一步提高。

文献链接：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)

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