高性能炭炭复合材料的基础研究样本.doc

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项目名称:
高性能炭/炭复合材料的基础研究
首席科学家:
黄伯云 中南大学
起止年限:
.1至 .12
依托部门:
教育部

一、 研究内容
拟解决的关键科学问题
纵观国内外C/C复合材料已有的研究成果, 不难发现C/C复合材料的研究主要存在如下五个基本问题亟待解决: (1)大规格异型炭纤维预制体的设计、 编织与成型难; (2)基体炭的组织结构尚不能自主控制, 制备周期长、 成本高; (3)C/C材料中炭结构的高温演变机制不明; (4)C/C复合材料中炭纤维/基体炭、 基体炭/基体炭的界面特征缺乏深入研究, 没有形成系统的界面表征方法; (5)没有建立系统的C/C复合材料环境服役行为评价体系, 环境损伤防护水平低, 应用领域受到严重制约。因此, 本项目拟经过解决三个关键科学问题: (1)C/C复合材料碳原子排列机理及其演变机制; (2)C/C复合材料界面效应与设计; (3)C/C复合材料的服役失效与防护机理。以期建立制备高性能C/C复合材料的理论基础平台, 推动中国C/C复合材料制备技术及其应用水平的大幅度发展。
主要研究内容
(1)经过温度场、 压力场、 流场、 电磁场等物理场的优化设计及其作用机理的研究, 利用数值分析和模拟, 建立坯体内部传质和传热的动力学模型, 探讨在多元耦合物理场作用下CVI过程特征, 碳原子排列机理, 以及热解炭形核、 快速长大机理, 形成RL、 SL、 ISO等热解炭结构的精确控制技术, 获得物理场和热解炭结构的关系, 形成高性能C/C复合材料的制备技术体系。
(2)研究液、 固相炭有机先驱体改性、 耐烧蚀元素及异类元素的加入及其作用, 获得高性能C/C复合材料的原材料。经过常压和高压炭化, 研究炭微观结构的演变机理及增密作用, 同时研究气、 液、 固相复合增密的碳原子排列机理及精确控制技术。
(3)以物理化学和晶体学原理为基础, 研究材料石墨化过程的热力学和动力学, 探讨热处理过程中基体炭的炭结构演变机理。同时, 探讨异类元素、 应力对炭结构演变的作用及机理。经过研究Raman散射强度比IG/ID与石墨化度g之间的定量关系, 建立基于Raman和粉末XRD的复合材料微区及整体石墨化度的精确定量表征体系。
(4)研究不同炭纤维预处理方法中纤维改性的机制, 经过炭纤维表面处理调整炭纤维表层碳原子的排列。建立炭纤维预制体结构与力学性能、 导热性能等关系的数学模型, 研究计算机仿真模拟的方法, 优化设计炭纤维预制体结构, 实现其可设计性。研究复杂、 异型炭纤维预制体编织方法。
(5)在炭纤维表面(活化与润湿性等)处理和改性的基础上, 研究炭纤维表面结构对CVI沉积碳原子的诱导及与其堆积模式的关系。采用现代研究手段, 研究炭纤维与基体炭、 基体炭与基体炭之间界面结构特征, 形成系统的C/C复合材料界面特征表征方法。经过研究炭纤维与基体炭之间的晶格匹配及其能势, 炭纤维与基体炭、 基体炭与基体炭之间界面的应力场特性, 进而研究界面特性对C/C复合材料物理、 化学和力学性能的影响规律及其机理。
(6)制备具有不同炭纤维及编制方式、 不同基体炭类型及结构的C/C复合材料, 并经不同的高温热处理, 研究其作为摩阻和减摩材料在静态、 动态、 高速、 重载和不同环境气氛等工况条件的摩擦磨损行为。在此基础上, 采用分形理论研究表面/次表面/基体部位的应力场、 摩擦热场、 材料损伤和组织结构( 如石墨微晶取向和有序度) 以及磨屑的变化规律, 建立摩擦磨损机理的物理模型和材料组织结构特性与摩擦磨损性能之间的联系, 为制动耐磨和密封减磨等应用条件下自主调节材料摩擦磨损性能提供理论基础。
(7)研究C/C材料导热系数随炭纤维体积分数和取向、 石墨化度、 孔隙/结构/分布、 界面结构及环境状态的演变规律, 探讨控制C/C材料导热性能的有效途径。建立导热性能预测和评价体系。采用有限元法, 探讨炭纤维及其周围基体沿纤维轴向及径向热传导的微观机理。研究在外加温度场和应力场共同作用下添加元素的作用机理, 探讨控制C/C材料导热性能的有效途径。
(8)经过研究C/C材料在物理场(温度场、 压力场、 流场和应力场等)、 化学场作用前后的结构、 性能变化规律, 探讨C/C材料环境服役行为。采用CVI、 HCVI、 有机溶剂浸渍、 涂覆等工艺制备Hf、 Ta、 Si等难熔金属碳化物和氧化物功能复合梯度涂层。以高温风洞模拟, 辅以发动机台架试验验证和修正, 研究材料的环境损伤行为, 探讨其防护机理。研究涂层/基体系统的损伤失效机理, 形成C/C材料抗氧化技术的理论体系。

二、 预期目标
总体目标:
经过本项目的实施, 研究C/C复合材料的制备工艺、 结构与性能之间的内在关系, 探索碳原子排列机理, 研究C/C材料结构多样性和性能多样性, 奠定高性能C/C材料制备技术和应用技术的理论基础; 推进C/C材料高性能、 低成本化, 满足中国国民经济高新技术领域的重大需求, 加速其在民用领域的广泛应用; 推动C/C材料制备技术和应用技术向高、 精、 尖发展, 满足中国国防建设的需求。

五年预期目标:
(1)经过高性能C/C复合材料基础研究, 取得如下相关理论成果:
l 研究多元耦合物理场作用下快速CVI增密和C/C复合材料炭结构的调控, 揭示C/C复合材料炭结构形成及演变机理。
l 研究炭纤维表面结构和界面结构特征, 探明C/C复合材料界面结构形成机制。
l 研究C/C复合材料在摩擦、 导热、 氧化、 烧蚀等环境中的服役行为, 建立材料失效防护的理论体系。
(2)为提高C/C复合材料的性能和降低成本, 发展以下新技术原型:
l 形成系列高性能C/C航空制动材料原型, 支撑中国大型民用飞机、 数千架军机先进制动技术的发展。
l 形成轻质耐烧蚀材料和热防护C/C材料原型, 为发展中国高性能火箭、 战略战术导弹和高超声速飞行器的先进推进系统奠定基础。
l 形成导热隔热、 热结构、 耐腐蚀高性能C/C材料原型, 为国家大型制造业、 化工业以及国家重大工程提供材料技术保障。
(3)经过高性能C/C复合材料基础研究, 达到以下技术指标:
l 创立短周期、 低成本、 高性能C/C复合材料多场耦合制备新工艺, 周期缩短40%、 成本降低30%。
l 高导热C/C复合材料材料导热系数提高25%, 隔热C/C复合材料导热系数降低25%,
l 建立C/C复合材料环境服役防护体系, 热防护材料寿命达到15s(3150℃), 热结构材料寿命达到30hrs(1700℃)。
(4)培养博士后10~20人、 博士50~80人、 硕士80~ 100人, 形成中国C/C复合材料的高水平研究团队; 发表论文260篇以上, 其中SCI、 EI源刊物150篇, 申请专利10项以上。

三、 研究方案
l 学术思路
以物理学、 化学、 物理冶金学、 物理化学、 表面科学等基本原理为基础, 结合C/C材料的结构特征(单一炭元素构成的过渡型结构), 运用现代实验、 分析手段, 围绕本项目拟解决的三个关键科学问题, 在快速CVI、 高压炭化、 热处理、 纤维预制体结构、 界面结构、 摩擦与减磨、 导热与隔热、 环境防护八个方面展开系统、 深入的研究, 以建立高性能C/C复合材料的基础理论体系, 形成相关技术原型。

l 技术途径
(1) C/C复合材料碳原子排列机理及其演变机制
a) 以热物理学和电磁学为基础, 经过外加或内置的方式, 优化设计CVI, 构建坯体内部的多元耦合物理场;
b) 采用数值分析和计算机模拟, 建立坯体内部传质和传热的动力学模型;
c) 以晶体学理论为基础, 探讨多元耦合物理场作用下热解炭形核、 长大的理论模型, 形成物理场和热解炭结构的关系图;
d) 利用无机化学反应的方法, 产生原子态碳, 研究制备C/C复合材料的新方法;
e) 以高分子化学为基础, 研究常压和高压炭化作用下沥青、 树脂改性机理。
f) 经过外加或预置方式, 在C/C材料中引入异类元素或应力, 探讨其对炭结构演变的作用及机理;
g) 以物理化学和晶体学原理为基础, 结合石墨化的热力学和动力学, 探讨热处理过程中炭结构演变的机理;
h) 以Raman散射和XRD固体物理学原理为指导, 建立Raman散射强度比IG/ID与石墨化度g之间的定量关系, 以及基于粉末XRD谱线的复合材料整体石墨化度的计算模型。
(2) C/C复合材料界面效应与设计
a) 建立炭纤维预制体结构与力学性能、 导热性能之间关系的数学模型, 研究计算机仿真模拟的方法, 优化设计炭纤维预制体结构, 实现其预先可设计性;
b) 结合后续的CVI增密过程, 研究炭纤维表面改性处理后表面碳原子结构对CVI热解炭形核、 生长及其组织结构的影响;
c) 采用长纤维缠绕、 炭毡、 短纤维模压、 炭布叠层、 以及Z向针刺等工艺,实现炭纤维预制体的编制, 研究复杂、 异型、 大尺寸炭纤维预制体的编织技术及薄壁件的尺寸稳定技术;
d) 以XPS表征表面成分, 研究炭纤维表面改性处理对纤维表面原子结构、 炭纤维/基体炭界面的电子、 能量相互作用机理;
e) 以微压痕法研究界面结合, 以Raman、 HRTEM、 SEM等表征界面微结构, 研究界面对基体炭的结构诱导机制;
f) 以Raman、 XRD等分析界面应力, 研究界面对C/C复合材料力学、 热物理性能的影响规律及其机理。
(3) C/C复合材料的服役失效与防护机理
a) 在动态模拟试验装置上, 模拟高能制动和高速滑动摩擦等条件及不同环境气氛下材料的摩擦磨损行为;
b) 运用现代分析手段, 研究摩擦过程中摩擦表面/次表面/基体应力、 材料损伤和组织结构以及磨屑的变化规律;
c) 利用机械学和材料学理论, 研究静态、 高能及不同环境气氛下材料组织结构与摩擦磨损特性的关系, 揭示其摩擦磨损机理;
d) 运用现代分析手段, 研究C/C复合材料在室温及温升过程中导热系数随石墨化度、 孔隙、 界面的演变规律, 建立其导热性能的预知和评价体系;
e) 探讨纤维及其周围基体沿纤维轴向及径向热传导的微观机理, 建立模型;
f) 以物理冶金、 物理化学为基础, 研究外加温度场、 应力场、 添加元素对C/C材料导热性能的作用机理;
g) 研究CVI、 浸渍等技术对C/C复合材料基体改性, 提高材料的抗氧化、 耐烧蚀等性能;
h) 采用固渗、 喷涂或CVD技术, 制备防氧化、 耐烧蚀复合梯度涂层;
i) 采用高压电弧加热器, 模拟喷管喉衬工作条件, 揭示C/C材料烧蚀机理;
j) 以高温风洞模拟, 佐以发动机台架试验验证和修正, 研究材料的环境损伤行为, 探讨防护机理。

l 创新点与特色
(1)在C/C复合材料碳原子排列机理及其演变机制方面: 建立碳源气体在炭纤维坯体中的流体力学有限元模型; 多元物理场耦合作用于CVI沉积过程, 有效调控碳基官能团的迁移、 裂解、 聚合等行为, 既调控碳原子排列模式, 又显著提高沉积速度; 探明沥青、 树脂的改性及高压炭化碳原子堆积规律; 形成基于Raman与XRD的C/C复合材料结构有序度的精确定量表征体系。
(2)在C/C复合材料结构及界面特性与表征方面: 探明炭纤维处理过程中碳原子排列及炭纤维编织方式对炭结构的影响规律; 调整炭纤维表面炭结构, 诱导基体炭形核、 长大过程, 控制界面和基体组织结构。
(3)在C/C复合材料的环境服役动态过程与防护机理方面: 研究C/C复合材料摩擦表面的分形结构模型; 探讨炭纤维及其周围基体沿纤维轴向及径向热传导的微观机理; 揭示基体改性抑制氧化机理; 引入异类组元调控C/C复合材料的组织结构和界面状态, 优化炭纤维/基体炭、 基体炭/基体炭间的复合效应; 多相、 多功能难熔化合物复合梯度涂层与基体改性相结合, 构筑C/C复合材料苛刻环境服役防护体系。

l 可行性分析
(1) C/C复合材料千变万化的结构特征、 无可比拟的性能潜力为本项目提供了理论和方法的支持;
(2) 具体清晰的技术路线、 完备的实验手段为本项目提供了顺利实施的保障;
(3) 优势单位的前期研究为本项目的顺利完成奠定了良好的基础;
(4) 新型预制体成型及基体增密、 结构控制技术的研究开发, 有助于在高性能C/C复合材料低成本化方面取得重大突破;
(5) 低密度隔热材料、 高导热材料、 抗辐射材料、 生物医用材料、 体育器材等新型功能材料的开发, 有助于在C/C复合材料功能多样化方面取得重大突破;
(6) 新的基体改性与复合梯度涂层体系的形成, 有助于在特殊工况下的环境防护方面取得重大突破。

l 课题设置
(1)C/C复合材料碳原子排列机理及其演变机制设置三个课题:
①快速CVI过程特征及碳原子排列机理;
②液、 固相炭化及高压作用机理;
③C/C复合材料热处理过程组织结构演变机制。
主要研究炭的气、 液、 固相有机先驱体的改性、 高温下碳原子堆积机理, 高温过程对炭结构的演变作用机理, 特别是制备C/C复合材料关键工艺环节, 也是工艺时间和成本最主要的发生环节, 研究快速致密和高压炭化的方法及其机理, 对提高制备C/C复合材料的整体水平、 降低成本和扩大应用范围具有极其重要的意义。
C/C复合材料中基体炭, 特别是热解炭的组织结构直接决定材料的性能和用途, 如何有效控制热解炭的组织结构是当前C/C复合材料研究的重点和难点。当前, 国际上对CVI/CVD工艺中热解炭的沉积过程提出了诸如小分子沉积、 液滴沉积、 粘滞体沉积等宏观层面上的沉积机理, 远未涉及到原子堆积层次的沉积机理研究, 对外加物理场的影响还未作系统研究, 对热解炭组织结构还不能控制自如, 影响了这一材料在更多领域的应用。
(2) C/C复合材料界面效应与设计设置二个课题:
④炭纤维表面结构演变和预制体结构设计;
⑤C/C复合材料界面结构特性及其表征。
主要研究炭纤维改性及其表面碳原子结构对基体热解炭形核-生长的诱导作用, 炭纤维预制体结构设计与编织, 以及C/C复合材料中炭纤维编织结构、 基体炭结构和界面结构及其对性能的影响。炭纤维的作用是承载, 炭基体使复合材料成型并保护炭纤维, 界面的作用是传力, 即将基体承受的载荷转移到纤维上。因此C/C复合材料的强度等性能直接与界面特征息息相关。在化学气相沉积热解炭的过程中, 热解炭依附于炭纤维表面形核-生长, 因此炭纤维表面碳原子结构将对热解炭的生长起诱导作用, 并最终影响炭纤维/基体炭的界面结构特征。从宏观上看, 炭纤维与基体炭的界面特征包括结合强度、 炭纤维与界面的应力分布、 界面反应等等; 从微观尺度上看, 包括界面的晶格匹配、 电子和能量交互作用、 应力场特性、 复合效应等等。这些都是界面设计中所涉及的基本问题, 也是制备高性能C/C复合材料所不能回避的问题。在宏观和微观尺度研究界面特征的基础上, 研究界面特征的控制及其对材料性能的影响规律和作用机理具有十分重要的作用。
(3) C/C复合材料的服役失效与防护机理设置三个课题:
⑥特殊工况下C/C复合材料摩擦磨损机理;
⑦C/C复合材料导热机制及设计;
⑧物理、 化学场作用下C/C复合材料动态失效特征及防护机理。
总结国内30多年的研究历程不难发现, 人们对C/C复合材料的制备工艺研究多, 而对C/C复合材料的环境服役行为和评价方法的研究较少, 致使在提高材料性能和应用的研究上走了很大弯路。因此, 研究C/C复合材料的环境服役行为, 明确环境损伤过程中的宏观性能与微观组织结构的演变关系, 获得失效模式和失效判据, 建立材料环境性能的表征体系、 失效控制和寿命预测模式, 提出材料防护技术及相关的基础理论, 具有十分重要的现实意义。

l 课题分解
课题1: 快速CVI过程特征及碳原子排列机理
研究目标: 探明热解炭沉积机理, 实现快速CVI和热解炭结构的可控、 可调。
主要研究内容:
(1)温度场、 压力场、 电磁场等物理场的多元耦合优化设计及其作用机理;
(2)建立坯体内部传质和传热的动力学模型, 采用计算机模拟, 优化反应气体流场、 压力场和温度场;
(3)探讨物理场作用下热解炭生长机理, 形成热解炭结构控制技术;
(4)无机化学反应法原子态碳沉积及碳原子排列机理。

承担单位: 中南大学
课题负责人: 黄启忠
学术骨干: 黄伯云、 张福勤、 张伟刚
经费比例: 17％

课题2: 液、 固相炭化及高压作用机理
研究目标: 探明炭化过程中炭结构的演变规律及影响因素。
主要研究内容:
(1)炭有机先驱体的改性研究;
(2)先驱体对C/C复合材料结构和性能的影响;
(3)耐烧蚀等异类组元加入对炭化过程的作用机理;
(4)高压炭化对炭微观结构及增密的作用机理;
(5)复合增密对高性能C/C复合材料的影响。
承担单位: 中国航天科技集团公司第四研究院四十三所
课题负责人: 程文
学术骨干: 张红波、 侯卫权、 邹武、 左劲旅、 段建军、 解惠珍、 肖春
经费比例: 10%

课题3: C/C复合材料热处理过程组织结构演变机制
研究目标: 阐明C/C复合材料炭结构高温演变规律及其机理。
主要研究内容:
(1)以物理化学和晶体学原理为基础, 结合石墨化的热力学和动力学, 探讨热处理过程中炭结构演变的机理;
(2)以Raman散射和XRD固体物理学原理为指导, 建立Raman散射强度比( IG/ID) 与石墨化度( g) 之间的定量关系及其计算模型;
(3)探讨异类元素、 应力对炭结构演变的作用及机理。
承担单位: 湖南大学
课题负责人: 陈金华
学术骨干: 汤中华、 聂利华、 刘 扬、 刘洪波、 旷亚非、 何德良
经费比例: 10%

课题4: 炭纤维表面结构演变和预制体结构设计
研究目标: 探明炭纤维表面结构对界面的影响规律, 以及炭纤维编织结构与C/C复合材料性能的对应关系, 实现纤维/基体界面的调控和炭纤维预制体结构的可设计性。
主要研究内容:
(1)热处理和物理、 化学处理过程中炭纤维表面结构的演变机理;
(2)建立炭纤维预制体结构与力学性能、 导热性能等关系的数学模型, 研究计算机仿真模拟的方法, 优化设计炭纤维预制体结构;
(3)复杂、 异型炭纤维预制体编织方法。
承担单位: 中南大学
课题负责人: 肖鹏
学术骨干: 廖寄乔、 陈建勋、 汪琳、 殷京良
经费比例: 13％

课题5: C/C复合材料界面结构特性及其表征
研究目标: 探明炭纤维表面炭结构对基体热解炭形核、 生长的影响规律, 以及各种界面的形成机理, 实现界面设计与调控。
主要研究内容:
(1)炭纤维表面结构对热解碳原子的诱导及与排列模式的关系;
(2)炭纤维/基体、 基体/基体以及难熔粒子/基体等界面结构特性及应力场特征;
(3)炭纤维与基体炭之间的晶格匹配及其能势;
(4)界面特性对C/C复合材料物理、 化学和力学性能的影响规律及其机理。
承担单位: 中国科学院金属研究所
课题负责人: 贺连龙
学术骨干: 陈腾飞、 金志雄、 李志杰、 沈智奇、 谢天生
经费比例: 10%

课题6: 特殊工况下C/C复合材料摩擦磨损机理
研究目标: 研究特殊工况条件下摩擦学行为, 建立C/C复合材料摩擦磨损物理模型。
主要研究内容:
(1)特殊工况下C/C复合材料的摩擦磨损行为;
(2)摩擦表面分形理论分析, 建立分形结构模型和摩擦磨损物理模型;
(3)分析摩擦前后表面/次表面/基体部位应力、 组织结构和磨屑的变化规律;
(4)研究炭纤维类型、 排列取向、 体积分数、 编织方式、 基体类型和结构以及高温热处理对不同制动耐磨和密封减磨等条件下摩擦磨损特性的影响规律。
承担单位: 中南大学
课题负责人: 易茂中
学术骨干: 冉丽萍、 徐惠娟
经费比例: 12%

课题7: C/C复合材料导热机制及设计
研究目标: 实现C/C复合材料导热性能的预测, 建立导热微观机理模型。
主要研究内容:
(1)研究C/C材料在室温及温升过程中导热系数随石墨化度、 孔隙、 界面的演变规律, 建立其导热性能的预知和评价体系;
(2)探讨单根纤维及其周围基体沿纤维轴向及径向热传导的微观机理, 建立模型;
(3)研究在外加温度场和应力场共同作用下添加元素的作用机理, 探讨控制C/C材料导热、 隔热的有效途径。
承担单位: 中国航天科技集团公司第一研究院703所
课题负责人: 胡子君
学术骨干: 熊翔、 杨村林、 王金明、 何凤梅、 姜朝阳、 张宏波
经费比例: 10%

课题8: 物理、 化学场作用下C/C复合材料动态失效特征及防护机理
研究目标: 揭示C/C复合材料基体与涂层的损伤机制及其防护机理, 构筑苛刻环境服役防护体系。
主要研究内容:
(1)C/C材料在物理场(热场、 力场、 流场等)、 化学场作用后结构、 性能变化规律, 及其环境服役过程的动态失效特征;
(2)Hf、 Ta、 Si等难熔金属碳化物和氧化物基体改性的研究;
(3)C/C复合材料表面功能复合梯度涂层的研究;
(4)研究涂层/基体系统的损伤失效机理, 形成C/C材料防护技术的理论体系。
承担单位: 西北工业大学
课题负责人: 成来飞
学术骨干: 李克智, 曾庆丰, 李江鸿
经费比例: 18%

四、 年度计划

研究内容
预期目标
第

一

年
研究CVI过程中坯体内部温度场、 压力场、 电磁场等物理场的多元耦合作用;
炭有机先驱体的改性;
热处理过程中炭纤维内部及表面结构的变化规律;
炭纤维表面物理改性研究;
炭纤维表面结构对热解炭形核的诱导作用;
特殊工况下C/C摩擦材料复合涂层/基体系统的氧化特性;
C/C材料导热系数随石墨化度的变化规律;
物理场(热场、 力场、 流场等)作用下C/C材料环境服役过程的动态失效特征。
建立坯体内部传质和传热的动力学模型; 优化反应气体流场、 压力场和温度场; 探明物理方法改性炭纤维表面结构机理; 揭示炭纤维表面结构对热解炭的诱导机制; 探明复合涂层/基体系统抗氧化防护机理。
在核心刊物发表学术论文20～30篇, 其中SCI、 EI杂志源刊物发表论文15～20篇。
第

二

年
多元耦合物理场对热解炭沉积速度的提升效果;
先驱体改性对C/C复合材料结构和性能的影响;
热处理过程中热解炭结构的变化规律;
炭纤维表面化学改性研究;
炭纤维/基体、 基体/基体界面结构特性及应力场特征;
研究炭纤维坯体结构、 基体结构对材料制动耐磨和密封减磨条件下摩擦磨损特性的影响;
孔隙对C/C材料导热系数的影响及其规律;
化学场作用下C/C材料环境服役过程的动态失效特征。
揭示热解炭形核、 快速长大机理, 初步实现快速CVI; 探明C/C复合材料界面结构特征; 揭示材料组织结构与摩擦磨损特性之间的内在联系; 建立C/C材料氧化烧蚀过程动态失效表征体系。
申请专利1～2项, 在核心刊物发表学术论文30～40篇, 其中SCI、 EI杂志源刊物发表论文20～30篇。
第

三

年
多元耦合物理场对热解炭结构的影响及其规律;
高压炭化对炭微观结构及增密的作用;
热处理过程中树脂炭或沥青炭结构变化规律;
研究炭纤维预制体孔结构对CVI沉积热解炭结构的影响;
采用计算机仿真模拟的方法, 优化设计炭纤维预制体结构;
炭纤维与基体炭之间的晶格匹配及其能势;
研究特殊工况下C/C材料的摩擦磨损行为;
研究C/C材料在室温及温升过程中导热系数随界面的演变规律;
研究Hf、 Ta、 Si等难熔金属碳化物和氧化物基体改性。
揭示物理场和热解炭结构的关系; 初步实现热解炭结构的可控、 可调; 揭示特殊工况下C/C材料的摩擦学机理;初步掌握复合梯度涂层和多元基体改性C/C材料的氧化和烧蚀损伤机理。
申请专利2～3项, 在核心刊物发表学术论文60～80篇, 其中SCI、 EI杂志源刊物发表论文30～40篇。
第

四

年
研究CVI过程异类元素的添加方式, 以及添加对C/C复合材料增密、 微观结构和性能的影响规律;
炭化过程中耐烧蚀等异类组元的加入对基体炭结构的影响;
热处理过程中C/C复合材料炭结构及孔结构的变化规律; 炭材料微区及整体石墨化度的表征方法;
研究预制体特征对力学性能影响;
界面特性对C/C复合材料物理、 化学和力学性能的影响规律;
摩擦表面分形理论分析;
探讨单根纤维及其周围基体沿纤维轴向及径向热传导的微观机理;
C/C材料表面功能复合梯度涂层的研究。
探明异类元素改进炭结构机理; 创立短周期、 低成本、 高性能C/C复合材料制备技术原型; 建立基于Raman和粉末XRD的石墨化度的精确定量表征体系; 建立热传导的微观模型;
申请专利3～4项, 在核心刊物发表学术论文60～80篇, 其中SCI、 EI杂志源刊物发表论文30～40篇。
第

五

年
研究无机化学反应沉积热解炭的微观结构及其形成机理;
研究复合增密对C/C复合材料结构与性能的影响;
热处理过程异类元素或应力对炭结构演变的作用;
C/C复合材料导热系数在温升过程中的变化规律;
复杂、 异型炭纤维预制体编织方法;
C/C 复合材料界面结构表征;
地面动态模拟试验条件下材料摩擦磨损特性;
多元基体改性和复合梯度涂层耦合原理。
揭示C/C复合材料炭结构形成及演变机理; 实现界面设计; 建立C/C材料失效防护的理论体系; C/C材料制备周期缩短40%、 成本降低30%; 高导热C/C材料导热系数提高25%; 热防护材料寿命达到15s(3150℃), 热结构材料寿命达到30hrs(1700℃)。
申请专利4～5项, 在核心刊物发表学术论文60～80篇, 其中SCI、 EI杂志源刊物发表论文30～40篇。