SiC纳米线/CVD石墨烯/热解炭复合材料制备、界面结构与力学性能研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51502242
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0203.碳素材料与超硬材料
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

The low strength and great brittleness of pyrocarbon (PyC) greatly limit the development of high-tech defence equipments of our country. Although adding nanofibers into PyC can improve the mechanical performance of PyC, the reinforcing efficiency of nanofibers always declines after the graphitization of PyC due to the poor interfacial interaction between nanofiber and PyC. In order to resolve this problem, our project proposes the idea about applying hybridized multidimensional nano-reinforcements fabricated by growing nano-sized graphene on SiC nanowire (SiCnanowire) by chemical vapor deposition (CVD) to stiffen and toughen PyC. Toward this end, this project will systematically investigate the effects of CVD graphene with different morphologies and microstructures on the preparation and graphitization process of SiCnanowire reinforced PyC (SiCnanowire/PyC) composites. Based on the results, the general law of action between graphene and depositing behaviors of PyC, mircostructures of SiCnanowire/PyC composite, micro- and macro-mechanical properties of SiCnanowire/PyC composites will be explored and the related mechanism will be established. After that, the findings will be used as the guidance for the optimization of the morphology and microstructure parameters of CVD graphene, aiming to the great improvements of SiCnanowire/PyC composites in mechanical performance. The present work would pave a meaningful way to the development of PyC with high strength and excellent toughness, and also enrich the reinforcement theory of graphene-based composites.
热解炭(PyC)强度低、脆性大的力学特性限制了某些国防高科技装备的发展,开发纳米纤维改性PyC是解决上述问题的有效途径。然而,纳米纤维对PyC的强韧作用随石墨化处理而显著衰减。针对这一问题,本项目借助化学气相沉积(CVD)在SiC纳米线(SiCnanowire)表面生长了纳米尺寸石墨烯,提出通过“多维杂化”途径改善纳米线对PyC的强韧效果。在对纳米石墨烯生长形貌控制和结构调整的基础上,系统研究石墨烯对SiCnanowire/PyC复合材料制备过程和石墨化过程的影响,探究石墨烯对复合材料组织结构、内界面和微观、宏观力学性能的诱导作用,建立复合材料组织和力学特性之间的映射关系,揭示纳米石墨烯界面的强韧作用。最终,通过对石墨烯形貌和结构的优化,实现其对SiCnanowire/PyC复合材料力学性能的大幅改善,为高强韧纳米改性PyC的设计开发奠定一定基础。

结项摘要

高强韧热解碳在航天航空高技术装备研发中具有重要价值。纳米线强韧化是提高热解碳力学性能的一个有效途径。针对纳米线/热解碳界面结合不足问题,本项目主要研究在纳米线表面可控生长石墨烯提高纳米线/热解碳复合材料的力学性能。结果发现:随着生长时间的延长,SiC纳米线表面生长的石墨烯由二维形貌转变为三维自支撑形貌,且石墨烯纳米片的层厚由1-3层提高至30层以上。自支撑石墨烯以等离子体和氧化性气氛刻蚀石墨烯水平生长层产生的纳米凹坑为起始点外延生长。高温下等离子体和水氧化消耗甲烷热解产生的低晶碳产物、提高气氛中芳香族大分子中间基团,促进石墨烯的形核与生长;同时,等离子体和水刻蚀早期生长的水平石墨烯层,导致面内结构中断并产生暴露的原子边界,为自支撑石墨烯纳米片的外延形核与生长提高活性位点。提高前驱体分压或降低水分压均会导致PECVD系统中氧化性气氛的比例失调,影响其氧化刻蚀能力,进而影响自支撑三维石墨烯纳米片的生长。在SiC表面生长石墨烯后,热解碳的初期致密化速率显著提高,但在沉积16h后这种影响消失。热处理前后石墨烯与SiC纳米线、石墨烯与热解碳界面结合状态未见显著变化,说明其间形成了强界面结构。基于石墨烯纳米片的π电子分布研究结果表明,开放原子边界结构的存在导致石墨烯内部π电子分布发生变化,电子出现一定的局域化,并在石墨烯面内产生一定的负电集中,诱导热解碳沉积单元在石墨烯面内的组装与强结合;同时,边界可以促进热解碳的外延生长,也有利于强界面的形成。石墨烯在纳米线表面的生长后,有效细化了热解碳基体,减轻了石墨化处理导致复合材料力学退化的程度,使得复合材料内应力由拉应力转变为压应力,并改善了应力分布均匀性。适量的石墨烯可以显著提高SiC纳米线-热解碳复合材料的力学性能,过量石墨烯会导致纳米多孔界面形成,降低复合材料力学强度,但可显著改善复合材料的断裂假塑性。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Joining carbon/carbon composites with radially-aligned carbon nanotube-reinforced pyrocarbon bonding interlayer
用径向排列的碳纳米管增强热解碳键合夹层连接碳/碳复合材料
  • DOI:
    10.1016/j.matlet.2016.10.067
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Materials Letters
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    Feng Lei;Li Ke-zhi;Xue Bei;Song Qiang;Song Xin-rui;Fu Qian-gang
  • 通讯作者:
    Fu Qian-gang
Direct Growth of Edge-Rich Graphene with Tunable Dielectric Properties in Porous Si3N4 Ceramic for Broadband High-Performance Microwave Absorption
在多孔 Si3N4 陶瓷中直接生长具有可调介电性能的富边缘石墨烯,用于宽带高性能微波吸收
  • DOI:
    10.1002/adfm.201707205
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Advanced Functional Materials
  • 影响因子:
    19
  • 作者:
    Ye Fang;Song;Qiang;Zhang Zhenchuang;Li Wei;Zhang Shouyang;Yin Xiaowei;Zhou Yuzhao;Tao Huiwen;Liu Yongsheng;Cheng Laifei;Zhang Litong;Li Hejun
  • 通讯作者:
    Li Hejun
Effects of carbon nanotubes by electrophoretic deposition on interlaminar properties of two dimensional carbon/carbon composites
电泳沉积碳纳米管对二维碳/碳复合材料层间性能的影响
  • DOI:
    10.1007/s11595-017-1701-z
  • 发表时间:
    2017-10
  • 期刊:
    Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Li Yunyu;Guo Lingjun;Li Hejun;Ma Haili;Song Qiang
  • 通讯作者:
    Song Qiang
Improving mechanical strength and thermal shock resistance of SiC/zinc aluminum silicate joint by electrophoretic deposited multi-walled carbon nanotubes
电泳沉积多壁碳纳米管提高SiC/硅酸锌铝接头的机械强度和抗热震性能
  • DOI:
    10.1016/j.matdes.2016.01.061
  • 发表时间:
    2016-03
  • 期刊:
    Materials and Design
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Lei Feng;Kezhi Li;Caifeng Zheng;Yewei Fu;Zhigang Zhao;Qiang Song
  • 通讯作者:
    Qiang Song
Optimizing matrix and fiber/matrix interface to achieve combination of strength, ductility and toughness in carbon nanotube-reinforced carbon/carbon composites
优化基体和纤维/基体界面,实现碳纳米管增强碳/碳复合材料的强度、延展性和韧性的结合
  • DOI:
    10.1016/j.matdes.2016.10.006
  • 发表时间:
    2017-01-05
  • 期刊:
    MATERIALS & DESIGN
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Feng, Lei;Li, Kezhi;Zhang, Leilei
  • 通讯作者:
    Zhang, Leilei

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其他文献

应用于链式PCS系统的双主动全桥移相控制研究
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  • 通讯作者:
    SUN Wei-xin,SONG Qiang,JIN Yi-ding(State Key Labor
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    --
  • 发表时间:
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  • 作者:
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模块化多电平换流器电容电压的分布式均衡控制方法
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    李建国;杨文博;宋强;黄永章;刘文华
  • 通讯作者:
    刘文华

其他文献

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宋强的其他基金

基于富边缘石墨烯纳米叠层结构构筑低温度依赖吸波陶瓷复合材料研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
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    面上项目
基于高O/C原子比碳源热解制备高强韧石墨烯/热解碳原位复合材料研究
  • 批准号:
    51872234
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相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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