炭石墨材料由于其具有一系列优异性能，因而广泛地应用于现代社会的许多领域。但是近年来航空和航天、先进工业等领域的不断发展对作为结构功能材料的炭石墨材料提出了更高的要求，如更高的机械强度和更低的各向异性度。常规炭石墨材料已很难满足在这些极端使用环境下的使用要求，必须改进炭石墨材料的生产工艺以制备出细粒级高密度高强度各向同性炭石墨材料。　　 本论文以中间相炭微球和萘基中间相沥青为原料，采用自烧结方法制取高性能炭石墨材料，并在此基础上通过添加Si元素或多壁炭纳米管分别制备碳化硅掺杂和多壁炭纳米管(MWCNTs)增强中间相沥青基高性能复合材料。较为系统地研究了原料性能和制备工艺对目标制品结构和性能的影响。探讨了中间相沥青基自烧结炭石墨材料的炭化机理。论文工作获得了一些有价值的结果，主要内容和结论如下：　　 1.分别以中间相炭微球和萘基中间相沥青为原料，经过一定的预处理后，采用自烧结方法制备了炭石墨材料。结果发现，原料粒度和预处理条件、成型压力、热处理温度、增密补强措施等制备工艺条件对MCMBs以及OMP基自烧结炭石墨材料的物理性能有着较为重要的影响。　　 (1)通过对萘基中间相沥青在空气中进行氧化处理，可以在其表面生成羟基、羰基和醚基等含氧官能团，对其起到稳定化的作用，从而适合作为自烧结原料使用。原料的氧化条件对最终制品的性能有着重大的影响，当原料的氧化不足或过度氧化都会使最终样品中存在大量的孔洞和裂纹，并降低其力学性能。而以合适氧化条件处理所得的氧化沥青为自烧结原料则可制备出较MCMBs结构致密的高性能炭石墨材料。　　 (2)以MCMBs和OMP为原料采用自烧结方法可以均可制备出高性能炭石墨材料。较高的模压压力会有效减少材料当中的微裂纹和孔洞，使得原料颗粒之间的结合更加紧密，从而可以制备出具有更高的体积密度、史低的孔率和更高的力学性能的自烧结炭石墨材料。其中，采用325MPa的压力模压成型并经1500℃炭化后，MCM的体积密度达到1.846g.cm-3；开孔率降低至5.72％，抗弯强度达到115MPa。而当采用200℃氧化后的原料经300MPa压力模压成型后并经1200℃炭化处理后，MPCM的体积密度达到1.86g.cm-3；开孔率降低至3.03％，抗弯强度达到112MPa。虽然对制品进行石墨化处理后，材料的力学强度会由于石墨微晶粗晶化而有所降低，但即使热处理温度达到2200℃时，仍具有很高的弯曲强度和压缩强度。MCM和MPCM的孔径分布在很窄的氛围内(50～400nm)，证明此类材料具有均质的致密结构。而且孔径分布的范围会随着模压压力的提高而变窄，平均孔径会迅速下降，当经过150MPa模压成型后在1500℃和2200℃炭化后，MCM和MPCM的平均孔径仅为102.4nm和92nm。采用较小粒度的MCMBs原料能制备出具有更高力学性能的自烧结炭石墨材料。　　 (3)在热处理过程中，OMP成型体较MCMBs具有更大的热失重，但两者均在低温热处理阶段失去了大部分重量，炭化温度在900℃时失重已超过90％。两者在热处理期间均有很大的几何收缩率，且这种变化贯穿于炭化、石墨化全过程。相对而言，前者较后者具有更大的收缩率，热处理终温至2200℃时，MCPM的径向、轴向线收缩率达到17％左右，而体积收缩率高达45％以上，而MCM的径向、轴向线收缩率约为14％左右，而体积收缩率为37％。在炭化热处理过程中，模压成型的坯体在不同的温度段轴向与径向收缩率存在着较大的差异，特别在低温段。在800℃之前，径向收缩率大于轴向收缩率；继续提高热处理温度，轴向收缩率则超过了径向收缩率。　　 (4)相比较而言，OMP较MCMBs具有更良好的可石墨化性能，当热处理温度达到2200℃时，MPCM达到比MCM(41.86％)更高的石墨化度(75.58％)，然而其微晶尺寸(La=64.63 nm and Lc=28.95 nm)却较后者(La=98 nm and Lc=42 nm)小。　　 (5)通过对MCM进行沥青和树脂的浸渍/炭化增密处理，提高了材料的致密化程度，并提高了其力学强度，而且也极大地提高材料的摩擦密封性能。　　 2.采用MCMBs以及MP为炭基前驱体，添加硅和PCS作为SiC前驱体，利用白烧结方法制备碳化硅掺杂中间相沥青基自烧结复合材料。并研究了硅和PCS加入量对材料的宏观性能(抗弯强度、热导率、电阻率)和微观结构的影响。结果表明：　　 (1)随着Si掺入量的增加，SMC和SMPC的体积密度和体积收缩率下降，开孔率提高；而随着PCS掺入量的增加，SMC和SMPC的体积密度和体积收缩率提高，开孔率则大大降低。说明原料中添加Si会阻碍中间相沥青基自烧结材料的收缩；而PCS的加入则会促进中间相沥青基自烧结材料的收缩。　　 (2)在原料中添加Si以及聚碳硅烷可有效提高中间相沥青基自烧结材料的抗弯强度。经过1500℃热处理，Si掺入量为5wt.％时，SMC和SMPC的弯曲强度达到最大值66.2MPa和73.5MPa；而PCS掺入量达到34.21％时，SMC和SMPC的弯曲强度达到最大值74.8MPa和94.7MPa。研究表明，以PCS降解的方式对中间相沥青基自烧结材料进行掺杂会得到力学性能更为优异的SiC掺杂复合材料。而且陶瓷组元为纳米级的且在基体内分散更为均匀。　　 (3)向基体中添加Si和PCS均可提高中间相沥青基炭石墨材料的石墨化程度，增加材料内部的平均微晶尺寸，当热处理温度提高到2200℃时，Si和PCS前驱体SMC石墨化度分别达到51％、45％。　　 (4)PCS降解产生的纳米SiC晶体会在低于SiC熔点时就会逸出，从而降低中间相沥青基自烧结材料的物理性能。　　 3.以多壁碳管(MWCNTs)为增强体，MCMBs和中间相沥青为基体，采用一步自烧结法制备MWCNT/C复合材料(CMC)。主要考察碳管的加入对自烧结材料力学性能以及微观结构的影响。结果表明：　　 (1)添加MWCNTs由于可大大增加材料内部晶界的数量，可有效提高中间相沥青基自烧结炭石墨材料的抗弯强度。当MWCNTs的加入量为5wt.％时，在2600℃石墨化处理的CMC和CMPC的弯曲强度最大值分别达到63.6MPa和78.6MPa。　　 (2)向炭基体中添加MWCNT可有效提高材料的导热和导电性能。随MWCNTs含量增大，MWCNT增强中间相沥青基自烧结复合材料的热/电导率逐渐增大，当MWCNT掺人量为10 wt.％时，经过2600℃石墨化处理的CMC和CMPC的热导率分别达到65.8和194.2W/(m.K)的最大值，电导率分别达到596 Scm-1和1923Scm-1；此后，继续增大MWCNTs含量，由于造成了石墨晶格缺陷的增大，热/电导率因而降低。　　 (3)掺入MWCNTs对炭材料产生催化石墨化作用，可以提高中间相沥青基自烧结炭石墨材料的石墨化度，增大材料内部的平均微晶尺寸，当热处理温度达到2800℃时，CMC和CMPC均达到了较高的石墨化度(79.07％和91.86％)并具有较大大的微晶尺寸(La=20.75 nm，Lc=527.78 nm和La=49.8 nm，Lc=852.3nm)。而从材料的断面形貌可发现MWCNT可在材料中可均匀分布。从微晶尺寸看，该类材料的优点是具有较高的轴向导热、导电性能。　　 4.通过FT-IR、TG、DSC、MS、XRD等测试方法对MCMB和OMP成型体在烧结过程中的物理化学变化进行了分析，并采用DIL对样品的长度在烧结过程中的变化进行了在线检测，并对升温速度和样品初始密度对样品烧结过程的影响进行了对比研究，由上述研究初步得出中间相沥青基自烧结炭石墨材料的烧结机理。而且进行了Si、PCS以及MWCNTs对添加对中间相沥青基自烧结原料成形体在烧结过程中几何尺寸变化的影响的研究。　　 中间相沥青基自烧结原料成型体的烧结过程可以分为六个阶段：热膨胀阶段、液相烧结阶段、粒子融并阶段、半焦化阶段、焦化阶段、炭化阶段等。在热膨胀阶段样品的变化仅仅因为热物理的作用而发生的；毛细管力促使样品中在高温下液化的B组分迅速渗透到样品的缝隙中是中间相沥青基自烧结原料成型体在液相烧结阶段收缩的主要原因；中间相沥青基自烧结原料中分子的缩聚和融并作用促使样品在分子融并阶段收缩；而在半焦化阶段由于原料中逸出的大量的分解气体抑制了样品的收缩：焦化阶段中原料中的芳香分子的交联合并以及由于环化作用和芳香化作用导致的芳香分子的片层结构的形成和进一步发育而造成了样品的收缩；在炭化阶段，石墨层面的形成以及石墨层面间距的降低，石墨层面微晶结构的增大是样品在炭化阶段收缩的主要原因。　　 SiC掺杂以及MWCNTs的添加对中I、日J相沥青基自烧结材料在烧结过程中的收缩行为有着较为明显的影响。其中，Si和MWCNTs的添加增加了材料在液相烧结阶段的收缩率，而降低了焦化烧结阶段的收缩，在1300℃由于Si的软化膨胀而致使材料发生异常膨胀：材料液相烧结阶段会由于PCS的添加而提前，且增大了其存焦化阶段的收缩。