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1、第六章 碳/碳復合材料,碳/碳（C/C)復合材料是以碳纖維及其織物為增強材料, 以碳為基體, 通過加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復合材料。,C/C 復合材料具有密度低、高比強度比模量、高熱傳導性、低熱膨脹系數(shù)、斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕等特點；具有優(yōu)異的高溫性能，其強度隨著溫度的升高，不僅不會降低反而還可能升高，它是所有已知材料中耐高溫性最好的材料, 適于各種高溫用途使用。具有出色的機械特性, 既可作為結(jié)構(gòu)材料承載重荷, 又可作為功能材料發(fā)揮作用；C/C 復合材料的主要研究重點：致密化工藝（CVD法和液相浸漬碳化法及二者復合致密化）和抗氧化技術(shù)（內(nèi)部抗氧化，抗氧化涂層）。,6-1 C/C復合材料

2、簡述,6-2 C/C復合材料制備工藝,一、碳纖維預制體的制備,1、碳纖維的選擇,經(jīng)濟價值和成本預制體形態(tài)材料的性能材料的穩(wěn)定性,2. 碳纖維編織結(jié)構(gòu)的設(shè)計,C/C復合材料制備的基本思路是先將碳增強材料預先制成預成型體，然后再以基體碳填充逐漸形成致密的C/C復合材料。C/C復合材料預成型體可分為單向、二維、三維或多維方式。單向和二維大多是將碳纖維、碳纖維平面編織物或碳氈等預先浸漬上高碳化率的瀝青或樹脂，形成預浸片，然后按設(shè)計要求鋪層，再二次固化獲得預成型體。經(jīng)過多次浸漬和碳化工藝，把低密度復合材料形成更為致密化的C/C復合材料。,三維編織預成型體,三向編織坯體,三向增強氈坯體,多維編織預成型體,

3、(1)、瀝青基 瀝青中含大量苯環(huán)，含碳高，碳化收率高。 瀝青液化 浸漬 碳化 石墨化(2)、樹脂基 結(jié)構(gòu)特點：分子鏈含大量苯環(huán)和雜環(huán)結(jié)構(gòu)，固 化后呈交聯(lián)網(wǎng)狀耐高溫樹脂。 優(yōu)點：（與瀝青比） 低粘度 （低溫、低壓、工藝性好） 純度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 含碳量高，碳化收率大。,二、基體碳的制備,(3)、CVD熱解碳 高溫熱分解小分子碳氫化合物甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天然氣等碳氫化合物，在纖維坯體上沉積活性碳，然后石墨化。最大問題： 表面積碳，內(nèi)外不均。,三、預制體與基體碳的復合,反應氣體通過層流向沉積襯底的邊界層擴散；沉積襯底表面吸附反應氣體，發(fā)生反應并形成固態(tài)產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物；所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物解吸附，并

4、沿一邊界層區(qū)域擴散；產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物排出。,1. CVD碳化工藝,CVD工藝原理：,在CVD過程中為防止預制體中孔隙入口處因沉積速度太快而造成孔的封閉，應控制反應氣體和產(chǎn)物氣體的擴散速率大于沉積速率。在CVD過程中往往要同時導入載流氣體，如氫、氬或氮等，起稀釋反應氣體的作用，目的是改善反應氣體的擴散條件。,圖 擴散與沉積速度對空隙封閉影響,CVD工藝中工藝參數(shù)：溫度、壓力、反應氣體流量以及載氣的流量、分壓都會影響到CVD過程的擴散沉積的平衡，從而影響C/C復合材料的致密度和性能。,2. 液態(tài)浸漬碳化工藝,液態(tài)浸漬碳化工藝可以獲得C/C復合材料基體碳中的樹脂碳和瀝青碳。為了達到C/C復合材料的性能

5、要求，一般需要經(jīng)過多次浸漬碳化過程才能將復合材料致密化，最終復合材料的密度可達1.6-1.9 g/cm3。通常是在最初的浸漬-碳化循環(huán)時采用酚醛樹脂浸漬（粘度低），在后階段則采用呋喃樹脂瀝青混合浸漬劑。,酚醛樹脂是一種碳/碳復合材料基體理想的浸漬劑。酚醛樹脂 制備溶液 （真空）浸漬預制體預固化碳化（樹脂體積收縮）再浸漬 固化 碳化 致密化,圖 樹脂浸漬、固化、碳化體積收縮示意圖,樹脂的浸漬 碳化工藝,熱解碳與樹脂碳比較：,熱解碳工藝簡單纖維不受損傷致密均勻、強度較高2500石墨化后，抗熱振性提高明顯，可有效防止燒蝕過程中的開裂剝落。,四、碳碳復合材料抗氧化措施,C/C復合材料在高于 370時就

6、會開始發(fā)生氧化，而大量應用的C/C復合材料的結(jié)構(gòu)工程構(gòu)件又都是在氧化氣氛環(huán)境下工作，因此在高溫時是否具有可靠的抗氧化性能對C/C復合材料來說是至關(guān)重要的。提高抗氧化性的措施主要有兩種：一是在C/C復合材料表面進行耐高溫材料的涂層，起到阻隔氧侵入的作用；二是在制備C/C復合材料過程中，在基體中預先包含有氧化抑制劑。,抗氧化措施-表面涂層,在表面涂覆耐高溫抗氧化材料的涂層，阻止氧與C/C復合材料接觸，是一種十分有效的提高復合材料抗氧化能力的方法。一般只有熔點高、耐氧化的陶瓷材料才能作為C/C復合材料的防氧化涂層材料SiC。,抗氧化措施-抑制劑,抑制劑：在C/C復合材料內(nèi)部添加抑制劑可以在碳氧化時抑

7、制氧化反應或可先與氧反應形成氧化物，起到吸氧劑作用。抑制劑主要是在較低溫度范圍內(nèi)降低碳的氧化。抑制劑是在C/C復合材料的碳或石墨基體中添加，容易通過氧化而形成玻璃態(tài)的物質(zhì)。如硼及硼化物，硼氧化后形成的硼化物具有較低的熔點和粘度，因而在碳和石墨氧化的溫度下，可以很容易地在多孔體系的C/C復合材料中流動，并填充到復合材料內(nèi)連的孔隙中起到內(nèi)部涂層作用，既可阻斷氧繼續(xù)侵入的通道，又可減少容易發(fā)生氧化反應的敏感部位的表面積。,1力學性能：密度小，高的抗拉強度和高彈性模量，高溫下性能穩(wěn)定。主要取決于碳纖維的種類、取向、含量和制備工藝等。單向增強的C/C復合材料, 沿碳纖維長度方向的力學性能比垂直方向高出幾

8、十倍。,碳素材料性能比較,碳素材料強度與溫度的關(guān)系,6-3 C/C復合材料性能,2熱學性能 熱膨脹系數(shù)小，導熱性好，耐熱沖擊性極好。3燒蝕性能 表面燒蝕溫度高，通過輻射和升華帶走大量熱；燒蝕率低，且均勻。,不同材料的有效燒蝕熱,4、生物相容性好 可用于人體骨骼，心臟瓣膜等。5、隔熱性差 控制材料的密度梯度，或與其它材料復合成梯度材料。6、抗氧化性不好 加入抗氧化性物質(zhì)，或用SiC涂層。,導彈及航天器。飛機的二次結(jié)構(gòu)件, 如垂尾、剎車片、方向舵等部件，導彈的鼻錐體、噴管、固體火箭的發(fā)動機等；,6-4 C/C復合材料應用,一半以上的C/C 復合材料用作飛機剎車裝置。高性能剎車材料要求高比熱容、高熔

9、點以及高溫下的強度；C/C復合材料制作的飛機剎車盤重量輕、耐溫高、比熱容比鋼高2.5 倍; 同金屬剎車相比, 可節(jié)省40%的結(jié)構(gòu)重量。碳剎車盤的使用壽命是金屬基的5-7 倍, 剎車力矩平穩(wěn), 剎車時噪聲小；碳剎車盤的問世被認為是剎車材料發(fā)展史上的一次重大的技術(shù)進步。,剎車領(lǐng)域的應用。,法國歐洲動力公司大量生產(chǎn)C/C剎車片，用作飛機（如幻影式戰(zhàn)斗機）、汽車（如賽車）和高速火車的剎車材料。波音747上使用C/C剎車裝置，大約使機身質(zhì)量減輕了816.5kg。日本C/C用作飛機剎車材料已有10年的歷史。日本協(xié)和式超音速客機共8個輪，剎車片約用300kgC/C復合材料，可使飛機減輕450kg。用作F-1

10、賽車剎車片，可使其減輕11kg。,C/C復合材料的高溫力學性能好, 工作溫度達1500-1700；航空發(fā)動機的理想材料,像渦輪發(fā)動機，內(nèi)燃發(fā)動機，發(fā)熱元件等；與石墨發(fā)熱體強度低脆, 加工運輸困難相比, C/C 復合材料強度高, 韌性好, 耐高溫, 可減少發(fā)熱體體積, 擴大工作區(qū)。,高溫結(jié)構(gòu)材料,工業(yè)生產(chǎn)：美國用作玻璃工業(yè)中的熱端、高溫模具、高溫真空爐內(nèi)襯材料；核反應堆零件、電觸頭、熱密封墊和軸承。,醫(yī)療：C/C與人體組織生理上相容，彈性模量和密度可以設(shè)計得與人骨相近，并且強度高，可做人工骨。,讀書報告選題,功能復合材料的研究及應用（壓電復合材料、導電復合材料、磁性復合材料、摩擦功能復合材料、阻尼功能復合材料、光功能復合材料、機敏復合材料）；、和的常用表面處理方法；常用的玻璃鋼包括哪三個品種？它們各自最突出的特點、市場占有率、主要用途如何？金屬基復合材料制備的關(guān)鍵技術(shù)及難點； 陶瓷基復合材料的增韌機理水泥基復合材料的增強思路；C/C復合材料的抗氧化技術(shù)復合材料的無損檢測技術(shù)分析奇妙的自然材料及其對仿生材料研究的啟發(fā),