碳-碳復合材料

先進材料的制備及加工技術江蘇大學材料科學與工程學院1第五講納米復合材料5.1概述5.2聚合物基納米復合材料5.3陶瓷基納米復合材料5.4金屬基納米復合材料5.5納米復合材料的應用2第六講碳/碳復合材料6.1概述6.2制造工藝6.3性能特點6.4應用36.1概述碳/碳(C/C)復合材料是碳纖維增強碳基體的復合材料，具有高強高模、比重輕、熱膨脹系數小、抗腐蝕、抗熱沖擊、耐摩擦性能好、化學穩定性好等一系列優異性能，是一種新型的超高溫復合材料。C/C復合材料作為優異的熱結構-功能一體化工程材料，自1958年誕生以來，在軍工方面得到了長足的發展，其中最重要的用途是用于制造導彈的彈頭部件。由于其耐高溫、摩擦性好，目前已廣泛用于固體火箭發動機噴管、航天飛機結構部件、飛機及賽車的剎車裝置、熱元件和機械緊固件、熱交換器、航空發動機的熱端部件、高功率電子裝置的散熱裝置和撐桿等方面。C/C復合材料種類多、性能各異，為此人們針對特定的用途來設計合適的C/C復合材料。4碳纖維的分類

當前，國內外巳商品化的碳纖維種類很多，一般可以根據原絲的類型、碳纖維的性能和碳纖維的用途等三種方法進行分類。5(1)聚丙烯腈基纖維；(2)粘膠基碳纖維；(3)瀝青基碳纖維；(4)木質素纖維基碳纖維；(5)其他有機纖維基(各種天然纖維、再生纖維、縮合多環芳香族合成纖維)碳纖維。根據原絲類型分類6(1)高性能碳纖維在高性能碳纖維中，有高強度碳纖維、高模量碳纖維、中模量碳纖維等。(2)低性能碳纖維這類碳纖維中，有耐火纖維、碳質纖維、石墨纖維等。根據碳纖維的性能分類7受力結構用碳纖維，耐焰碳纖維，活性碳纖維(吸附活性)，導電用碳纖維，潤滑用碳纖維，耐磨用碳纖維。根據碳纖維用途分類8碳纖維制備過程概述9提高碳纖維性能的方法10碳纖維致密化的主要措施111213146.2制造工藝二向增強——三維增強。碳纖維預制件——在預制件中滲入碳基體，浸漬—固化—炭化。纖維、織物的選擇——基體先驅體的選擇——預成型體成型——基體致密化——產品加工、檢測。15炭纖維預制體是一種非均勻多孔介質,其內部孔隙結構呈現不規則性,使得反應氣體在預制體孔隙網絡中的擴散和沉積速率難以控制,成為制備性能優良的C/C復合材料的關鍵影響因素。石墨化是炭/炭(C/C)復合材料制備過程中最重要的工序之一，石墨化度是決定該材料性能的重要結構參數。利用XRD所測得的石墨層間距d002與理想石墨的層間距(0.3354nm)的相對差異來表示材料的石墨化度。16氧化保護抗高溫氧化涂層抑制劑法17在不犧牲碳/碳復合材料良好的材料學性能的同時，盡可能地提高涂層抗氧化溫度。延長碳/碳復合材料使用壽命，并降低涂層制備成本，簡化涂層制備工藝，縮短制備周期是近年來碳/碳復合材料高溫抗氧化涂層研究的主要方向。18炭化后的微觀形貌19圖(a)中1所示為炭氈的針刺纖維束；圖(b)中2表明樹脂炭與炭纖維之間存在脫粘現象；圖(c)中3所示為炭纖維的斷裂現象，這可能是在炭化過程中產生的；圖(d)中4表明包覆住兩根炭纖維的樹脂炭產生了裂紋。206.3性能特點理化性能C/C復合材料比熱容大，熱導率隨石墨化程度的提高而增大，線膨脹系數隨石墨化程度的提高而降低等。C/C復合材料在高溫熱處理后的化學成分，碳元素高于99%，像石墨一樣，具有耐酸、堿和鹽的化學穩定性。21力學性能C/C復合材料的力學性能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十倍。C/C復合材料的高強高模特性來自碳纖維，隨著溫度的升高，C/C復合材料的強度不僅不會降低，而且比室溫下的強度還要高。在1000℃以上，強度最低的C/C復合材料的比強度也較耐熱合金和陶瓷材料的高。22C/C復合材料的斷裂韌性較碳材料有極大的提高，其破壞方式是逐漸破壞，而不是突然破壞，因為基體碳的斷裂應力和斷裂應變低于碳纖維。經表面處理的碳纖維與基體碳之間的化學鍵與機械鍵結合強度強，拉伸應力引起基體中的裂紋擴展越過纖維/基體界面，使纖維斷裂，形成脆性斷裂。未經表面處理的碳纖維與基體碳之間結合強度低，裂紋尖端的能量消耗在碳纖維的周圍區域，碳纖維仍能繼續承受載荷，從而呈現非脆性斷裂方式。23熱學及燒蝕性能抗熱沖擊能力很強，不僅可用于高溫環境，而且適合溫度急劇變化的場合。其比熱容高，這對于飛機剎車等需要吸收大量能量的應用場合非常有利。C/C復合材料是一種升華-輻射型燒蝕材料，且燒蝕均勻。通過表層材料的燒蝕帶走大量的熱，可阻止熱流傳入飛行器內部。C/C復合材料被廣泛用作宇航領域中的燒蝕防熱材料。24多向編織復合材料軸向和徑向試件燒蝕表面顯微形貌25摩擦磨損性能C/C復合材料中碳纖維的微觀組織為亂層石墨結構，其摩擦系數比石墨高，特別是它的高溫性能特點，在高速高能量條件下摩擦升溫高達1000℃以上時，其摩擦性能仍然保持平穩，這是其它材料所不具備的。C/C復合材料作為軍用和民用飛機的剎車盤材料越來越廣泛。266.4應用碳/碳復合材料具有高比強度、比模量，耐燒蝕，熱導率高，熱膨脹低以及對熱沖擊不敏感等優異的性能。首先在航空航天和軍事領域得到了應用。隨著技術進步和制造成本的降低，逐漸在很多民用工業領域得到了應用。2728293031航天四院43所飛機炭剎車盤達到國際一流

32洲際導彈鼻錐、固體火箭發動機噴管、飛機剎車盤、航空發動機的燃燒室等。為了提高抗氧化和抗磨損能力，往往要用陶瓷（如SiC）涂覆。在民用上，為了實現汽車的輕量化，從發動機部件直到車頂內外襯、側門等。另外，還用于高溫發熱元件、熱壓模具和超塑性成型模具等。333435超塑性363738碳與人體骨骼、血液、軟組織的生物相容性是已知材料中最佳的材料。碳/碳復合材料可以作為人體骨骼的替代材料，如人工髖關節、膝關節、牙根植入體等。目前使用比較多的不銹鋼或鈦合金人工關節，壽命為7~10年。3940碳/碳復合材料的連接碳/碳復合材料汽化溫度超過3000℃，不能采用傳統的熔化方法進行焊接。最簡單的連接方法就是機械連接，即采用螺栓、螺釘等機械緊固的方式實現碳/碳復合材料的連接。由于機械連接需要在碳/碳復合材料上打孔，勢必對材料的微觀結構造成損傷；同時螺栓和孔洞等邊角位置容易產生應力集中，往往會導致構件低應力破