碳碳复合材料解析

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1、C/C 复合材料 C/C作为刹车盘 C/C在航空上的应用 索引索引 0.历史 1、定义 2、材料概述 3、性能特点 4.制备工艺 5.应用概述 6.发展趋势和应用前景 历史 C/C复合材料来源于Chance- Vought由于实验室事故，在碳纤维树 脂基复合材料固化时超过规定的温度 ，导致树脂碳化，却形成碳碳复合 材料。 我国对此的研究和开发主要集中在 航天航空等高新技术领域，较少涉及 民用高性能、低成本碳碳复合材料的 研究。整体研究水平还停留在对材料 宏观性能的追求上，对材料组织结构 和性能的可控性、可调性等基础研究 相当薄弱，难以满足国民经济发展对 高性能碳碳复合材料的需求。 简要发展历程

2、 C/C复合材料是以碳 （或石墨）纤维 及其织物，或石 墨化的脂碳（沥 青）为增强材料，以 碳（或石墨）为基 体，通过加工处理和 碳化处理制成的全碳 质复合材料。 增强材料就象树木中的纤维，混凝 土中的钢筋一样，是复合材料的重 要组成部分，并起到非常重要的作 用 为复合材料中起到粘接增强体成为 整体并转递载荷到增强体的主要组 分之一。 定义 碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物 增强碳，或石墨化的脂碳（沥青）以及化学 气相沉积（CVD）碳所形成的复合材料，是 具有特殊性能的新型工程材料。由于它几乎 完全是由元素碳组成，故能承受极高的温度 和极大的加热速率。通过碳纤维适当的取向 增强，可得到力学

3、性能优良的材料，在高温 时这种性能保持不变甚至某些性能指标有所 提高。 碳/碳复合材料抗热冲击和抗热导能 力极强，且具有一定的化学惰性。 概述 1.复合材料 是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或 化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材 料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效 应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足 各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和 非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛 及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶 瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤 维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、 晶须、金属丝和硬质细粒等。

4、 基础概念辨析 2.碳纤维(carbon fiber，简称CF) 是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型 纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向 方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨 材料。碳纤维“外柔内刚“，质量比金属铝轻，但强度却 高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军 工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有 本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代 增强纤维。 碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高 ，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温 ，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间， 热膨胀系数小且具有

5、各向异性，耐腐蚀性好，X射线透 过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。 力学性能 热物理性能 烧蚀性能 化学稳定性 2.性能特点 2.性能特点 室温，强度和 模量 一般C/C：拉伸强度270GPa、弹性模量69GPa 先进C/C：强度349MPa，其中单向高强度C/C 可达700MPa。（通用钢材强度500600MPa） 高温力学性能高温力学性能 室温强度可以保持到2500，在1000以上时， 强度最低的C/C的比强度也较耐热合金和陶瓷材料 的高，是当今在太空环境下使用的高温力学性能最 好的材料。 对热应 力不敏 感 一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严 重的力学 性能损失 2.性能特点

6、 物理性能物理性能 uu热膨胀性能低热膨胀性能低：常温下为-0.41.810-6/K ，仅为金属材料的1/51/10； uu导热系数高导热系数高：室温时约为0.380.45 cal/cms（铁铁：0.13），当温度为1650 时，降为0.103 cal/cms。 uu比热高比热高：其值随温度上升而增大，因而能 储存大量的热能，室温比能约为0.3 kcal/kg（铁铁：0.11）,1930时为0.5 kcal/kg。 uu密度密度：1.71.9； uu熔点熔点：4100。 uu耐磨性耐磨性：摩擦系数小，具有优异的耐磨擦 磨损性能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳 候选材料。 2.2.性能特点性能特点

7、烧蚀性能烧蚀性能：在高温高压气流冲刷 下，通过材料发生的热解、气化、融 化、升华、辐射等物理和化学过程， 将材料表面的质量迁移带走大量的热 量，达到耐高温的目的。 C/C的升华温度高达3600，在这 样的高温度下，通过表面升华、辐射 除去大量热量，使传递到材料内部的 热量相应地减少。 1.C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几 乎99%以上都是元素C，因此它具有和C一样的化学 稳定性。 2.2.耐腐蚀性耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和 盐的化学稳定性； 3.3.氧化性能：氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始 氧化温度为400，高于600会严重氧化。提高 其耐氧化性方法成型时加

8、入抗氧化物质或表面加 碳化硅涂层。 2.性能特点 下一页 细说稳定性 生物相容性好生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和 牙床的优良替代材料； 安全性和可靠性高安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠性为传统 材料的数十倍。飞机用铝合金构件从产生裂纹至破 断的时间是1mim，而C/C是51mim。 其他性能 碳与生物体之间的相容性极好生物体之间的相容性极好，再加上碳/碳复合材料的优优 异力学性能异力学性能，使之适宜制成生物构件插入到活的生物机体内 作整形材料，如人造骨骼、心脏瓣膜等。 C/C复合材料制备方法 1.预制体成型（胚体） 在进行预制体成型前，根据所设计复合材料的 应用和工作环境来选

9、择纤维种类和编织方式，例如 ， 对重要的结构选用高强度、高模量纤维，对要求导 热系数低的则选用低模量炭纤维，如粘胶基炭纤 维。 坯体可通过长纤维（或带）缠绕长纤维（或带）缠绕、碳毡碳毡、短纤维模压短纤维模压或喷 射成型、石墨布叠层的方向石墨纤维针刺增强石墨布叠层的方向石墨纤维针刺增强以及多向织多向织 物物等方法制得 碳纤维碱金属等杂质含 量越低越好；未经表面处 理的碳纤维和石墨纤维 更适宜制造C/C复合材料 碳毡可由人造丝毡碳化或聚丙烯腈预氧化、碳化后制得。 碳毡叠层后，可以碳纤维在X、Y、Z的方向三向增强，制 得三向增强毡，如下图所示。 喷射成型是把切断的碳纤维 (约为0.025mm) 配制

10、成 碳纤维-树脂-稀释剂的混合物，然后用喷枪将此混 合物喷涂到芯模上使其成型。 或石墨化的脂碳（沥青） 用碳布或石墨纤维布叠层后进行针刺，可用空心细 颈金属棒引纱。下图是AVCD公司编织的坯体。 在坯体的研制中，发展的重点是多向织物，如三 向、四向、五向或七向等，目前是以三向织物为 主。 碳纤维从X、Y、Z三个方向 互成90正交排列，三个方向 的纱线并不交织，X和Y方向 的纱线交替的叠层，Z方向的 纱线起增强作用。因此XYZ 方向的纱线并没有交织点， 只有重合点，可充分发挥织 物里每个纤维的力学性能。 v三维织物研究的重点在细编织及其工艺、各 向纤维的排列对材料的影响等方面。 2.致密化二法：

11、CVD/CVI；液相浸渍 碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密 化，以实现预制体和碳基体的复合。 渗碳方法渗碳方法：液态浸渍热分解法、化学气相沉积法。 基本要求基本要求：基体的先驱体与预制体的特性相一致， 以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。 p 工艺原理 以碳氢气体(CH4、C2H6、C3H8、C2H4)为碳源，在一定温 度下热解，直接在织物碳纤维表面沉积成碳 p 工艺特点 材料结构尺寸稳定性较好 单边均匀沉积厚度不大于50mm，适用于薄壁、异型织 物，不适用于实心预制体 需要几百甚至上千小时，中间往往需要多次去除材料 表层以打开沉积通道，且易形成密度梯度 沉积密度很难超过1.

12、7g/cm3 CVD 800 200 CH4 (g） C （S） +2H2 （g） 技术关键技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体中。 影响因素影响因素：预制体的性质、气源和载气、温度和压 力都将影响过程的效率、沉积碳基体的性能及均匀 性。 工艺过程工艺过程：将预制体放入等 温感应炉中加热，导入碳氢 化合物和载气，碳氢化合物 分解后，碳沉积在预制体 中。 工艺控制工艺控制：为使碳均匀沉积 ，温度应该控制得使碳氢化 合物的扩散速度低于碳的沉 积速度。 特点特点：该法制得的C/C中碳 沉积均匀，因而性能也较均 匀。但沉积时间较长，容易 使材料表面产生热裂纹。 等温法 工艺方法工艺方法：通过在织物 厚

13、度方向上形成的压力 梯度促使气体通过植物 间隙。将预制体的底部 密封后放入感应炉中等 温加热，碳氢化合物以 一定的正压导入预制体 内，在预制体壁两边造 成压差，迫使气体流过 空隙，加快沉积速度。 差压法 化学气相沉积法工艺简单沉积过程中纤维不受损 伤，制品的结构较均匀和完整，故致密性好，强 度高。为了满足各种使用的需要，制品的密度和 密度梯度也能够加以控制，所以此法近年来发展 较快。 与CVD 不同之处是，CVI 工艺可将气相反应 物分解产生 的碳沉积在预成型体内更为细小的空隙中，可最大限度地减少空隙的 大小和数量，制备的C/C 材料的致密化程度更高，材料的力学性能也 更好。CVI 工艺主要采

14、用降低反应物的热分解速度，使反应物能更充 分扩散和渗透到坯体的细小的空隙中，从而实现减少空隙大小和数量 的目的。CVI 法工艺周期相对CVD 要更长，这使其制品的成本高于 CVD 制品。 目前应用最广泛的是等温CVI 法（ICVI），具有不损伤纤 维、基体碳纯度高、工艺设备简单、可对多个形状复杂预制体同时致 密化等特点，是工业生产C/C 复合材料的主要工艺手段。ICVI 工艺 致密化过程极其复杂，沉积反应发生在多孔预制体的内表面，存在气 相热解、表面沉积反应和气体扩散过程；受温度、压力、预制体空隙 结构、气体的种类及滞留时间等因素的影响；存在沉积反应和气体扩 散之间的矛盾，“气体扩散”是致密化

15、过程的主要控制步骤。为了缓 解气体扩散和沉积反应之间的矛盾，通常不得不采用较低的温度特别 是较低的压力，以降低致密化速度和提高气体扩散系数，其结果导致 致密化周期特别长。工业上通常需要6002 000 h，前驱气体的利 用率仅为1 %2 %，这是C/C 复合材料成本居高不下的主要原因。 CVI（化学气相渗透法） u 工艺原理 以树脂或沥青为基体前驱体，将 其浸渍到织物中，然后将浸渍有 树脂或沥青的织物在惰性气氛下 热处理，使树脂或沥青转化为基 体碳 u 工艺特点 工艺简单，原料便宜 致密化效率较低，需要经过多循 环浸渍碳化 当在制品达到一定密度后（ 1.7g/cm3）， 需要HIP工序实现材料

16、的高密度 液相浸渍工艺 液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行工 艺过程，达到致密预制体 此工艺存在问题是： 工艺繁复、周期长、效率低；液体难以浸渍到 预制体微孔中；有些浸渍液在常压和减压下炭 化收率低，必须加压，如煤沥 青；有些浸渍液炭化时粘附性过好，易于阻塞 气孔口，难以达到致密要求，如树脂 由于上述原因，后来发展了高压浸渍炭化工艺（ 浸渍和碳化都在高压下进行，利用等静压技术使 浸渍和碳化都在热等静压炉内进行。可提高产碳 率降低空隙率），所使用的压力皆超过2MPa，此 工艺对设备要求高，操作要求严格，且导致成本 上升 问题来了！ 碳化（ carbonization） 将上述成形物在隔 绝空气下热分解为 碳和其他产物。 石墨化：利用热活 化将热力学不稳定 的炭原子实现由