《碳碳复合材料抗氧化处理方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳碳复合材料抗氧化处理方法（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划碳碳复合材料抗氧化处理方法碳复合材料性能的研究摘要：以设计思路的发展演化喂线索结合国内外近年的研究报道，从选材的性能要求、组成、抗氧化机理、成功范例及制备工艺角度出发，特别选取了近年来在C/C复合材料研究，总结C/C复合材料在航空、航天以及军事领域的应用背景对高温抗氧化涂层的下一步发展趋势进行下一步指望。C/C复合材料的改性研究是今后发展的潜在方向，利用难熔金属碳化物及硼化物的熔点高、高温性能稳定、抗烧蚀性能优良等特点，提高C/C复合材料高温抗氧抗氧化烧蚀的理想基体改性材料。关键字：
2、碳/碳复合材料；抗氧化涂层；基体改性1、前言C/C复合材料是目前广泛应用的先进复合材料之一，它由炭纤维和基体炭两部分组成，拥有许多极富吸引力的材料学性能,如高强高模性、高热稳定性、高导热导电能力、低密度、低热膨胀系数、耐烧蚀、耐腐蚀、摩擦系数稳定等特点；特别是它随温度升高依然保持其室温下力学性能的特性被大量用于航空、航天及民用工业领域，但C/C复合材料在有氧环境下表面比较差的抗氧化性，这使得其作为高温耐火材料的应用受到大幅度的限制。C/C复合材料强度随温度的升高不降反升的独特性能，使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统具有其它材料难以比拟的优势，就因为C/C复合材料存在一
3、个致命的弱点，即在高温氧化性气氛下极易氧化。研究发现该材料在450氧化性气氛下以上就开始氧化并且氧化速率随着温度的升高迅速增加。若无抗氧化措施，在高温氧化环境中应用将会引起灾难性后果。目前，所采取的防止C/C复合材料氧化方法主要包括涂层技术和基体改性技术。涂层技术尽管能够隔离含氧气氛和C/C复合材料，从理论上可以起到很好的防护效果，但涂层与C/C复合材料之间物理化学不相容的问题一直未能得到彻底解决，尤其对于高性能发动机热端部件和空天飞行器热防护系统服役过程中的超高温、强冲刷、高频振动、高低温瞬时热震等极端苛刻环境，涂层易发生开裂、剥落、烧蚀等失效。基体材料本身抑制氧化反应为前提，即在C/C改性
4、技术是以料的抗氧化问题显得尤为重要。作为重复使用的热防护系统，最关键问题仍然是C/C复合材料的抗氧化问题是否得到很好的解决。而关于C/C复合材料的抗氧化性研究一直受到各国学者的关注，并做了很多成功的探索。参考文献1付钱刚，李贺军，沈学涛，李克智国内C/C复合材料基体改性研究进展中国材料进展XX,30(11):6-122李翠云，李辅安碳/碳复合材料的应用研究进展化工新型材料XX,34(3):18-203杨海峰，王惠，冉新权C/C复合材料的高温抗氧化研究进展碳素技术XX,6;22-284黄剑锋，李贺军，熊信柏，李克智，付业伟，黄敏C/C复合材料高温抗氧化涂层研究进展新型碳材料XX,20(4):37
5、5-379C/C复合材料的制备及方法地点：山西大同大学炭研究所时间：学习内容：一、C/C复合材料简述C/C复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料，以碳为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。优点：抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐射，易加工和制造，重量轻。缺点：非轴向力学性能差，破坏应变低，空洞含量高，纤维与基体结合差，抗氧化性能差，制造加工周期长，设计方法复杂。二、C/C复合材料的成型技术化学气相沉积法气相沉积法：将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、液化天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在
6、预制体中。技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体中。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。工艺方法：温度梯度法温度梯度法工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。接近感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。温度梯度法的设备如下图：三、预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；如制备的氧化石墨烯和石墨烯三维编织物：改善层间和垂直面方向性能；如热解炭四、C/C的基体的获得C/C的基体材料主要有热解碳和浸渍碳两种。热
7、解碳的前驱体：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烃等；大同大学炭研究所使用的是液化天燃气。浸渍碳的前驱体：主要有沥青和树脂五、预制体和碳基体的复合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：化学气相沉积法。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。化学气相沉积法制备工艺流程：碳纤维预制体通入C、H化合物气体加热分解、沉积C/C复合材料。六、碳碳复合材料的机械加工和检测可以用一般石墨材料的机械加工方法，对C/C制品进行加工。对C/C制成品的检测大同大学炭研究所没有介绍。七、C/C复合材料的氧化保护解
8、决碳碳复合材料高温抗氧化的途径主要是，采用在碳碳复合材料表面施加抗氧化涂层，使C与O2隔开，保护C/C复合材料不被氧化。大同大学炭研究所使用的方法是：抗氧化涂层法抗氧涂层使用的试剂：高锰酸钾，磷酸二氢铝，甲醇八、C/C复合材料的应用刹车材料方面的应用如C/C刹车片，用作飞机、汽车和高速火车的刹车材料等其它方面的应用，如医疗工业等碳纳米管制备及方法仪器：KTL1600管式炉载体：瓷舟保护气体：Ar气原料：液化石油气催化剂：二茂铁C10H10Fe，S粉尾气处理：H2O、H2SO4通常加热600度左右黄坤XX碳/碳复合材料的研究方向与不足摘要：C/C复合材料是目前新材料领域重点研究和开发的一种新型超
9、高温热结构材料,密度小、比强度大、线膨胀系数低(仅为金属的1/51/10)、热导率高、耐烧蚀、耐磨性能良好。特别是C/C复合材料在10002300时强度随温度升高而升高,是理想的航空航天及其它工业领域的高温材料17。C/C复合材料是具有优异耐高温性能的结构与功能一体化工程材料。它和其它高性能复合材料相同,是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构,不同之处是增强相和基体相均由具有特殊性能的纯碳组成关键词：C/C复合材料发展高性能成型加工化学沉积航空航天易氧化1.碳/碳复合材料的发展C/C复合材料的首次出现是于1958年在ChanceVought航空公司实验室偶然得到的，当测定C纤维在一有机基体复
10、合材料中的含量时，由于实验过程中的失误，有机基体没有被氧化，反而被热解，得到了C基体，结果发现这种复合材料具有结构特征，因而C/C复合材料就诞生了。C/C复合材料技术在最初十年间发展的很慢，到六十年代末期，才开始发展成为工程材料中新的一员，自七十年代，在美国和欧洲得到很大发展，推出了C纤维多向编织技术，高压液相浸渍工艺及化学气相浸渍法，有效地得到高密度的C/C复合材料，为其制造、批量生产和应用开辟了广阔的前景。八十年代以来，C/C复合材料的研究极为活跃，前苏联、日本等国也都进去这一先进领域，在提高性能、快速致密化工艺研究及扩大应用等方面取得很大进展。2.碳/碳复合材料的特征C/C复合材料具有低
11、密度、高强度、高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在XX以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性(组织成分及力学性能上均相容)、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能，尤其是C/C复合材料强度随温度的升高不降反升的独特性能，使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统具有其它材料难以比拟的优势12。3.在航空航天方面的应用火箭发动机的喷管是燃料燃烧产生的热能转变成动能所必须的关键部件。喷管材料必须经受住以下几方面的考验:XX3500的高温;灼热表面的超高速加热的热冲击;高热梯度引起的热应力;高压力;长时间在高
12、速腐蚀性气体中的暴露等。对比C/C复合材料的性能特点可见,C/C复合材料是制造固体火箭发动机喷管理想的耐烧蚀防热材料。4.在汽车工业方面的应用汽车质量与其燃料耗费有着密切的关系，碳/碳复合材料所制成的各种汽车部件、零件可以大大的减少汽车的重量。碳/碳复合材料在汽车工业不能大量使用的主要原因是成本太高，随着生产碳/碳复合材料的工艺革新，产量的扩大，其价格必然下降，它将成为汽车工业的新型材料。5.在医学方面的应用C/C复合材料对生物体的相容性好，可在医学方面作骨状插入物以及人工心脏瓣膜阀体弹性模量和密度可以设计得与人骨相近，并且强度高，可做人工骨。6.碳/碳复合材料的研究方向和不足C/C复合材料存
13、在一个致命的弱点，即在高温氧化性气氛下极易氧化。C/C复合材料的抗氧化涂层技术已经取得长足进展,1650以下抗氧化问题已基本得到解决。但仍有许多问题悬而未决,成为各国研究的重点和热点。(1)新涂层体系的开发。目前许多研究基本上仍处于实验室阶段,离实际应用还有一定的距离,如TiC/SiC/ZrO2-MoSi2涂层体系。(2)高温长寿命抗氧化涂层体系。发动机热端部件对涂层C/C复合材料的要求是高温(16501800)和长寿命(300h500h)15。只有用新的涂层制备工艺制备的复合梯度涂层才有希望满足这样的要求。另外,还没有1800以上高温长时间抗氧化涂层体系实际应用的报道。G.Savage提出了
14、高于1800抗氧化涂层体系的结构设计思想:耐火氧化物/SiO2玻璃/耐火氧化物/耐火碳化物。在涂层的最外层是耐高温氧化物以保持高温稳定性和抗侵蚀;而次外层为低氧扩散率的SiO2玻璃层作为氧的侵入阻挡层,并且可以封填外表面涂层中的裂纹;下一层为可以和最底层碳化物及次外层SiO2具有化学和物理相容性的耐高温氧化物层,以保持结合性;最底层为碳化物层,主要保持与上一层氧化物及C/C复合材料之间的相容性,并且阻止碳的逸出。最底层碳化物的候选材料为TaC、ZrC、HfC和TiC等,它们都具有较低的碳扩散率。另一种涂层系统是Rh/Ir/碳化物16。Rh阻止氧扩散能力很强,但在高温下易与碳化物反应,故须用Ir
15、作为隔离层将其与碳化物内层分开,Ir在2100以下对O2和C扩散都是有效的阻挡层。目前高于1800使用的C/C复合材料抗氧化涂层系统的应用研究正在进行。(3)测试条件与测试技术。C/C复合材料多用于热结构部件,并且实际应用环境极为苛刻,所以在测试抗氧化涂层性能时,尽量模拟实际环境。目前,一般的测试环境均是在静态空气下测试,这与实际环境相差太大。因此,抗氧化涂层要想真正应用到实际中,还有待于进一步完善测试条件与测试技术。(4)涂层系统的再利用。1981年,带有抗氧化涂层的C/C复合材料就已正式用于航天飞机鼻锥帽和机翼前缘。为了保证航天飞机在苛刻太空环境下安全工作,要求抗氧化涂层具有很好的稳定性。另外,为了保证航天飞机能多次成功起飞降落,要求抗氧化涂层重复使用性和再利用性好,质量可靠性高。(5)寻求其它制备工艺降低成本。C/C复合材料制备成本已经很高,如果涂层制备工艺复杂、周期长,就会额外增加整个部件的制备成本,这样就会更大限制C/C复合材料的广泛应用;因此寻求更合适的制备工艺,也是一项很重要的任务。参考文献：1
