《碳碳复合材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳碳复合材料（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、碳碳复合材料的分类 定义:碳碳复合材料是指用碳纤维或石墨纤维为增强 材料,以碳化或石墨化的树脂或用化学蒸气沉积的碳作 为基体材料的复合材料。特点:比强度大、比模量高、高温烧蚀性能好、耐热冲 击、化学惰性好等优点，而且升华温度高，高温下仍 能保持很高强度。适用于高温的最佳的最佳先进复合 材料。根据增强材料与基体材料的不同，碳碳复合材料可分为三种：碳纤维增强碳、石墨纤维增 强碳、石墨纤维增强石墨。根据纤维的类型或编制方式，碳碳复合材料可分为短纤维增强的碳碳复合材料、单向连 续纤维增强的碳碳复合材料、层合织物(碳布重叠或原丝制毡)增强的碳碳复合材料及三 维立体编织物增强的碳碳复合材料等多种。短纤维复
2、合材料的成本低，容易加工，但强度不高；连续纤维复合材料仅在纤维方向具有较高的强度；层合织物可在纤维平面上提供高强度和良好的抗冲击性能，而在垂直于纤维平面的方向上力 学性能较差；三维织物增强的复合材料比其他几种形式的复合材料性能皆佳，整体性强，层间剪切强度高， 但制造成本亦高。由于碳在常压下不熔化，也不能溶解于任何溶剂中，因此不能直接用作基体材料。基体 制造工艺有两种。第一种是先制成碳纤维增强热固性树脂基复合材料，然后在氧气中缓慢热分解，使树脂基体 分解，并在沥青、酚醛树脂等溶液中反复进行浸渍并热解，最后只残留碳基体，得到碳碳 复合材料。第二种是化学蒸气沉积法，即用碳氢化合物气体，如甲烷、乙炔等
3、，在10001100C下进 行分解，在三维织物、碳毡、纤维缠绕件的结构空隙内进行沉积。形成致密的碳碳复合材 料。第一种制造方法常用的基体材料主要有沥青、酚醛、糠醛等含碳量高的树脂。由于热分解时 树脂中非碳元素的分解逸出，在基体中易产生空隙。因此，制造时一般应利用化学蒸气沉积 技术在空隙中沉积碳，以提高材料的致密性。碳/碳复合材料与其他碳素材料一样，在空气中加热到400C以上就会发生氧化。即使 很少量的烧蚀也会导致材料的物理性能和力学性能劣化。改善碳碳复合材料抗氧化性能的 最常用方法利用化学气相沉积(CVD)、溶胶一凝胶、等离子喷涂等技术在材料表面施以抗氧 化陶瓷涂层。力学性能C/C复合材料强度
4、与组分材料性质、增强材料的方向、含量以及纤维与基体界面结合程度有关；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500 600MPa）高温力学性能：室温强度可以保持到2500r，在1000C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。物理性能热膨胀性能低：常温下为-0.41.8X10-6/K,仅为金属材料的1/51/10；导热系数高：室温时约为0.380.
5、45 cal/cmsC （铁：0.13）,当温度为1650C时，降为 0.103 cal/cm s C。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/kgC （铁： 0.11） ,1930C时为 0.5 kcal/kg C。密度： 1.71.9。熔点： 4100C。 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。 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3600C，在这样的高温度下，通过表
6、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。化学稳定性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。耐腐蚀性： C/C 像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性；氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始氧化温度为400C，高于600C会严重氧化。提高其耐氧化性方法成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。其他性能生物相容性好：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：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。4.2 C/C复合
7、材料的焊接4.2.1 碳碳复合材料的焊接性碳碳复合材料的焊接类似于石墨的焊接。 由于碳或石墨的熔点很高，因此不可能利用熔化焊方 法进行焊接，一般采用扩散焊及钎焊进行焊接、由于 碳碳复合材料一般工作于特殊的工作环境中，焊接 结构需要满足这些环境条件下的待弥要求，因此在连 接过程中最大的问题是能否保持碳碳复合材料原有 的特性不受焊接过程的破坏。4.2.2 碳/碳复合材料的扩散连接碳碳复合材料的扩散焊的基本思路是通过焊接过程中的物理、化学反应，在两个 被连接件之间生成石墨或高温稳定的化合物中间层而将被连接件连接起来，为此，必须在连 接表面上涂敷一定的中间层反应材料。可选用的中间层反应材料有三类：锰粉、镁粉和铝粉；Ti、Zr、Nb、Ta、Hf等与 非金属或化合物的混合物高熔点金属； B 或 TiSi2 等非金属。（1）通过在焊接过程中生成石墨来连接碳碳复合材料。（2）通过形成难熔相来连接碳碳复合材料（3）通过形成 B4C 来连接碳碳复合材料（4）通过形成TiC来连接碳/碳复合材料（ 5） 利用 TiSi2 作中间反应层来连接碳碳复 合材料
