碳碳復(fù)合材料89061.ppt

C C復(fù)合材料 C C作為剎車盤 C C在航空上的應(yīng)用 索引 0 歷史1 定義2 材料概述3 性能特點(diǎn)4 制備工藝5 應(yīng)用概述6 發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景 歷史 C C復(fù)合材料來源于Chance Vought由于實(shí)驗(yàn)室事故 在碳纖維樹脂基復(fù)合材料固化時(shí)超過規(guī)定的溫度 導(dǎo)致樹脂碳化 卻形成碳碳復(fù)合材料 我國對此的研究和開發(fā)主要集中在航天航空等高新技術(shù)領(lǐng)域 較少涉及民用高性能 低成本碳碳復(fù)合材料的研究 整體研究水平還停留在對材料宏觀性能的追求上 對材料組織結(jié)構(gòu)和性能的可控性 可調(diào)性等基礎(chǔ)研究相當(dāng)薄弱 難以滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對高性能碳碳復(fù)合材料的需求 簡要發(fā)展歷程 C C復(fù)合材料是以碳 或石墨 纖維及其織物 或石墨化的脂碳 瀝青 為增強(qiáng)材料 以碳 或石墨 為基體 通過加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料 增強(qiáng)材料就象樹木中的纖維 混凝土中的鋼筋一樣 是復(fù)合材料的重要組成部分 并起到非常重要的作用為復(fù)合材料中起到粘接增強(qiáng)體成為整體并轉(zhuǎn)遞載荷到增強(qiáng)體的主要組分之一 定義 碳 碳復(fù)合材料是由碳纖維或各種碳織物增強(qiáng)碳 或石墨化的脂碳 瀝青 以及化學(xué)氣相沉積 CVD 碳所形成的復(fù)合材料 是具有特殊性能的新型工程材料 由于它幾乎完全是由元素碳組成 故能承受極高的溫度和極大的加熱速率 通過碳纖維適當(dāng)?shù)娜∠蛟鰪?qiáng) 可得到力學(xué)性能優(yōu)良的材料 在高溫時(shí)這種性能保持不變甚至某些性能指標(biāo)有所提高 碳 碳復(fù)合材料抗熱沖擊和抗熱導(dǎo)能力極強(qiáng) 且具有一定的化學(xué)惰性 概述 1 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料 通過物理或化學(xué)的方法 在宏觀 微觀 上組成具有新性能的材料 各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短 產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng) 使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求 復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類 金屬基體常用的有鋁 鎂 銅 鈦及其合金 非金屬基體主要有合成樹脂 橡膠 陶瓷 石墨 碳等 增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維 碳纖維 硼纖維 芳綸纖維 碳化硅纖維 石棉纖維 晶須 金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等 基礎(chǔ)概念辨析 2 碳纖維 carbonfiber 簡稱CF 是一種含碳量在95 以上的高強(qiáng)度 高模量纖維的新型纖維材料 它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成 經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料 碳纖維 外柔內(nèi)剛 質(zhì)量比金屬鋁輕 但強(qiáng)度卻高于鋼鐵 并且具有耐腐蝕 高模量的特性 在國防軍工和民用方面都是重要材料 它不僅具有碳材料的固有本征特性 又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性 是新一代增強(qiáng)纖維 碳纖維具有許多優(yōu)良性能 碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高 密度低 比性能高 無蠕變 非氧化環(huán)境下耐超高溫 耐疲勞性好 比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間 熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性 耐腐蝕性好 X射線透過性好 良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能 電磁屏蔽性好等 力學(xué)性能熱物理性能燒蝕性能化學(xué)穩(wěn)定性 2 性能特點(diǎn) 2 性能特點(diǎn) 2 性能特點(diǎn) 物理性能熱膨脹性能低 常溫下為 0 4 1 8 10 6 K 僅為金屬材料的1 5 1 10 導(dǎo)熱系數(shù)高 室溫時(shí)約為0 38 0 45cal cm s 鐵 0 13 當(dāng)溫度為1650 時(shí) 降為0 103cal cm s 比熱高 其值隨溫度上升而增大 因而能儲(chǔ)存大量的熱能 室溫比能約為0 3kcal kg 鐵 0 11 1930 時(shí)為0 5kcal kg 密度 1 7 1 9 熔點(diǎn) 4100 耐磨性 摩擦系數(shù)小 具有優(yōu)異的耐磨擦磨損性能 是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料 2 性能特點(diǎn) 燒蝕性能 在高溫高壓氣流沖刷下 通過材料發(fā)生的熱解 氣化 融化 升華 輻射等物理和化學(xué)過程 將材料表面的質(zhì)量遷移帶走大量的熱量 達(dá)到耐高溫的目的 C C的升華溫度高達(dá)3600 在這樣的高溫度下 通過表面升華 輻射除去大量熱量 使傳遞到材料內(nèi)部的熱量相應(yīng)地減少 1 C C除含有少量的氫 氮和微量金屬元素外 幾乎99 以上都是元素C 因此它具有和C一樣的化學(xué)穩(wěn)定性 2 耐腐蝕性 C C像石墨一樣具有耐酸 堿和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性 3 氧化性能 C C在常溫下不與氧作用 開始氧化溫度為400 高于600 會(huì)嚴(yán)重氧化 提高其耐氧化性方法 成型時(shí)加入抗氧化物質(zhì)或表面加碳化硅涂層 2 性能特點(diǎn) 下一頁 細(xì)說穩(wěn)定性 生物相容性好 是人體骨骼 關(guān)節(jié) 顱蓋骨補(bǔ)塊和牙床的優(yōu)良替代材料 安全性和可靠性高 若用于飛機(jī) 其可靠性為傳統(tǒng)材料的數(shù)十倍 飛機(jī)用鋁合金構(gòu)件從產(chǎn)生裂紋至破斷的時(shí)間是1mim 而C C是51mim 其他性能 碳與生物體之間的相容性極好 再加上碳 碳復(fù)合材料的優(yōu)異力學(xué)性能 使之適宜制成生物構(gòu)件插入到活的生物機(jī)體內(nèi)作整形材料 如人造骨骼 心臟瓣膜等 C C復(fù)合材料制備方法 1 預(yù)制體成型 胚體 在進(jìn)行預(yù)制體成型前 根據(jù)所設(shè)計(jì)復(fù)合材料的應(yīng)用和工作環(huán)境來選擇纖維種類和編織方式 例如 對重要的結(jié)構(gòu)選用高強(qiáng)度 高模量纖維 對要求導(dǎo)熱系數(shù)低的則選用低模量炭纖維 如粘膠基炭纖維 坯體可通過長纖維 或帶 纏繞 碳?xì)?短纖維模壓或噴射成型 石墨布疊層的方向石墨纖維針刺增強(qiáng)以及多向織物等方法制得 碳纖維堿金屬等雜質(zhì)含量越低越好 未經(jīng)表面處理的碳纖維和石墨纖維更適宜制造C C復(fù)合材料 碳?xì)挚捎扇嗽旖z氈碳化或聚丙烯腈預(yù)氧化 碳化后制得 碳?xì)织B層后 可以碳纖維在X Y Z的方向三向增強(qiáng) 制得三向增強(qiáng)氈 如下圖所示 噴射成型是把切斷的碳纖維 約為0 025mm 配制成碳纖維 樹脂 稀釋劑的混合物 然后用噴槍將此混合物噴涂到芯模上使其成型 或石墨化的脂碳 瀝青 用碳布或石墨纖維布疊層后進(jìn)行針刺 可用空心細(xì)頸金屬棒引紗 下圖是AVCD公司編織的坯體 在坯體的研制中 發(fā)展的重點(diǎn)是多向織物 如三向 四向 五向或七向等 目前是以三向織物為主 碳纖維從X Y Z三個(gè)方向互成90 正交排列 三個(gè)方向的紗線并不交織 X和Y方向的紗線交替的疊層 Z方向的紗線起增強(qiáng)作用 因此XYZ方向的紗線并沒有交織點(diǎn) 只有重合點(diǎn) 可充分發(fā)揮織物里每個(gè)纖維的力學(xué)性能 三維織物研究的重點(diǎn)在細(xì)編織及其工藝 各向纖維的排列對材料的影響等方面 2 致密化二法 CVD CVI 液相浸漬碳纖維編織預(yù)制體是空虛的 需向內(nèi)滲碳使其致密化 以實(shí)現(xiàn)預(yù)制體和碳基體的復(fù)合 滲碳方法 液態(tài)浸漬熱分解法 化學(xué)氣相沉積法 基本要求 基體的先驅(qū)體與預(yù)制體的特性相一致 以確保得到高致密和高強(qiáng)度的C C復(fù)合材料 工藝原理以碳?xì)錃怏w CH4 C2H6 C3H8 C2H4 為碳源 在一定溫度下熱解 直接在織物碳纖維表面沉積成碳工藝特點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性較好單邊均勻沉積厚度不大于50mm 適用于薄壁 異型織物 不適用于實(shí)心預(yù)制體需要幾百甚至上千小時(shí) 中間往往需要多次去除材料表層以打開沉積通道 且易形成密度梯度沉積密度很難超過1 7g cm3 CVD 800 200 CH4 g C S 2H2 g 技術(shù)關(guān)鍵 熱分解的碳均勻沉積到預(yù)制體中 影響因素 預(yù)制體的性質(zhì) 氣源和載氣 溫度和壓力都將影響過程的效率 沉積碳基體的性能及均勻性 工藝過程 將預(yù)制體放入等溫感應(yīng)爐中加熱 導(dǎo)入碳?xì)浠衔锖洼d氣 碳?xì)浠衔锓纸夂?碳沉積在預(yù)制體中 工藝控制 為使碳均勻沉積 溫度應(yīng)該控制得使碳?xì)浠衔锏臄U(kuò)散速度低于碳的沉積速度 特點(diǎn) 該法制得的C C中碳沉積均勻 因而性能也較均勻 但沉積時(shí)間較長 容易使材料表面產(chǎn)生熱裂紋 等溫法 工藝方法 通過在織物厚度方向上形成的壓力梯度促使氣體通過植物間隙 將預(yù)制體的底部密封后放入感應(yīng)爐中等溫加熱 碳?xì)浠衔镆砸欢ǖ恼龎簩?dǎo)入預(yù)制體內(nèi) 在預(yù)制體壁兩邊造成壓差 迫使氣體流過空隙 加快沉積速度 差壓法 化學(xué)氣相沉積法工藝簡單沉積過程中纖維不受損傷 制品的結(jié)構(gòu)較均勻和完整 故致密性好 強(qiáng)度高 為了滿足各種使用的需要 制品的密度和密度梯度也能夠加以控制 所以此法近年來發(fā)展較快 與CVD不同之處是 CVI工藝可將氣相反應(yīng)物分解產(chǎn)生的碳沉積在預(yù)成型體內(nèi)更為細(xì)小的空隙中 可最大限度地減少空隙的大小和數(shù)量 制備的C C材料的致密化程度更高 材料的力學(xué)性能也更好 CVI工藝主要采用降低反應(yīng)物的熱分解速度 使反應(yīng)物能更充分?jǐn)U散和滲透到坯體的細(xì)小的空隙中 從而實(shí)現(xiàn)減少空隙大小和數(shù)量的目的 CVI法工藝周期相對CVD要更長 這使其制品的成本高于CVD制品 目前應(yīng)用最廣泛的是等溫CVI法 ICVI 具有不損傷纖維 基體碳純度高 工藝設(shè)備簡單 可對多個(gè)形狀復(fù)雜預(yù)制體同時(shí)致密化等特點(diǎn) 是工業(yè)生產(chǎn)C C復(fù)合材料的主要工藝手段 ICVI工藝致密化過程極其復(fù)雜 沉積反應(yīng)發(fā)生在多孔預(yù)制體的內(nèi)表面 存在氣相熱解 表面沉積反應(yīng)和氣體擴(kuò)散過程 受溫度 壓力 預(yù)制體空隙結(jié)構(gòu) 氣體的種類及滯留時(shí)間等因素的影響 存在沉積反應(yīng)和氣體擴(kuò)散之間的矛盾 氣體擴(kuò)散 是致密化過程的主要控制步驟 為了緩解氣體擴(kuò)散和沉積反應(yīng)之間的矛盾 通常不得不采用較低的溫度特別是較低的壓力 以降低致密化速度和提高氣體擴(kuò)散系數(shù) 其結(jié)果導(dǎo)致致密化周期特別長 工業(yè)上通常需要600 2000h 前驅(qū)氣體的利用率僅為1 2 這是C C復(fù)合材料成本居高不下的主要原因 CVI 化學(xué)氣相滲透法 工藝原理以樹脂或?yàn)r青為基體前驅(qū)體 將其浸漬到織物中 然后將浸漬有樹脂或?yàn)r青的織物在惰性氣氛下熱處理 使樹脂或?yàn)r青轉(zhuǎn)化為基體碳工藝特點(diǎn)工藝簡單 原料便宜致密化效率較低 需要經(jīng)過多循環(huán)浸漬 碳化當(dāng)在制品達(dá)到一定密度后 1 7g cm3 需要HIP工序?qū)崿F(xiàn)材料的高密度 液相浸漬工藝 液相浸漬工藝一般在常壓或減壓下進(jìn)行工藝過程 達(dá)到致密預(yù)制體此工藝存在問題是 工藝繁復(fù) 周期長 效率低 液體難以浸漬到預(yù)制體微孔中 有些浸漬液在常壓和減壓下炭化收率低 必須加壓 如煤瀝青 有些浸漬液炭化時(shí)粘附性過好 易于阻塞氣孔口 難以達(dá)到致密要求 如樹脂由于上述原因 后來發(fā)展了高壓浸漬炭化工藝 浸漬和碳化都在高壓下進(jìn)行 利用等靜壓技術(shù)使浸漬和碳化都在熱等靜壓爐內(nèi)進(jìn)行 可提高產(chǎn)碳率降低空隙率 所使用的壓力皆超過2MPa 此工藝對設(shè)備要求高 操作要求嚴(yán)格 且導(dǎo)致成本上升 問題來了 碳化 carbonization 將上述成形物在隔絕空氣下熱分解為碳和其他產(chǎn)物 石墨化 利用熱活化將熱力學(xué)不穩(wěn)定的炭原子實(shí)現(xiàn)由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)的有序轉(zhuǎn)化 碳化和石墨化 碳 碳復(fù)合材料以其優(yōu)異的高溫力學(xué)和熱物理性能 結(jié)合基體改性和抗氧化涂層技術(shù) 一直是先進(jìn)國家戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭端頭 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管 高超聲速飛行器關(guān)鍵熱端部件首選的防熱 熱結(jié)構(gòu)材料 應(yīng)用概述 軍機(jī) 民機(jī)用