碳碳復合材料論文

碳 碳復合材料碳 碳復合材料 小組成員 方狀 蔡雄 黃凱 徐睿昭 班級 國際學院紡織工程 1103 班 摘要 碳 碳復合材料作為一種先進的復合材料 具有重量輕 模量高 比 強度大 熱膨脹系數(shù)低 耐高溫 耐熱沖擊 耐腐蝕 吸震性好等一系列優(yōu)點 在航空航天 汽車領域已有廣泛的應用 本文通過對這種復合材料在行業(yè)中的廣 泛應用及現(xiàn)狀分析 對國內市場的問題與前景進行了探討 關鍵字 碳纖維 增強體 性能 應用 一 C C復合材料的發(fā)展歷史 20世紀60年代初日本首先用聚丙烯腈 PAN 原絲制成高性能碳纖維 1963年英國的研究人員發(fā)明用牽引法提高纖維結構的取向 進一步提高了碳纖 維的強度和彈性模量 到60年代末 提高碳纖維性能和產生效率的辦法日趨完善 高強度 超高強度 高模量和高強中模量的碳纖維形成規(guī)模生產并開始商品化 現(xiàn)在C C復合材料不僅在高科技方面應用廣泛 而且它也滲透都我們平常生活 的點點滴滴中 二 C C復合材料的定義 C C復合材料是指以碳纖維作為增強體 以碳作為基體的一類復合材料 而碳 纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料 基體為復合材料中起到粘接增強體成為整體并轉遞載荷到增強體的主要組分之一 作為增強體的碳纖維可用多種形式和種類 既可以用短切纖維 也可以用連續(xù) 長纖維及編織物 各種類型的碳纖維都可用于C C復合材料的增強體 碳基體 可以是通過化學氣相沉積制備的熱解碳 也可以是高分子材料熱解形成的固體 碳 C C復合材料作為碳纖維復合材料家族的一個重要成員 具有密度低 高 比強度比模量 高熱傳導性 低熱膨脹系數(shù) 斷裂韌性好 耐磨 耐燒蝕等特 點 尤其是其強度隨著溫度的升高 不僅不會降低反而還可能升高 它是所有 已知材料中耐高溫性最好的材料 因而它廣泛地應用于航天 航空 核能 化 工 醫(yī)用等各個領域 三 C C復合材料的特征 其主要特征有 1 合材料所具有的可設計性 2 量輕 其密度為1 65 2 0g cm3 僅為鋼的四分之一 3 學特性隨溫度升高而增大 2200 以前 是目前唯一能在2200 以上 保持高溫強度的工程材料 4 線膨脹系數(shù)小 高溫尺寸穩(wěn)定性好 5 異的耐燒蝕性能 6 損傷容限高 良好的抗熱震性能 C C復合材料的性能 1 力學性能 C C復合材料不僅密度小 而且抗拉強度和彈性模量高于一般碳素材料 因此碳纖維的增強效果 十分明顯 同時 撓曲強度也高于一般碳素材料 2 熱物理性能 C C復合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性 其熱膨脹系數(shù)小 僅為金屬材料的 1 5 1 10 高溫熱應力小 熱導率高 C C復合材料的比熱高 隨溫度上升而增大 因此能儲存大量熱能 C C復合材料的抗熱震性很大 為各類石墨制品的1倍 40倍 四 C C復合材料的性能 1 力學性能 C C復合材料不僅密度小 而且抗拉強度和彈性模量高于一般 碳素材料 因此碳纖維的增強效果十分明顯 同時 撓曲強度也高于一般碳素 材料 2 熱物理性能 C C復合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性 其熱膨脹系數(shù)小 僅 為金屬材料的1 5 1 10 高溫熱應力小 熱導率高 C C復合材料的比熱高 隨溫度上升而增大 因此能儲存大量熱能 C C復合材料的抗熱震性很大 為各類石墨制品的1倍 40倍 3 耐燒蝕性能 C C復合材料有效燒蝕率高 材料燒蝕時能帶走大量熱 經 高溫石墨化后 C C復合材料的燒蝕性能將更加優(yōu)異 C C復合材料暴露于高溫和快速加熱環(huán)境中 由于蒸發(fā)升華和可能的熱化學氧 化 使其部分表面可以被燒蝕 但其表面的凹陷淺 良好地保持其外形 且燒 蝕均勻和對稱 因此 廣泛應用作耐燒 4 化學穩(wěn)定性 C C復合材料具有和碳一樣的化學穩(wěn)定性 C C復合材料的最大缺點 是耐氧化性能差 易腐蝕材料 五 復合材料的組成結構 主要成分包括 碳纖維骨架和碳基體 而碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料 碳纖 維的微觀結構類似人造石墨 是亂層石墨結構 如下圖所示 圖2 1 1亂層石墨結構 首先我們先要了解碳纖維化學性質 碳纖維是含碳量高于90 的無機高分子纖維 其中含碳量高于99 的稱石 墨纖維 目前應用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維 碳纖維的制造包括纖維紡絲 熱穩(wěn)定化 預氧化 碳化 石墨化等4個過程 其間伴隨的化學變化包括 脫氫 環(huán)化 氧化及脫氧等 基體的作用 基體為復合材料中起到粘接增強體成為整體并轉遞載荷到增 強體的主要組分之一 碳 石墨 基體使用溫度在有抗氧化措施的條件下可超 過2000 C C復合材料的基體材料有熱解碳和浸漬碳兩種 1 熱解碳主要是甲烷 乙烷 丙烷和乙烯以及低分子芳烴等組成 經高溫列舉 生成碳 2 浸漬碳主要有瀝青和樹脂組成 熱解碳原料來源豐富 質量可靠 品種多 且成本低 選材范圍廣 六 a C C復合材料的應用 C C復合材料的主要兩大應用領域C C復合材料作為優(yōu)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(fā)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(fā)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(fā)動機的熱端部件等 1 固體火箭發(fā)動機噴管上的應用 C C復合材料自20世紀70年代首次作為固體火箭發(fā)動機 SRM 喉襯飛行成功 以來 極大地推動了SRM噴管材料的發(fā)展 采用C C復合材料的喉襯 擴張段 延伸出口錐 具有極低的燒蝕率和良好的燒蝕輪廓 可提高噴管效率 l 3 即可大大提高sRM的比沖 喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基 C C復合材料 增強體多為整體針刺碳氈 多向編織等 并在表面涂覆Sic以提 高抗氧化性和抗沖蝕能力 2 剎車領域的應用 C C復合材料剎車盤的實驗性研究于1973年第一次 用于飛機剎車 目前 一半以上的C C復合材料用作飛機剎車裝置 高性能剎 車材料 要求高比熱容 高熔點以及高溫下的強度 C C復合材料正好適應了 這一要求 制作的飛機剎車盤重量輕 耐溫高 比熱容比鋼高2 5倍 同金屬 剎車材料相比 可節(jié)省40 的結構重量 碳剎車盤的使用壽命是金屬基的5 7 倍 剎車力矩平穩(wěn) 剎車時噪聲小 因此碳剎車盤的問世被認為是剎車材料發(fā) 展史上的一次重大的技術進步 目前法國歐洲動力 碳工業(yè)等公司已批量生產c 妃復合材料剎車片 英國鄧祿普公司也已大量生產C C復合材料剎車片 用于 賽車 火車和戰(zhàn)斗機的剎車材料 六 b C C復合材料的性能的提高方法 1 耐燒蝕性能的提高針對固體火箭發(fā)動機噴管喉襯材料的應用 重點在于 C C復合材料的耐燒蝕性能 目前 常采用C C滲銅 Cu 或C C滲難熔金屬碳 化物 Tac HfC z芘 兩種方法進行提高C C復合材料的耐燒蝕性能 從而滿足 新一代火箭喉襯材料的需求 2 耐摩擦磨損性能研究C C復合材料耐摩擦磨摜陛能優(yōu)異 其摩擦因6合 成纖維SFC2011 No 1數(shù)適當且穩(wěn)定 飛機剎車用C C復合材料 壽命提高近5 倍 剎車性能也明顯高于粉末冶金剎車材料f笠 蠲 70年代中期 英國Dunlop 航空公司的C C復合材料剎車片首次在協(xié)和式飛機上試飛成功以來 得到很大 發(fā)展 已廣泛應用于高速軍用飛機和大型高音速民用客機 F16 B737 B757 B767及暴風雪等型號 目前航空剎車用C C復合材料主要由 世界上的五家公司生產 它們是法國的Messier 美國的 Goodrich Bendix Goodyear及英國的Dunlop 七 C C復合材料發(fā)展趨勢展望 C C復合材料自20世紀60年代發(fā)明以來 就受到軍事 航空航天 核能以 及許多民用工業(yè)領域的極大關注 然而 由于C C復合材料制造工藝復雜 技 術難度大 原材料價格昂貴 產品成本長期居高不下 其用途仍然限制在一些 工作條件苛刻的部位 以及其它材料不能替代的航空航天和軍事領域 目前在 C C復合材料研究領域 最需要解決的問題是 研究高效 低成本 快速制備 工藝方法 研究能在1 800 以上長期使用的抗氧化涂層 研究高性能耐燒蝕 C C復合材料并應用于固體火箭喉襯材料 改進C C復合材料的摩擦磨損性能 使之萬方數(shù)據(jù)更加滿足于剎車材料的應用 C C復合材料與人體硬組織有優(yōu)異 的生物相容性 其彈性模量與人體骨接近 在人體承重骨替換領域具有廣闊的 應用前景 有關C C復合材料的基本理論問題 如界面結合 斷裂行為 高溫性能的 研究 仍有待進一步完善 另外一些相關的領域如碳碳復合材料的無損檢測 質量評價 力學模型 計算 設計等問題也有待解決 參考文獻 l 沈曾民 新型碳材料 M 化學工業(yè)出版社 2003 9 470 2 白瑞成 李賀軍 李克智等 工藝因素對呲復合材料IcVI致密化的影 響 材料科學與工程學報 2008 26 6 827 831 3 陳少杰 張教強 郭銀明 榭碳復合材料高溫抗氧化涂層的研