炭炭復合材料

1、炭/ 炭復合材料一、綜述炭/ 炭復合材料 （C/C） 是由炭纖維及其制品 （ 炭氈或炭布 ） 增強 的炭纖維復合材料。 C/C 的組成元素只有一個，即碳元素，因而 C/C 具有許多炭和石墨材料的優(yōu)點，如密度低 （ 石墨的理論密度為 2.2 g/cm3） 和優(yōu)異的熱性能，即高的導熱性、低熱膨脹系數(shù)以及對 熱沖擊不敏感等特性。作為新型結構材料， C/C 還具有優(yōu)異的力學性 能，如高溫下的高強度和模量，尤其是其隨溫度的升高，強度不但不 降低，反而升高的特性以及高斷裂韌性、低蠕變等性能。這些特性， 使C/C復合材料成為目前唯一可用于高溫達2800 C的高溫復合材料。 C/C 復合材料在航空航天、核能、

2、軍事以及許多工業(yè)領域受到極 大關注。二、C/C復合材料的應用世界各國均把 C/C 復合材料用作導彈及先進飛行器高溫區(qū)的 主要熱結構材料，隨著材料性能的不斷改進，其應用領域逐漸拓寬。1、航空航天領域的應用包括先進飛行器上的應用、固體火箭發(fā)動機 噴管上的應用、剎車領域的應用等。2、生物學上的應用 - 骨修復上 C/C 復合材料能控制孔隙的形態(tài)，這 是很重要的特性， 因為多孔結構經(jīng)處理后， 可使天然骨骼融入材料之 中，目前C/C復合材料在臨床上已有骨盤骨夾板和骨針的應用；人工 心臟瓣膜中耳修復材料也有研究報道 ; 人工齒根已取得了很好的臨床 應用效果。三、性能 (1) 物理性能 有耐酸、堿和鹽的化學

3、穩(wěn)定性，其比熱容大，熱導率隨石墨化程度的 提高而增大，線膨脹系數(shù)隨石墨化程度的提高而降低等優(yōu)越性能。(2) 力學性能 炭纖維長度方向的力學性能比垂直方向高出幾十倍， C/C 復合材料的 拉伸強度大于270 MPa單向高強度C/C復合材料可達700 MPa以 上。(3) 熱學及燒蝕性能C/C復合材料導熱性能好、熱膨脹系數(shù)低，因而熱沖擊能力很強，不 僅可用于高溫環(huán)境，而且適合溫度急劇變化的場合。其比熱容高，這 對于飛機剎車等需要吸收大量能量的應用場合非常有利。四、制備(1) 液相浸漬工藝液相浸漬工藝是制備C/C復合材料的一種主要工藝。它是采用含炭有 機物對坯體進行浸潰，然后在惰性氣氛下炭化、石墨化

4、，從而得到C/C復合材料。所需的工藝周期要短，成本要低，缺點是纖維與基體 結合不好。(2) 化學氣相滲積工藝 沉積炭的過程是氣相碳氫分子在加熱的纖維表面上 “裂解”沉積出炭， 副產(chǎn)物氫排掉。為炭填充的是纖維骨架中的空洞，整體不縮小，集體 不收縮，不會產(chǎn)生像浸漬樹脂和瀝青方法中基體出現(xiàn)的裂紋， 材料性能特別優(yōu)異 (3) 等溫法 該工藝是將纖維預制體置于等溫反應室內(nèi)， 在一定的反應壓力下， 讓 前驅體氣體不斷從預制體表面流過， 靠氣體的擴散作用， 氣體進入樣 品孔隙內(nèi)發(fā)生熱解反應并發(fā)生沉積。五、C/C復合材料的結構(1)基體炭的結構隨著炭材料研究領域的拓展與表征方法的不同， 研究者對熱解炭 微觀組

5、織結構進行不同層次的劃分。 Gray 等率先利用偏光顯微鏡對 不同微觀組織的熱解炭進行分類，他們把熱解炭分為三種基本類型： 各向同性、層狀、粒狀或柱狀結構。該分類方法被 Bokros 廣泛用于 表征流化床中不同條件下沉積在球形顆粒表面的熱解炭結構。 也有通 過深入研究化學氣相滲積法沉積在炭氈上的熱解炭結構， 根據(jù)熱解炭 在偏光顯微鏡下顯示的消光十字， 提出三種典型結構：各向同性結構， 幾乎沒有消光十字； 光滑層具有十分規(guī)則的消光十字； 粗糙層具有大 量不規(guī)則的消光十字。(1) 炭纖維的結構炭纖維是纖維狀的炭材料，由有機纖維原絲在1000 C以上的高溫下炭化形成，且含碳量在 90%以上的高性能纖

6、維材料。通常采用 的預制體是由聚丙烯腈(PAN)基炭纖維編織而成的。PAN基炭纖維是 各項異性石墨微晶沿纖維軸向擇優(yōu)取向的同質(zhì)多晶型復合材料體系。但有人認為： 石墨微晶的層平面在皮層沿纖維軸向排列有序， 芯 部呈現(xiàn)褶皺的紊亂形態(tài)，并在石墨層片之間存在錯綜復雜的空洞系 統(tǒng)。也有人提出的微原纖維模型認為， 微原纖維是炭纖維的基體結構 單元，有1030個基體炭網(wǎng)面構成微原纖維，再由它沿軸向擇優(yōu)取 向排列，堆疊成條帶結構。 炭纖維表面上有溝槽，溝槽寬度和深度不 等，平行于纖維軸向排列。(3) 界面結構對于 C/C 復合材料來說， 界面層起著把施加在整體材料上的力由 基體傳遞給炭纖維的作用。與其它纖維復合材料相比，C/C 復合材料的界面結構具有以下幾個特點： (1) 結構多層次： C/C 復合材料中存 在不同層次的界面層， 如炭纖維束內(nèi)以及束間的纖維基體界面， 基 體內(nèi)不同微觀結構之間的界面，基體與孔隙之間的界面等； (2) 形成 過程逐步完成； (3) 結構強烈地依賴于原材料和工藝條件。(4) 孔隙結構孔