碳碳復合材料及其應用

1、中國地質大學（北京） 期末考試論文專用課程名稱：復合材料與工藝 班號：10031021 學號：1003102122 姓名：江文波 成績： 碳/碳復合材料及其應用江文波(中國地質大學（北京）材料科學與工程學院10031021班1003102122, 北京，100083)摘要：綜述了碳碳復合材料的各種制備方法，性能特性，主要缺陷及改進措施，材料間的連接工藝，及其在航空航天領域的應主要用等關鍵詞：碳碳復合材料；特性及性能；制備工藝；抗氧化處理；連接；應用；展望引言：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。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)

2、長纖維及編織物。各種類型的碳纖維都可用于碳/碳復合材料的增強體。C/C 復合材料在高溫氧化性氣氛下極易氧化，并且氧化速率隨著溫度的升高迅速增大，必需進行抗氧化處理，若無抗氧化措施，在高溫氧化環(huán)境中長時間使用C/C 復合材料必將引起災難性后果。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。1碳碳復合材料特性及性能11.1碳碳復合材料特性C/C復合材料是新

3、材料領域中重點研究和開發(fā)的一種新型超高溫材料，它具有以下顯著特點：(1)密度小(<2.0 g/cm )，僅為鎳基高溫合金的1/4，陶瓷材料的1/2，這一點對許多結構或裝備要求輕型化至關重要。(2)高溫力學性能極佳。溫度升高至2 200 ，其強度不僅不降低，甚至比在室溫時還高，這是其他結構材料所無法比擬的。(3)抗燒蝕性能良好，燒蝕均勻，可以用于3 000 以上高溫短時間燒蝕的環(huán)境中，如火箭發(fā)動機噴管、喉襯等。(4)摩擦磨損性能優(yōu)異，其摩擦系數(shù)小，性能穩(wěn)定，是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料。(5)具有其他復合材料的特征，如高強度、高模量、高疲勞度和蠕變性能等。1.2碳碳復合材料性能1.2

4、.1 石墨化度與性能的關系石墨化度對C/C復合材料力學性能的影響非常復雜，不同作者得到的結果不同，有的甚至相反。對于碳纖維，通常，隨著熱處理溫度升高，強度先升高后降低，轉折溫度點約為1 900 。對于C/C材料，Granoff等發(fā)現(xiàn)，石墨化處理使CVD熱解碳基體復合材料的彎曲強度和模量降低；而Tzeng等發(fā)現(xiàn)，石墨化處理使酚醛樹脂碳基體復合材料的彎曲強度和模量升高。Twashita等認為，各向同性基體C/C復合材料的強度和模量隨著熱處理溫度升高而提高，但各向異性基體C/C復合材料卻相反。碳纖維的預石墨化處理對C/C力學性能也有影響。Serizawaa等發(fā)現(xiàn)，碳纖維預處理溫度不同的2種C/C材料

5、的彈性模量隨熱處理溫度變化的趨勢相反。1.2.2 C/C復合材料的力學性能C/C復合材料的力學性能，主要取決于碳纖維的種類、取向、含量以及制備工藝。單向增強的CFC，沿碳纖維長度方向的力學性能比垂直方向的高出幾十倍。CFC的高強高模量特性來自碳纖維，隨著溫度的升高，CFC的強度不降反升，而且要比室溫下的強度還要高。在1 000 以上，強度最低的CFC的比強度也較耐熱合金和陶瓷材料高。1.2.3 C/C復合材料的斷裂性能C/C復合材料制成的構件在承受載荷的狀態(tài)下，當受力超出其蠕變極限時，既不會突然折斷，也不會顯示出金屬的塑性，而呈現(xiàn)非線性斷裂方式。加在C/C復合材料上的應力起初只是造成少數(shù)纖維斷

6、裂，只有在重復拉伸時才發(fā)生失效現(xiàn)象。1.2.4 C/C復合材料的熱彎曲強度同其他陶瓷和金屬高溫材料不同的是C/C復合材料的強度隨溫度的升高而提高。在高溫下材料處于基本無應力狀態(tài)，隨著材料的冷卻，材料內部的應力逐漸形成，并產生一些殘余應力。這是造成在常溫下強度低，而在高溫下（1 0002 000 ）強度高的原因。1.2.5 C/C復合材料的電阻率C/C復合材料的電阻率不受重復加熱的影響，并隨石墨化程度的增大材料的電阻率降低。導電性能好，且具有屏蔽電磁波的功能，對X射線的透過性好。此外，碳纖維還具有吸能減振功能。盡管生產工藝參數(shù)相同（如：致密化處理和熱處理溫度），不同纏繞方式的管材及不同纖維排列的

7、板材其電阻率也相差很大，比如纖維同管軸線平行排列的越少則其電阻率越高。1.2.6 C/C復合材料的導熱性C/C復合材料的導熱性受纖維的排列方向、基體碳種類以及熱處理溫度的影響。如雙向排列纖維材料的導熱性在常溫下通常為5150 W/m·K，導熱性最大（500W/m·K）的C/C復合材料是專為核聚變工廠研制的，采用超高處理溫度并能形成極好的石墨基材結構。C/C復合材料抗溫度波動性比其他大多數(shù)陶瓷基材料和金屬要好，同時它在高溫工作時動態(tài)強度好。這是它在高溫用途中被廣泛使用的關鍵。1.2.7 C/C復合材料的氧化性能C/C復合材料主要用于真空或保護氣氛中，氧化是在高溫下有氧氣存在的

8、情況下發(fā)生的。C/C復合材料的氧化過程由氣體介質中的氧流動至材料邊界開始。反應氣體吸附在材料表面，通過材料本身的孔隙向材料內部擴散，以材料缺陷為活性中心，碳纖維及其C/C復合材料在雜質微粒的催化作用下發(fā)生氧化反應， 生成的CO或CO 氣體最終從材料表面脫附。氧化的程度取決于氧氣的分壓，也與材料的類型有關。在空氣中，碳材料在300 左右開始氧化，石墨化C/C復合材料在350 左右開始氧化。氧化速率也取決于基體碳的性質、孔隙度、雜質的催化氧化性能以及周圍氣體運動速率和其他組成成分（如：水分含量）。通過濕潤抗氧化劑或涂以碳化硅可改善材料的抗氧化性。具體應用中，溫度是關鍵因素，需要通過初步實驗和具體情

9、形決定。1.2.8 C/C復合材料的耐化學腐蝕性C/C復合材料耐油、耐酸、耐腐蝕性能好，與生物有很好的相容性。除了強氧化劑外，濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮、堿都對其不起作用。而在高溫下，某些金屬特別是過渡金屬（如：鐵、鎳和鈷）在碳存在的情況下，在高溫條件下會起催化作用使C/C復合材料形成碳化物。2碳碳復合材料的制備工藝現(xiàn)狀2-9C/C復合材料的制備工藝非常多，僅介紹比較先進的幾種。 2.1化學氣相沉積（CVD）法或化學氣相滲（CVI）透法化學氣相沉積（CVD）法或化學氣相滲透（CVI）法是獲得高性能復合材料的首選方法。等溫CVD法在大規(guī)模工業(yè)生產中應用比較廣泛, 技術也較成熟。但是，等溫CVD

10、法容易在致密坯體表面形成涂層硬殼，封閉了沉積氣體流向胚體內的通道, 這不僅需要反復進行中間機加工去除表面硬殼層，而且還必須通過中間高溫熱處理打開閉口孔隙，因此制備周期相當長。生產周期長導致了復合材料成本的升高。為研制出制備周期短和成本低的高性能復合材料, 廣大科研人員在等溫的基礎上作了一些重大改進。2.1.1 改進的壓差等溫CVD法羅瑞盈等3改進了壓差等溫CVD法，借助于爐膛內設置的沉積室和氣體定向流動裝置，并配合沉積工藝參數(shù)的調整，能夠使低溫氣體快速流動到試樣坯體內部進行沉積，從而不必進行中間機加工和中間高溫熱處理。利用改進的壓差法制備C/C復合材料可使制備周期縮短至原工藝的40，大幅度降低

11、了生產成本，簡化了工藝。2.1.2 熱梯度式（差溫式）CVD技術鄒志強等4將熱梯度式CVD技術應用于碳剎車盤的制備，其基本思路是在碳盤工件的徑向（而不是厚度方向）形成溫度梯度，并通過壓差使碳源氣逆溫度梯度定向流動，從而提高了增密速度。并研究了溫度、氣氛壓力及其流量等參數(shù)對CVD增密過程的影響。發(fā)現(xiàn)當溫度、氣氛壓力搭配合理時，熱梯度式CVD增密效果大大優(yōu)于均溫式，總致密時間僅為相應均溫式的1/3。若在差溫式CVD基礎上實現(xiàn)差溫-差壓式CVD可進一步改善CVD增密效果，為探索C/C復合航空剎車盤CVD增密工藝提供了良好的前景。2.1.3 強制流動熱梯度化學氣相滲透（FCVI）法FCVI法是一種制備

12、C/C復合材料的新工藝。該法使沉積氣體從預制體的低溫端流入，高溫端流出，預制體內溫度梯度方向與濃度梯度方向相反。當溫度梯度和濃度梯度搭配合適時，可以使預制體高溫端沉積速率最高，低溫端最低。經過一段時間后，由于這個區(qū)域沉積速率不同使預制體內密度不均勻，導致預制體的導熱系數(shù)改變，其溫度梯度、沉積速率分布也隨之改變，使靠近低溫端區(qū)域的沉積速率增大，靠近高溫端的沉積速率減小，從而使預制體的致密化分層進行5。2.1.4 HCVI法中科院金屬所劉文川等6發(fā)明了一種新的化學氣相滲透技術，稱為HCVI。HCVI法是在熱梯度法基礎上，利用電磁藕合原理使反應氣體中間產物，即自由基在交變電磁場作用下更加活潑、碰撞幾

13、率增多，從而提高了沉積速率。試驗表明，用HCVI法沉積速率提高了3050倍，沉積200mm×100mm×25mm的樣品，只用時約20h，材料整體密度達1.7g/cm3以上。若將HCVI法應用于制備飛機剎車片，生產周期將大大縮短，成本也將大幅度下降，從而為C/C復合材料的發(fā)展提供了競爭力。 2.2模壓法模壓法是制備C/C復合材料的一種簡單、高效的方法。以短纖維為增強體，加人粘結劑，使粘結劑與纖維充分粘結，在適當?shù)臏囟群蛪毫ο履?，制得初坯體，然后致密化處理。該法既可降低C/C復合材料的成本, 又可得到各向同性的制品，可用作摩擦材料和防熱材料。沈曾民等7研究表明溫度和壓力是C/

14、C復合材料初坯體模壓成型的重要工藝參數(shù)，必須合理選擇。溫度低時，由于瀝青的粘度高、流動性差而無法成型；壓力低，則初坯體的密度低；溫度過高或壓力過高都會因物料溢出而造成初坯體的密度下降甚至破裂。 2.3化學液氣相滲透致密（CLVD）法張曉虎等8探索了另一種C/C復合材料制備方法即快速化學液氣相滲透致密CLVD法，沉積3h內可獲得密度達1.74g/cm3的C/C復合材料。該法以環(huán)形碳氈制件（160mm×80mm×10mm）為預制體，以液態(tài)低分子有機物（CYH和KEE）作為碳源前驅體，將預制體浸泡在液體碳源前驅體中，利用輻射加熱，在預制體范圍內造成由內而外的溫度梯度。在901 1

15、00沉積溫度范圍內, 碳纖維表面最大沉積速度為64 um/h，比等溫CVI的沉積速率0.10.25 um/h快2個數(shù)量級以上，是一種很有發(fā)展前途的制備方法。2.4碳粉燒結法 碳粉燒結法制備C/C復合材料只需3d，彎曲強度可達260MPa，開孔率為8.5%，而且可以在基體中加入陶瓷，改善其抗氧化性能該法首先將能自燒結的碳粉和電泳的載體物質混合，再將這種混合物彌散在水中，并將碳纖維或碳布浸人其中。當電流通過碳布和插人水中的電極之間時，帶有電荷的碳粉開始移向碳布并沉積在碳布表面。最后, 沉積好的碳布經熱壓10h9，既得到C/C復合材料。3碳/碳復合材料的抗氧化處理10-14,19碳纖維在空氣中，于3

16、60 開始氧化，石墨纖維要略好于碳纖維，其開始氧化的溫度為420 ，C/C 復合材料的氧化溫度為450 左右。C/C 復合材料在高溫氧化性氣氛下極易氧化，并且氧化速率隨著溫度的升高迅速增大，若無抗氧化措施，在高溫氧化環(huán)境中長時間使用C/C 復合材料必將引起災難性后果。因此，C/C 復合材料的抗氧化處理已成為其制備工藝中不可缺少的組成部分11-14。從抗氧化技術的途徑上看，可分為內部抗氧化技術和抗氧化涂層技術。 3.1內部抗氧化技術 內部抗氧化技術是從兩方面來解決C/C 復合材料的抗氧化問題。（1）改進纖維的抗氧化問題。纖維抗氧化性能的提高手段有兩種，一是提高纖維的石墨化度，從而提高纖維的抗氧化

17、性；另一種方法是在纖維的表面進行涂層，使纖維得到保護。（2）提高C/C 材料基體的抗氧化性?？梢酝ㄟ^加入氧化抑制劑的方法來提高C/C 材料基體的抗氧化性，如加入含磷化合物等，通過磷與氧的作用，使氧失去氧化活性，從而達到抗氧化的目的，但效果并不理想。另外一種方法是在基體中加入抗氧化組分，如重金屬、陶瓷等可以提高C/C 復合材料的抗氧化性；還可以在基體中加入有機硅、有機鈦等，使基體C被SiC和TiC取代，也可達到抗氧化的目的。一般來說，內部抗氧化方法，只能解決1000 以下的C/C 復合材料的氧化防護問題，更高溫度的抗氧化問題的解決還需要與其它抗氧化技術相結合。高溫長壽命防氧化必須依賴涂層技術，尤

18、其是1 7001 800下長期防氧化問題還有待于解決。 3.2抗氧化涂層3.2.1 抗氧化涂層的基本要求C/C復合材料抗氧化涂層的影響因素如圖2 所示。C/C 復合材料的抗氧化涂層須滿足以下基本要求：（1）抗氧化涂層的氧化滲透率要低，能夠有效阻止氧的侵入；（2）抗氧化涂層要能減少碳向外擴散，這點對含有氧化物的涂層尤為重要，因為氧化物易被C 還原；（3）涂層與基體碳之間要能良好結合，形成較高的結合強度，對多層涂層來說，各層之間也要有良好的結合強度，以免分層或脫落；（4）涂層與基體、涂層的各層之間的熱膨脹系數(shù)要盡可能接近，避免在較大的熱應力作用下涂層出現(xiàn)裂紋或剝落；（5）涂層要能承受一定的壓力、沖

19、擊力并且耐腐蝕，以保證C/C 復合材料的使用性能；（6）涂層與基體涂層之間在高溫下不能相互反應，或發(fā)生高溫分解；（7）涂層材料的蒸汽壓要低，以防止涂層的揮發(fā)。圖1 C/C復合材料抗氧化涂層的影響因素 圖2 C/C復合材1 800 以上抗氧化涂層體系3.2.2 復合涂層體系從抗氧化涂層的要求上看，單一涂層是無法滿足C/C 復合材料抗氧化的要求，所以必須選用復合涂層，各層之間相互協(xié)調、相互彌補。一般情況下，一個完整的涂層體系由以下三方面組成。（1）氧阻擋層。氧阻擋層的作用是防止氧的侵入，因而該層應具有氣體滲透率低的特點。（2）功能活性層。為了保證C/C 復合材料在高溫下能長期使用，在抗氧化涂層的氧

20、阻隔層下還要有一層功能活性層，其作用是，當氧阻擋層產生裂紋時，能夠對裂紋起到封填作用。（3）黏結層。黏結層的作用是減小涂層與基體之間的熱膨脹系數(shù)（CET） 的不匹配程度，阻止基體碳向外擴散，阻止基體碳與涂層間的化學反應。最常見的黏結層為SiC 和Si3N4。其中Si3N4 的CET更接近C/C復合材料。3.2.3 1 800以上抗氧化涂層體系多層抗氧化涂層設計的概念是把功能不同的抗氧化涂層結合起來，讓它們發(fā)揮各自的作用，從而達到更滿意的抗氧化效果。近年來，科學家們對C/C 復合材料超高溫抗氧化涂層進行了探索性研究。為適合1 800 以上抗氧化防護的涂層技術，Savage 提出了四層抗氧化涂層思

21、想，其結構由內而外依次如圖3所示。這種四層結構的設計思路被認為是適合1 800 以上抗氧化防護的涂層技術。3.2.4 抗氧化涂層研究工作重點高溫抗氧化研究一直是熱結構C/C 復合材料研究領域的熱點和難點。近年來，通過國內外研究學者的共同努力，該材料抗氧化涂層研究取得了突破性進展。然而，C/C 復合材料抗氧化涂層研究仍有許多問題懸而未決，下一步的研究工作重點在于：（1）解決涂層與C/C 復合材料基體的熱膨脹匹配性問題。（2）提高涂層的高溫穩(wěn)定性。（3）全溫區(qū)抗氧化涂層研究。（4）提高涂層的抗高溫沖刷性能。（5）針對零件的涂層研究。4 碳/碳復合材料連接研究進展15工程技術的快速發(fā)展，迫切需要具有

22、大尺寸或復雜形狀的構件來滿足特殊的使用要求。由于受到預制體編制技術和CVI 工藝自身限制，直接制備大型復雜形狀碳/ 碳復合材料構件難度較大，成本高昂。通常，經濟可行的解決途徑就是利用簡單形狀碳/ 碳復合材料通過二次連接來獲得復雜形狀的構件。4.1 碳/ 碳復合材料自身連接研究進展 碳/ 碳復合材料汽化溫度超過3000 e，不能采用傳統(tǒng)的熔化方法進行焊接。最簡單的連接方法就是機械連接，即采用螺栓、螺釘?shù)葯C械緊固的方式實現(xiàn)碳/ 碳復合材料的連接。碳/ 碳復合材料的連接通常需要引入中間過渡層，根據(jù)連接機理不同，主要可分為固相擴散連接、活性金屬釬焊和玻璃連接等。 4.1.1 固相擴散連接 固相擴散連接

23、是在高溫高壓環(huán)境下，一邊中間層材料發(fā)生原位化學反應，一邊界面處元素相互擴散，反應和擴散的結果是在連接界面處形成穩(wěn)定的界面層，從而獲得高溫高強接頭。中間層材料可以是高溫合金、陶瓷粉體，也可以是陶瓷有機前驅體。 4.1.2 活性金屬釬焊 活性金屬釬焊是利用釬料中的活性組元與碳/ 碳復合材料基體發(fā)生反應，通過改善界面潤濕性或在界面處形成穩(wěn)定的反應層而得到高強接頭的連接方法。通常活性元素包括Si、Ti、Zr、Pd 等。 4.1.3玻璃連接玻璃具有其他材料無可比擬的特性，通過調整玻璃組分，可以制備出與連接母材熱膨脹系數(shù)相匹配的玻璃材料。 4.2碳/ 碳與金屬的連接研究進展 4.2.1 碳/ 碳復合材料與

24、銅的連接在國際熱核實驗反應堆垂直轉向靶冷卻系統(tǒng)中，碳/ 碳復合材料由于綜合性能優(yōu)異，被成功選作第一壁防護材料， 用以保護內層銅合金冷卻管。碳/ 碳復合材料和銅合金連接必須解決兩方面的難題, 即熱膨脹系數(shù)差異大和不能相互潤濕。奧地利Plansee GE 公司最早于1992 年發(fā)明活性金屬澆鑄(AMC ) 法，實現(xiàn)了高導熱碳/ 碳復合材料與銅合金( CuZrCr)的連接。該方法首先借助激光在碳/ 碳復合材料表面刻槽，再利用物理氣相沉積在表面沉積Ti 薄膜，接著將約0. 5mm厚的軟質純銅澆鑄于待焊表面，冷卻后采用銀基焊料對軟質純銅和CuZrCr 合金進行釬焊，得到了高強度的3DC2C/ Cu合金連

25、接構件。引入軟質純銅中間層的目的是利用純銅良好的延展性來消除界面殘余熱應力。AMC工藝所得的接頭強度優(yōu)異， 但激光加工成本高。針對碳/ 碳復合材料與軟質純銅之間熱膨脹系數(shù)差異大的問題，日本學者M.Matsuda 等提出采用梯度過渡連接層的思路，設計并制備了Cu2Fe2Cu 膜/Mo片/ Fe2Cu2Ag 膜多層中間層體系，利用傳統(tǒng)釬焊工藝獲得了良好接頭。為了使碳/ 碳復合材料始終可以與銅合金保持緊密接觸，法國學者G. Chaumat等提出了壓力輔助釬焊法。該法以Ag68.8%2Cu26.7%2Ti4.5% 為釬料，利用熱等靜壓對碳/ 碳復合材料( SEPCARBN11) 和無氧高導電銅管施加外

26、壓，從而獲得高強度接頭。接頭的金相分析表明，外壓的存在加大了釬料滲入碳/ 碳復合材料基體的深度，使構件的連接強度遠遠高于無壓釬焊時的連接強度。4.2.2 碳/ 碳復合材料與其他金屬的連接低密度、高比強度加之高導熱的特點，使得碳/ 碳復合材料可以用作深空探測裝置和太空飛船溫控系統(tǒng)的換熱部件。M Singh 等研究了2D 碳/ 碳復合材料與鈦管的連接。試驗分別利用Cu2ABA、TiCuNi、TiCuSi 3 種金屬箔作為中間層進行真空釬焊連接。研究結果表明，連接強度與金屬的潤濕性和碳/ 碳復合材料的取向密切相關。相比較而言，Cu2ABA 釬料與碳/ 碳復合材料潤濕性最好，結合面積最大，釬焊接頭負載

27、能力最高。纖維垂直于管材軸向時所得的接頭強度高于纖維平行于管材軸向時所得的接頭強度。 4.3 計算材料學在材料連接中的應用近年來隨著各種計算分析軟件( 如ANSYS、ABAQUS、MATLAB) 的發(fā)展和完善， 計算材料學在材料連接方面的應用也有了長足的進步。由于碳/ 碳復合材料的制備周期長，連接工藝復雜，研究成本高，如果能通過數(shù)學模型精確計算碳/ 碳復合材料界面的殘余應力和預測可能的裂紋起始位置，找到緩解熱應力的最佳方案，將對提高材料連接強度、保證連接件可靠性和降低研究成本具有一定的理論指導意義和實際應用價值。5 碳/碳復合材料的主要兩大應用領域16-18 C/C 復合材料作為優(yōu)異的熱結構、

28、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。 5.1 碳/碳復合材料在高能剎車副中的應用16飛機高能盤式剎車副經受很高的熱負荷作用飛機的強大動能在極短的時間內轉換成熱能, 剎車盤的溫度在瞬時達到攝氏10001300度。剎車副的熱庫材料要經受數(shù)百次的高溫沖擊和機械剎車的摩擦磨損, 其物理化學性能和機械性能要求保持穩(wěn)定?？量痰囊笃仁谷藗儾粩嗵剿?。1963年, 洛克希德公司生產的

29、C - 5A 飛機選用了鈹作為剎車裝置的熱庫材料, 結束了用鋼鐵材料作熱庫材料的一統(tǒng)天下。1966年, 碳/ 碳復合材料開始應用到飛機剎車裝置上。5.1.1早期的熱庫材料金屬鈹1963年, 金屬鈹開始用于高能剎車副。金屬鈹是一種很好的勢庫材料, 它的比熱高,導熱性好, 密度低。比熱高, 熱容量大, 可防止溫升過大, 導熱性好, 可將剎車引起的熱量迅速傳到整個剎車盤上。由于鈹?shù)拿芏鹊? 可以減少剎車副的重量。鈹作為熱庫材料用于C- 5A , S- 3A , F- 14等飛機的剎車副中。但是, 鈹材料劇烈的毒性引起了人們的警惕。5.1.2碳/碳復合材料、鈹材料結合制作熱庫Bermingham P

30、D( 1973, U. S. Patent 3,724, 613, Go ody ear )描述的結構是用鈹和C/C復合材料作成裝配式結構的摩擦動盤和摩擦靜盤。鈹材料作成環(huán)形的心盤, C/ C復合材料作成環(huán)形的摩擦盤。環(huán)形的C/ C 復合材料摩擦盤通過鉚釘鉚接在芯盤上, C/ C盤上的鍵槽與芯盤上的鍵槽對準, 共同傳遞剎車力矩。剎車盤采用鈹心盤的目的主要是要保證剎車結構可靠、重量輕、熱庫熱容量大。C/C復合材料摩擦層可以作成一個整環(huán), 也可作成多個扇形塊。為了達到所要求的性能, C/C復合材料中的石墨和碳至少占總體積的75% ,其他體積分量主要是加強材料, 如W, Si, C化物和其他高溫添加

31、劑。另外, 還得加入B, W, Si碳化物, Zr , Ti等抗氧化劑等。5.1.3 碳/ 碳復合材料制作熱庫碳/ 碳復合材料是碳或石墨基體采用碳或石墨纖維增強的復合材料。它高溫強度高,熱膨脹系數(shù)低, 它有高的耐熱震性, 韌性好,耐腐蝕和磨蝕。其超越金屬材料和陶瓷材料的比強度和耐高溫能力, 使之在需要高溫結構材料的地方有廣闊的應用前景。C/ C剎車副的結構、材質、抗氧化技術日臻完善。但是, 有兩個主要的因素限制了它的應用: 一是C/ C材料在大氣中容易氧化, 二是它的成本高。C/ C材料的生產過程的高成本, 一是由于碳纖維本身的價格, 二是C/ C復合材料在生產過程中, 需要反復在高溫冶金爐中

32、進行處理, 能量消耗大,成本高。在多維碳纖維增強材料中, 復雜的編織工藝及編織消耗的時間等等, 盡管有的已經采用了機器編織, 但編織所增加的費用也是很可觀的。協(xié)和、波音、空中客車及其他高性能民用和軍用飛機的盤式剎車副均采用C/ C復合材料作為熱庫材料。對于民用飛機, 成本是一個非常重要的問題, 需要組織批量生產, 才能達到規(guī)模效益。除了飛機剎車副以外, 賽車、高速列車的盤式剎車等也采用了C/ C復合材料。高比強度、高比熱、低原子量, 在元素周期表的前面13 個元素中, 前6 個元素是氣體, 其他如硼、鋰、鋁等, 由于強度低, 熔點低,不可能用作剎車副熱庫材料。鈹?shù)膹姸? 溫度值低于鋼, 氧化鈹

33、又有劇毒, 其機械加工費用高, 不適合于用作摩擦材料, 它的重量節(jié)省潛力也不能完全達到要求, 特別是環(huán)境不容許使用有害人體健康的材料作為摩擦材料。結果只有碳元素能夠滿足要求。不同的材料或不同的剎車副結構的熱容量、重量對比情況見表1表1 剎車副結構的熱容量、重量對比情況1990年, C/ C剎車盤年產量為12萬盤,市場主要被6 家公司占有。國內近年購入的客機中, 大多使用C/ C剎車副?，F(xiàn)在年需要C/ C剎車盤在7000盤以上。據(jù)預測, 明年的需求量在10, 000盤上下, 2000年, 需要13,000盤, 2005年, 需要20, 500盤。按目前的碳盤價格, 碳盤進口花費將達到2. 5億元

34、人民幣。就全世界來看, C/ C剎車副的應用愈來愈廣, 中國占的份額越來越大, 在中國開發(fā)C/ C剎車材料有著極大的技術經濟效益和社會效益。 5.2 碳/碳復合材料制火箭發(fā)動機噴管17-18固體發(fā)動機噴管屬于非冷卻型,工作環(huán)境極其惡劣。特別是喉部的高溫、高壓二相流燃氣的機械沖刷、化學侵蝕和熱沖擊十分嚴厲,材料選擇是現(xiàn)代固體火箭推進的重大關鍵技術。早期的噴管多使用復合型結構,即以金屬或高強度玻璃鋼為結構材料,高熔點金屬或優(yōu)質石墨為耐熱吸熱材料,燒蝕型增強塑料為絕熱材料。其結構復雜,配合界面多,質量大,工藝周期長,也增加了不可靠度。80 年代以來,發(fā)展高性能固體發(fā)動機的主攻方向由“高能”轉向“輕質

35、、可控”,對降低噴管質量的要求十分迫切,高性能發(fā)動機噴管沖質比要求已達到150 000 N·s/kg 以上。正是性能優(yōu)異的多向編織碳/ 碳材料的涌現(xiàn),從根本上解決了這個矛盾,實現(xiàn)了噴管技術的飛躍,表2 列出幾種先進固體發(fā)動機噴管材料應用情況?；鸺l(fā)動機噴管采用的碳/碳材料, 以粘膠絲系的碳纖維經緯向交叉預浸材一料作為增強材料, 而作為基體材料, 初期采用了酚醛樹脂, 充填劑是煤和石油混合物中殘留的瀝青。材料的性能示于表318。對于后來的噴管, 由于補加了一些處理方法, 在表面上會分解出碳氫化合物氣體, 存在有CVD的碳層。當初, 雖然以各種纖維系列和粘合劑系列的組合為起點, 但從結果

36、來看, 這樣組合還是比較好的, 連制品都能夠做得出來。表2 先進固體發(fā)動機噴管材料應用17表3 碳/碳復合材料性能指數(shù)18碳/碳復合材料是一種碳纖維增強碳基體復合材料,它具有一系列優(yōu)異性能,特別適于固體發(fā)動機噴管應用。其抗拉強度是高強石墨的38倍,模量是712倍;抗熱震性能優(yōu)良;耐燒蝕性強而均勻,且可預示性能特別好;性能可設計性突出;便于制成大型、復雜形狀的產品,因而為整體式噴管創(chuàng)造了條件。采用碳/ 碳材料后大大地簡化了噴管設計,噴管質量減輕30 %50 % ,已成為固體發(fā)動機噴管喉襯的首選材料,應用十分普遍。尺寸最大的碳/ 碳喉襯內徑已達900 mm;先進的發(fā)動機,如美國MX導彈、“侏儒”導

37、彈等多使用無支撐件的整體式喉襯-入口段組件(ITE) ,繼后還開發(fā)了整體式喉襯-出口錐組件(ITEC) 。當前先進的碳/ 碳喉襯密度為1.87g/cm31.97g/cm3 ; 環(huán)向拉伸強度75 MPa115MPa ;燒蝕率取決于燃燒室壓強及推進劑等因素,一級發(fā)動機燒蝕率范圍為0.20 mm/s0.34 mm/s ,二級發(fā)動機為0.13 mm/s0.19 mm/s ,三級發(fā)動機為0. 08 mm/ s0.13 mm/s。大部分喉襯預制增強件采用3D 和4D 編織成型,由微機控制的自動織機完成,精度已相當高。美國主要使用3D 編織碳/ 碳,用軟編織或混合編織法成型,法國則比較多使用4D碳/ 碳,剛

38、性棒編織,各束互成夾角70. 5°,纖維體積分數(shù)可達68% ,因此性能更高些。高性能發(fā)動機的噴管出口錐也逐漸趨向于使用碳/碳材料,可延伸錐則基本上都使用碳/碳材料,多數(shù)是以人造絲為前驅體的2D 碳/碳,典型的發(fā)動機是美國的“星”系列上面級,已進行了數(shù)百次實際飛行。這種編織物層間剪切強度低,與喉襯間要通過3D 碳/碳連接件進行連接,并由3D 碳/碳件提供所需的剛度。降低成本是碳/碳材料普及應用的一個重要因素,主要是致密工藝的改進。目前已開發(fā)的強制熱梯度化學氣相滲透工藝、快速致密工藝、等離子氣相沉積工藝,以及使用新型高殘?zhí)悸蕵渲膀岓w等均顯示了較好的效果。此外,降低成本還可以從提高工藝質量入手,美國大湖復合材料財團通過精確控制預制增強件的碳棒直徑,使固體發(fā)動機碳/ 碳噴管編織工藝時間縮短11% ,成本降低15%20%。6 碳/碳復合材料展望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