碳碳復(fù)合材料的制備方法PPT課件

1、4.1 復(fù)合材料的基本概念和性能4.2 樹脂基復(fù)合材料的制備方法4.4 陶瓷基復(fù)合材料的制備方法4.5 碳/碳復(fù)合材料的制備方法第1頁/共36頁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。第2頁/共36頁v碳/碳復(fù)合材料由三種不同組分構(gòu)成，即、和。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。v通過碳纖維適當(dāng)?shù)娜∠蛟鰪?qiáng)，可得到通過碳纖維適當(dāng)?shù)娜∠蛟鰪?qiáng)，可得到力學(xué)性能優(yōu)良力學(xué)性能優(yōu)良的的材料，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。所提

2、高。 v碳碳/ /碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料抗熱沖擊抗熱沖擊和和抗熱導(dǎo)能力抗熱導(dǎo)能力極強(qiáng)，且具有極強(qiáng)，且具有一定的一定的化學(xué)惰性化學(xué)惰性。 第3頁/共36頁v碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展主要受宇航工業(yè)發(fā)展的影響。它具有、，和等一些列優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種高性能的燒蝕材料。碳/碳復(fù)合材料可以作為導(dǎo)彈的鼻錐，燒蝕率低且燒蝕均勻，從而提高導(dǎo)彈的突防能力和命中率。第4頁/共36頁v碳/碳復(fù)合材料還具有優(yōu)異的和，使其在飛機(jī)剎車片和軸承等方面得到了應(yīng)用；它也可以作為飛機(jī)的剎車盤。C/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用C/C作為剎車盤第5頁/共36頁v碳與，再加上碳/碳復(fù)合材料的，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

3、骨骼、心臟瓣膜等。人工心臟瓣膜人工心臟瓣膜人造骨骼關(guān)節(jié)人造骨骼關(guān)節(jié)第6頁/共36頁v鑒于碳/碳復(fù)合材料具有系列優(yōu)異性能，它們?cè)谟钪骘w船、人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)、導(dǎo)彈、原子能、航空以及一般工業(yè)部門中得到了日益廣泛的應(yīng)用。v今后，隨著生產(chǎn)技術(shù)的革新，產(chǎn)量進(jìn)一步擴(kuò)大，廉價(jià)瀝青基碳纖維的開發(fā)及復(fù)合工藝的改進(jìn)，碳/碳復(fù)合材料將會(huì)有更大的發(fā)展。第7頁/共36頁v碳/碳復(fù)合材料的成型加工方法很多，其各種工藝過程大致可歸納為下圖幾種方法：第8頁/共36頁在沉碳和浸漬樹脂或?yàn)r青之前，增強(qiáng)碳纖維或其織物應(yīng)預(yù)先成型為一種坯體。坯體可通過、或噴射成型、以及等方法制得。v碳纖維長(zhǎng)絲或帶纏繞碳纖維長(zhǎng)絲或帶纏繞方法，可根據(jù)不同

4、的要求和用方法，可根據(jù)不同的要求和用途選擇適宜的纏繞方法。途選擇適宜的纏繞方法。第9頁/共36頁v碳?xì)痔細(xì)挚捎扇嗽旖z氈碳化或聚丙烯腈預(yù)氧化、碳化后可由人造絲氈碳化或聚丙烯腈預(yù)氧化、碳化后制得。碳?xì)织B層后，可以碳纖維在制得。碳?xì)织B層后，可以碳纖維在X、Y、Z的方向的方向三向增強(qiáng)，制得三向增強(qiáng)氈，如下圖所示。三向增強(qiáng)，制得三向增強(qiáng)氈，如下圖所示。第10頁/共36頁v噴射成型噴射成型是把切斷的碳纖維是把切斷的碳纖維 (約為約為0.025mm) 配制成配制成碳纖維碳纖維-樹脂樹脂-稀釋劑的混合物，然后用噴槍將此混合稀釋劑的混合物，然后用噴槍將此混合物噴涂到芯模上使其成型。物噴涂到芯模上使其成型。第11

5、頁/共36頁v用碳布或石墨纖維布疊層后進(jìn)行針刺，可用空心細(xì)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。下圖是頸金屬棒引紗。下圖是AVCD公司編織的坯體。公司編織的坯體。第12頁/共36頁v在坯體的研制中，發(fā)展的重點(diǎn)是多向織物，如三向、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。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。v三維織物研究的重

6、點(diǎn)在三維織物研究的重點(diǎn)在細(xì)編織細(xì)編織及其工藝、各向纖維及其工藝、各向纖維的排列對(duì)材料的影響等方面。的排列對(duì)材料的影響等方面。第13頁/共36頁v三向織物的細(xì)編程度越高，碳/碳復(fù)合材料的性能越好，尤其是作為耐燒蝕材料更是如此。細(xì)編程度常用織物的正向間距大小來衡量。，。v在三向編織的基礎(chǔ)上，對(duì)四向和七向編織物也進(jìn)行在三向編織的基礎(chǔ)上，對(duì)四向和七向編織物也進(jìn)行了研究，四向織物是在相應(yīng)于立方體的四個(gè)長(zhǎng)對(duì)角了研究，四向織物是在相應(yīng)于立方體的四個(gè)長(zhǎng)對(duì)角線方向上進(jìn)行編織，由于編織方向增多，改善了三線方向上進(jìn)行編織，由于編織方向增多，改善了三向織物的非軸線方向的性能，使材料的各部分性能向織物的非軸線方向的性能

7、，使材料的各部分性能超于平衡，提高了強(qiáng)度（主要是剪切強(qiáng)度），降低超于平衡，提高了強(qiáng)度（主要是剪切強(qiáng)度），降低了材料的熱膨脹系數(shù)。了材料的熱膨脹系數(shù)。第14頁/共36頁碳/碳復(fù)合材料的碳基體有：-合成樹脂或?yàn)r青經(jīng)碳化和石墨化而得-由烴類氣體的氣相沉積而成 基體碳可通過化學(xué)氣相沉積或浸漬高分子聚合物碳化來獲得。第15頁/共36頁可歸結(jié)為以下幾方面：（1）把來源于煤焦油和石油的熔融瀝青在加熱條件下浸把來源于煤焦油和石油的熔融瀝青在加熱條件下浸漬到碳漬到碳/石墨纖維結(jié)構(gòu)中去，隨后進(jìn)行熱解和再浸漬。石墨纖維結(jié)構(gòu)中去，隨后進(jìn)行熱解和再浸漬。（2）已知有些樹脂基體在熱解后具有很高的焦化強(qiáng)度，已知有些樹脂基體

8、在熱解后具有很高的焦化強(qiáng)度，熱解后的產(chǎn)物能夠很有效地滲入較厚的纖維結(jié)構(gòu)，熱解熱解后的產(chǎn)物能夠很有效地滲入較厚的纖維結(jié)構(gòu)，熱解后必須進(jìn)行再浸漬再熱解，如此反復(fù)若干次。后必須進(jìn)行再浸漬再熱解，如此反復(fù)若干次。（3）通過氣相（通常是用烷和氧氣，有時(shí)還有少量氫氣）通過氣相（通常是用烷和氧氣，有時(shí)還有少量氫氣）化學(xué)沉淀法在熱的基質(zhì)材料（如碳化學(xué)沉淀法在熱的基質(zhì)材料（如碳/石墨纖維）上形成高石墨纖維）上形成高強(qiáng)度熱解石墨。也可以把氣相化學(xué)沉積法和上述兩種工強(qiáng)度熱解石墨。也可以把氣相化學(xué)沉積法和上述兩種工藝結(jié)合起來以提高碳藝結(jié)合起來以提高碳/碳復(fù)合材料的物料性能。碳復(fù)合材料的物料性能。第16頁/共36頁（4

9、）把由上述方法制備的但仍然是多孔狀的碳把由上述方法制備的但仍然是多孔狀的碳/碳復(fù)合碳復(fù)合材料在能夠形成耐熱結(jié)構(gòu)的液態(tài)單體中浸漬，是又一材料在能夠形成耐熱結(jié)構(gòu)的液態(tài)單體中浸漬，是又一種精制方法，可選用的這類單體很有限，但是由四乙種精制方法，可選用的這類單體很有限，但是由四乙烯基硅酸鹽和強(qiáng)無機(jī)酸鹽催化劑組成的滲透液將會(huì)產(chǎn)烯基硅酸鹽和強(qiáng)無機(jī)酸鹽催化劑組成的滲透液將會(huì)產(chǎn)生具有良好耐熱性的硅生具有良好耐熱性的硅-氧網(wǎng)路。硅樹脂也可以起到同氧網(wǎng)路。硅樹脂也可以起到同樣的作用。樣的作用。第17頁/共36頁v用煤焦油瀝青浸漬碳/石墨纖維可得碳/碳復(fù)合材料。目前已設(shè)計(jì)了一種（簡(jiǎn)稱HPIC）來提高碳/碳復(fù)合材料的

10、致密程度。v工藝要點(diǎn)是：在熱壓罐中以大約工藝要點(diǎn)是：在熱壓罐中以大約100MPa壓力下浸漬壓力下浸漬復(fù)合材料，工藝周期如下圖所示：復(fù)合材料，工藝周期如下圖所示：第18頁/共36頁第19頁/共36頁以300C/h 的升溫速率從室溫升到600C以20C/h 的升溫速率從600C升到1000C以70C/h 的升溫速率從1000C升到2500C以100C/h 的升溫速率從2500C升到2700C + （025C）在2700C + （025C）下浸漬30min冷卻并卸壓第20頁/共36頁在碳在碳/石墨纖維結(jié)構(gòu)中浸漬熱解后的樹脂基體，碳石墨纖維結(jié)構(gòu)中浸漬熱解后的樹脂基體，碳/石墨石墨纖維增強(qiáng)樹脂在隨后的再

11、浸漬和再熱解中會(huì)流下越來越纖維增強(qiáng)樹脂在隨后的再浸漬和再熱解中會(huì)流下越來越多的焦化沉淀物。這樣石墨纖維周圍會(huì)出現(xiàn)一層碳素物多的焦化沉淀物。這樣石墨纖維周圍會(huì)出現(xiàn)一層碳素物質(zhì)，從而形成碳質(zhì)，從而形成碳/碳復(fù)合材料。碳復(fù)合材料。第21頁/共36頁v 采用合成樹脂制備碳采用合成樹脂制備碳/碳復(fù)合材料的原因：碳復(fù)合材料的原因： 在工藝低溫度和低壓力下具有低粘度這點(diǎn)上，合成在工藝低溫度和低壓力下具有低粘度這點(diǎn)上，合成樹脂比石油或煤焦油瀝青強(qiáng)樹脂比石油或煤焦油瀝青強(qiáng) 合成樹脂的純度比天然產(chǎn)物高，化學(xué)結(jié)構(gòu)更容易鑒合成樹脂的純度比天然產(chǎn)物高，化學(xué)結(jié)構(gòu)更容易鑒定，瀝青的成分常隨產(chǎn)地和提煉方法而異。定，瀝青的成分

12、常隨產(chǎn)地和提煉方法而異。 比較容易得到含碳量高的樹脂體系，并可能轉(zhuǎn)化為比較容易得到含碳量高的樹脂體系，并可能轉(zhuǎn)化為耐高溫的碳素產(chǎn)物。耐高溫的碳素產(chǎn)物。第22頁/共36頁CVD可以用來代替碳可以用來代替碳/石墨纖維浸漬瀝青或合成樹脂基石墨纖維浸漬瀝青或合成樹脂基體的工藝過程，也可以在碳體的工藝過程，也可以在碳/石墨纖維浸漬基體之外再用石墨纖維浸漬基體之外再用CVD處理。處理。第23頁/共36頁v將甲烷之類的烴類氣體混合氫、氬之類的載氣于將甲烷之類的烴類氣體混合氫、氬之類的載氣于10001100C進(jìn)行熱分解，在坯體的空隙中沉碳（如圖進(jìn)行熱分解，在坯體的空隙中沉碳（如圖所示）。所示）。第24頁/共3

13、6頁v在沉碳之前，含碳?xì)怏w中先生成一些活性基團(tuán)，然在沉碳之前，含碳?xì)怏w中先生成一些活性基團(tuán)，然后與胚體纖維的表面接觸進(jìn)行沉碳。后與胚體纖維的表面接觸進(jìn)行沉碳。v為了得到致密的碳為了得到致密的碳/碳復(fù)合材料，在沉積過程中必須碳復(fù)合材料，在沉積過程中必須讓這些活性集團(tuán)擴(kuò)散到坯體的空隙內(nèi)部，如果含碳量讓這些活性集團(tuán)擴(kuò)散到坯體的空隙內(nèi)部，如果含碳量氣體在通過坯體之前生成的活性基團(tuán)的速度太快，則氣體在通過坯體之前生成的活性基團(tuán)的速度太快，則容易形成表面涂層，這對(duì)進(jìn)一步滲透到內(nèi)部不利，有容易形成表面涂層，這對(duì)進(jìn)一步滲透到內(nèi)部不利，有礙于內(nèi)部沉碳。礙于內(nèi)部沉碳。第25頁/共36頁（簡(jiǎn)稱PC）和是在1100C

14、左右碳源蒸氣經(jīng)熱解而沉積在基質(zhì)材料上的碳質(zhì)的總稱。（簡(jiǎn)稱PG）由碳?xì)浠衔餁怏w在17502250C沉積的碳，PG的電性能、熱性能和力學(xué)性能是各向異性的，隨測(cè)方向而變化。vCVD技術(shù)的通用性是顯而易見的，這反映在多種多樣技術(shù)的通用性是顯而易見的，這反映在多種多樣的產(chǎn)物上面，例如，除了的產(chǎn)物上面，例如，除了熱解石墨熱解石墨以外，還有鈦、硅和以外，還有鈦、硅和硼的碳化物。硅和鈦的硼化物，都能利用硼的碳化物。硅和鈦的硼化物，都能利用CVD技術(shù)來大技術(shù)來大幅度地提高碳幅度地提高碳/碳復(fù)合材料的物理性能。碳復(fù)合材料的物理性能。第26頁/共36頁根據(jù)實(shí)際操作情況，目前化學(xué)氣相沉積基體碳主要采用四種方法，即、

15、和：是將坯體放在恒溫的空間里（9501150C），在適當(dāng)?shù)偷膲毫?0.1320KPa）下讓烴類氣體在坯體表面流過，其部分含碳?xì)怏w擴(kuò)散到坯體孔隙內(nèi)產(chǎn)生熱解碳，沉碳速率（2.626cm/h）取決于氣體的擴(kuò)散速率。第27頁/共36頁此法滲透時(shí)間長(zhǎng)，每一周需50120h，由于靠近坯體表面的孔優(yōu)先被填充，生成硬殼，故在滲透過程中要進(jìn)行機(jī)械加工將其硬殼層除去，然后再繼續(xù)沉碳。圖4-47表示材料的密度和結(jié)構(gòu)與沉積溫度和壓力之間有一定的關(guān)系。第28頁/共36頁溫度、壓力、氣流和爐子的幾何形狀都會(huì)影響熱解碳和熱解石墨的沉積速率。此外，還要采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┮员苊庠斐蔀鹾诙嗷业母飨蛲蕴?，因?yàn)檫@種碳不易石墨化。第

16、29頁/共36頁與均熱流類似，其過程也受氣體擴(kuò)散所支配，但因爐壓較高，鉛坯體厚度方向與均熱流類似，其過程也受氣體擴(kuò)散所支配，但因爐壓較高，鉛坯體厚度方向可形成一定的溫差，圖可形成一定的溫差，圖4-48是這類沉積的一例。是這類沉積的一例。此法沉積周期短，制品密度高，性能比均熱法更好。存在的問題是重復(fù)性差，不能在同一時(shí)間內(nèi)加工不同的坯體和多個(gè)坯體，坯體的形狀也不能太復(fù)雜。第30頁/共36頁是在沿坯體厚度方向造成一定的壓力差，反應(yīng)氣體被強(qiáng)行通過多孔坯體，如圖4-49所示。此法沉積速度快，滲透時(shí)間較短，沉積的碳也較均勻，適用于外部透氣性低的部件。由于易生成表面硬層，在沉積過程中需要中間加工。第31頁/共36頁抽真空過程中有利于氣體反應(yīng)產(chǎn)物的排除。由于它能增加滲透深度，故適宜制造不透抽真