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1、CompanyLOGO第五章第五章 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料與基體復(fù)合材料的增強(qiáng)材料與基體第五章第五章 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料與基體復(fù)合材料的增強(qiáng)材料與基體碳碳/ /碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料復(fù)合材料概述復(fù)合材料概述增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料應(yīng)用舉例:無處不在的復(fù)合材料應(yīng)用舉例:無處不在的復(fù)合材料土房-草增強(qiáng)泥基復(fù)合材料 鋼筋混凝土建筑框架玻璃鋼撐桿復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主貨艙門主貨艙門- 碳纖維碳纖維/ /環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂壓力容器壓力容器- 凱芙拉纖維凱芙拉纖維/ /環(huán)氧樹環(huán)氧樹脂脂主機(jī)隔框和翼梁主機(jī)

2、隔框和翼梁- 硼硼/ /鋁復(fù)合材料鋁復(fù)合材料“哥倫比亞號哥倫比亞號”航天飛機(jī)航天飛機(jī)發(fā)動機(jī)的噴管發(fā)動機(jī)的噴管- 碳碳/ /碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料發(fā)動機(jī)組傳力架發(fā)動機(jī)組傳力架- 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料機(jī)身防熱瓦機(jī)身防熱瓦- 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料國家技術(shù)發(fā)明一等獎(國家技術(shù)發(fā)明一等獎(20042004年)年)“高性能炭高性能炭/ /炭航空制動材料的制備技術(shù)炭航空制動材料的制備技術(shù)” 飛機(jī)剎車片飛機(jī)剎車片復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用“耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料” 攻克航天飛機(jī)隔熱瓦隔熱瓦技術(shù)難關(guān) 國家技術(shù)發(fā)明一等獎(國家技術(shù)發(fā)明一

3、等獎(20042004年)年)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用法國 “空中客車” 公司生產(chǎn)的A380雙層四引擎大型客機(jī),最大可載客量650人復(fù)合材料使復(fù)合材料使A380A380減重15噸(1) (1) 機(jī)翼機(jī)翼(2) (2) 垂直尾翼和水平尾翼垂直尾翼和水平尾翼(3) (3) 地板梁和后承壓框地板梁和后承壓框(4) (4) 固定機(jī)翼前緣固定機(jī)翼前緣(5) (5) 機(jī)翼后緣處的襟翼機(jī)翼后緣處的襟翼, ,副翼副翼(6) (6) 機(jī)身蒙皮壁板機(jī)身蒙皮壁板復(fù)合材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用復(fù)合材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用復(fù)合材料在日常生活中的應(yīng)用復(fù)合材

4、料在日常生活中的應(yīng)用復(fù)合材料在體育用品中的應(yīng)用球拍頸部融合球拍頸部融合智能壓電纖維智能壓電纖維復(fù)合材料在網(wǎng)球拍上的應(yīng)用滑雪板在雪上滑行時,雪會產(chǎn)生輕微溶化,因水滑雪板在雪上滑行時,雪會產(chǎn)生輕微溶化,因水的的“粘性粘性”增加摩擦力。采用增加摩擦力。采用疏水性強(qiáng)疏水性強(qiáng)的復(fù)合材的復(fù)合材料制成的滑雪板,可提高滑行性能。理想的材料料制成的滑雪板,可提高滑行性能。理想的材料是超高分子聚乙烯。是超高分子聚乙烯。復(fù)合材料在滑雪板上的應(yīng)用Glass fiber web/epoxyGlass fiber ringsLongitudinal carbon fibers/epoxy輕質(zhì)、高強(qiáng)、高彈性、較低成輕質(zhì)、高

5、強(qiáng)、高彈性、較低成本、低密度及屈服強(qiáng)度本、低密度及屈服強(qiáng)度 復(fù)合材料在撐桿上的應(yīng)用5.1 復(fù)合材料概述5.1.1 5.1.1 復(fù)合材料的定義復(fù)合材料的定義 由由兩種以上兩種以上不同的原材料組成,使原不同的原材料組成,使原材料的性能得到充分發(fā)揮,并通過材料的性能得到充分發(fā)揮,并通過復(fù)合化復(fù)合化而得到單一材料所不具備的性能的材料。而得到單一材料所不具備的性能的材料。必須由兩種以必須由兩種以上化學(xué)、物理上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材性質(zhì)不同的材料組合而成料組合而成必須是必須是人造人造的的,是人們根據(jù),是人們根據(jù)需要設(shè)計制造需要設(shè)計制造的材料的材料通過各組分性通過各組分性能的互補(bǔ)可獲能的互補(bǔ)可獲得單一材料不

6、得單一材料不能達(dá)到的能達(dá)到的綜合綜合性能性能復(fù)合材料三個必要條件復(fù)合材料三個必要條件1235.1 復(fù)合材料概述5.1.2 5.1.2 性能特點性能特點1234比強(qiáng)比強(qiáng)度與度與比模比模量高量高化學(xué)穩(wěn)化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)定性優(yōu)良(管良(管道)道)減摩、耐減摩、耐磨、自潤磨、自潤滑性好滑性好(摻入纖(摻入纖維)維)耐熱性耐熱性高、高高、高韌性、韌性、高抗沖高抗沖擊性擊性5.1 復(fù)合材料概述5.1.3 5.1.3 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類按照按照基體基體分類分類按照按照增強(qiáng)體增強(qiáng)體分類分類5.1 復(fù)合材料概述按基體類型分類按基體類型分類復(fù)合材料復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料(如鋁基、銅基、鎂基和鈦基等)金屬基復(fù)合

7、材料(如鋁基、銅基、鎂基和鈦基等)木基復(fù)合材料木基復(fù)合材料有機(jī)材料基復(fù)合材料有機(jī)材料基復(fù)合材料無機(jī)非金屬基復(fù)合材料無機(jī)非金屬基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料混凝土基復(fù)合材料混凝土基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料熱塑性樹脂基熱塑性樹脂基熱固性樹脂基熱固性樹脂基5.1 復(fù)合材料概述 按增強(qiáng)體類型分按增強(qiáng)體類型分類類5.1 復(fù)合材料概述v按增強(qiáng)體幾何形狀分類按增強(qiáng)體幾何形狀分類幾何形狀幾何形狀纖維纖維顆粒顆粒板狀板狀顆粒增強(qiáng)型顆粒增強(qiáng)型非連續(xù)纖維增強(qiáng)型非連續(xù)纖維增強(qiáng)型板狀增強(qiáng)型板狀增強(qiáng)型連續(xù)纖維增強(qiáng)型連續(xù)纖維增強(qiáng)型5.1 復(fù)合材料概述SiC 晶粒 Al2O3

8、纖維Al2O3板狀5.1 復(fù)合材料概述5.1 復(fù)合材料概述v纖維增強(qiáng)型分類纖維增強(qiáng)型分類非連續(xù)型非連續(xù)型短纖維增強(qiáng)型短纖維增強(qiáng)型晶須增強(qiáng)型晶須增強(qiáng)型隨機(jī)排列隨機(jī)排列定向排列定向排列按長度按長度連續(xù)型連續(xù)型 玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、氧化鋁纖維、玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、氧化鋁纖維、 氧化鋯纖維、石英纖維等氧化鋯纖維、石英纖維等按種類按種類5.2 增強(qiáng)材料 在復(fù)合材料中,凡是能提高基體材料力學(xué)性在復(fù)合材料中,凡是能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)均稱為能的物質(zhì)均稱為增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料。 纖維在復(fù)合材料中起增強(qiáng)作用,是主要的纖維在復(fù)合材料中起增強(qiáng)作用,是主要的承承力力組分,還能減少收縮,提高熱變形溫度

9、和低溫組分,還能減少收縮,提高熱變形溫度和低溫沖擊強(qiáng)度。沖擊強(qiáng)度。 復(fù)合材料的性能很大程度上取決于增強(qiáng)材料復(fù)合材料的性能很大程度上取決于增強(qiáng)材料的的性能性能、含量含量及及處理方法處理方法。5.2 增強(qiáng)材料v13.2.1 13.2.1 玻璃纖維玻璃纖維將熔化的玻璃以極快的將熔化的玻璃以極快的速度抽拉成細(xì)微的絲,速度抽拉成細(xì)微的絲,即成為玻璃纖維即成為玻璃纖維。細(xì)度在細(xì)度在3.83.821.6m, 21.6m, 脆性與直徑的四次方成脆性與直徑的四次方成正比。正比。5.2 增強(qiáng)材料v質(zhì)地柔軟,可以織成質(zhì)地柔軟,可以織成玻璃布,玻璃帶玻璃布,玻璃帶。v玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度、物理性玻璃纖維增強(qiáng)

10、復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度、物理性 能、電性能及化學(xué)性能與能、電性能及化學(xué)性能與玻璃的成分玻璃的成分,直徑直徑 細(xì)度細(xì)度有直接關(guān)系。有直接關(guān)系。玻璃纖維的特點:玻璃纖維的特點:5.2 增強(qiáng)材料v5.2.2 5.2.2 硼纖維硼纖維航空航天領(lǐng)域中,為獲得航空航天領(lǐng)域中,為獲得高比強(qiáng)度和高比彈性模量高比強(qiáng)度和高比彈性模量,開發(fā)新型增強(qiáng)纖維開發(fā)新型增強(qiáng)纖維-硼硼纖維。纖維。硼的熔點在硼的熔點在20002000以上,以上,硬度僅次于金剛石。硬度僅次于金剛石。纖維纖維類型類型拉伸強(qiáng)拉伸強(qiáng)度度彈性模彈性模量量比重比重硼纖硼纖維維3.6GPa3.6GPa400GPa400GPa 2.572.57碳纖碳纖維維3.53

11、GPa3.53GPa 370GPa370GPa3 35.2 增強(qiáng)材料硼纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用效益硼纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用效益航天飛機(jī)的機(jī)身衍架用硼鋁復(fù)合材料管材制造,取得減重航天飛機(jī)的機(jī)身衍架用硼鋁復(fù)合材料管材制造,取得減重20206666的效果。的效果。 航天飛機(jī)貨倉間隔支柱,可減重航天飛機(jī)貨倉間隔支柱,可減重4444。 美國美國P&WP&W公司在公司在JT8DJT8D發(fā)動機(jī)上用硼鋁復(fù)合材料取代鈦合發(fā)動機(jī)上用硼鋁復(fù)合材料取代鈦合金,可減重金,可減重1010。5.2 增強(qiáng)材料v5.2.3 5.2.3 無機(jī)類晶須無機(jī)類晶須晶須晶須:截面積小于:截面積小于5.25.21010-

12、4-42 2,長徑比在,長徑比在101010001000單晶體單晶體。晶體結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)部缺陷較少,其強(qiáng)度和模量均接近完整晶晶體結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)部缺陷較少,其強(qiáng)度和模量均接近完整晶體材料的理論值,是目前發(fā)現(xiàn)的固體的體材料的理論值,是目前發(fā)現(xiàn)的固體的最強(qiáng)形式最強(qiáng)形式。是長在銀、銅等金屬上的象霉菌一樣的東西,可以從溶液、是長在銀、銅等金屬上的象霉菌一樣的東西,可以從溶液、熔液、固體中生成并生長,也可以通過氣相反應(yīng)來制取。熔液、固體中生成并生長,也可以通過氣相反應(yīng)來制取。5.2 增強(qiáng)材料v5.2.4 5.2.4 碳纖維碳纖維碳纖維特點: 將有機(jī)纖維燒結(jié)后得到的一種含碳量在將有機(jī)纖維燒結(jié)后得到的一種含碳量在

13、9090以以上的纖維。其質(zhì)輕而強(qiáng)度高,具有良好的潤滑及上的纖維。其質(zhì)輕而強(qiáng)度高,具有良好的潤滑及耐磨性能,其價格約為硼纖維的十分之一。耐磨性能,其價格約為硼纖維的十分之一。制備方法 原料纖維制造、纖維穩(wěn)定處理和高溫碳化及石墨原料纖維制造、纖維穩(wěn)定處理和高溫碳化及石墨化燒結(jié)等工藝過程?;療Y(jié)等工藝過程。制備方法制備方法浸漬法浸漬法混合混合法法層疊層疊法法 5.2 增強(qiáng)材料制備方法制備方法lThermoset polymersresin +catalystCureReactionSolidified thermosetMix混合法混合法5.2 增強(qiáng)材料lThermoplastic polymers

14、, Solid Stock or GranulesFinished ProductHeat,Reshape,Mix, etc疊層(層合)法疊層(層合)法5.2 增強(qiáng)材料DippingReinforcementPorous Material浸漬法浸漬法Heat, etc5.2 增強(qiáng)材料5.3 聚合物基復(fù)合材料v纖維增強(qiáng)熱固性塑料纖維增強(qiáng)熱固性塑料v纖維增強(qiáng)熱塑性塑料纖維增強(qiáng)熱塑性塑料v熱塑性塑料由于線脹系數(shù)較大、尺寸穩(wěn)定性較差、熱塑性塑料由于線脹系數(shù)較大、尺寸穩(wěn)定性較差、剛性、耐疲勞性和某些機(jī)械強(qiáng)度尚不能滿足結(jié)構(gòu)材剛性、耐疲勞性和某些機(jī)械強(qiáng)度尚不能滿足結(jié)構(gòu)材料的要求,大多數(shù)只能用作通用材料。料的

15、要求,大多數(shù)只能用作通用材料。v2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代,出現(xiàn)玻纖增強(qiáng)尼龍。年代,出現(xiàn)玻纖增強(qiáng)尼龍。6060年代大規(guī)年代大規(guī)模生產(chǎn)。(玻璃鋼)模生產(chǎn)。(玻璃鋼) 5.3 聚合物基復(fù)合材料5.3 聚合物基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)塑料(纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)用作輸油管道用作輸油管道5.3 聚合物基復(fù)合材料聚酯和環(huán)氧玻璃纖維增強(qiáng)塑料(聚酯和環(huán)氧玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)用作儲油設(shè)備用作儲油設(shè)備5.3 聚合物基復(fù)合材料l 碳纖維增強(qiáng)樹脂用于汽車彈簧片碳纖維增強(qiáng)樹脂用于汽車彈簧片 5.3 聚合物基復(fù)合材料l芳綸纖維增強(qiáng)樹脂用于剎車片芳綸纖維增強(qiáng)樹脂用于剎車片5.3 聚合物基復(fù)合材料l纖維增強(qiáng)熱塑性塑料用

16、于電路板纖維增強(qiáng)熱塑性塑料用于電路板l芳綸纖維增強(qiáng)塑料用于建筑材料芳綸纖維增強(qiáng)塑料用于建筑材料5.3 聚合物基復(fù)合材料l玻璃纖維增強(qiáng)樹脂用于采光板玻璃纖維增強(qiáng)樹脂用于采光板5.3 聚合物基復(fù)合材料5.4 金屬基復(fù)合材料v鋁基復(fù)合材料v鎂基復(fù)合材料為什么會產(chǎn)生金屬基復(fù)合材料?為什么會產(chǎn)生金屬基復(fù)合材料?對材料的強(qiáng)韌性,導(dǎo)電、導(dǎo)熱性,耐高溫性、 耐磨性等性能都提出了越來越高的要求 要求材料具有更高的比強(qiáng)度和比模量(剛度) 纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料不能在300以上溫度下工作 聚合物基復(fù)合材料耐磨性差,不導(dǎo)電,不導(dǎo)熱,在使用期間逐漸老化,變質(zhì),尺寸不夠穩(wěn)定。5.4 金屬基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料金屬基

17、復(fù)合材料(MMC)是以金屬及其合金為基體,與一種或幾種金屬或非金屬增強(qiáng)相人工合成的復(fù)合材料。其增強(qiáng)材料主要為無機(jī)非金屬,如:陶瓷、碳、石墨及硼等。 金屬基復(fù)合材料制備過程是在高溫下進(jìn)行的,有的還在高溫下工作較長時間,因此界面的結(jié)合強(qiáng)度起到重要作用。5.4 金屬基復(fù)合材料13.4.1 13.4.1 鋁基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用鋁基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用v纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高,尺寸比強(qiáng)度、比模量高,尺寸穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能等一系列優(yōu)異性能 ,目前主要用于航天領(lǐng)域,目前主要用于航天領(lǐng)域,作為航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站等的結(jié)構(gòu)材料。作為航天飛機(jī)、人造衛(wèi)

18、星、空間站等的結(jié)構(gòu)材料。 5.4 金屬基復(fù)合材料v硼鋁復(fù)合材料硼鋁復(fù)合材料 是實際應(yīng)用最早的金屬基是實際應(yīng)用最早的金屬基復(fù)合材料,美國和原蘇聯(lián)的航天飛機(jī)中的復(fù)合材料,美國和原蘇聯(lián)的航天飛機(jī)中的機(jī)身機(jī)身框架框架及及支柱支柱和和起落架拉桿起落架拉桿等都用硼鋁復(fù)合材等都用硼鋁復(fù)合材料制成。料制成。5.4 金屬基復(fù)合材料 石墨鋁復(fù)合材料石墨鋁復(fù)合材料 最成功的應(yīng)用是美國的最成功的應(yīng)用是美國的哈勃望遠(yuǎn)鏡的兩個兼作波導(dǎo)管用的長為哈勃望遠(yuǎn)鏡的兩個兼作波導(dǎo)管用的長為3.6m的長的長方形天線支架,此外還可用于人造衛(wèi)星或天文望方形天線支架,此外還可用于人造衛(wèi)星或天文望遠(yuǎn)鏡支架、遠(yuǎn)鏡支架、L頻帶平面天線、人造衛(wèi)星拋

19、物面天頻帶平面天線、人造衛(wèi)星拋物面天線、照相機(jī)波導(dǎo)管和鏡筒、紅外反射鏡等。線、照相機(jī)波導(dǎo)管和鏡筒、紅外反射鏡等。碳化硅鋁復(fù)合材料碳化硅鋁復(fù)合材料主要用作飛機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動機(jī)主要用作飛機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動機(jī)的高性能結(jié)構(gòu)件的高性能結(jié)構(gòu)件氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料最成功的應(yīng)用是豐田最成功的應(yīng)用是豐田公司用來制造柴油發(fā)動機(jī)的活塞公司用來制造柴油發(fā)動機(jī)的活塞 、如活塞鑲?cè)?。、如活塞鑲?cè)Α?5.4 金屬基復(fù)合材料13.4.2 13.4.2 鎂基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用鎂基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用v鎂基復(fù)合材料是同類金屬基復(fù)合材料中比強(qiáng)度和鎂基復(fù)合材料是同類金屬基復(fù)合材料中比強(qiáng)度和比模量最高的一種

20、,但由于價格昂貴目前只用于比模量最高的一種,但由于價格昂貴目前只用于航空航天部門。航空航天部門。 v含硼纖維含硼纖維40404545的硼鎂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度的硼鎂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為為110011001200MPa1200MPa,彈性模量彈性模量220GPa220GPa,斷裂伸長斷裂伸長0.50.5,泊松比,泊松比0.250.25。 5.4 金屬基復(fù)合材料 加入少量的SiC或Al2O3顆粒在鎂或鎂合金中,明顯提高其耐磨性 ,可用于制造油泵的泵殼體、止推板、安全閥等零部件 。 石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料由于具有最高的比強(qiáng)度和比模量、最好的抗熱變形阻力,成為理想的航天結(jié)構(gòu)材料,已被用于制造衛(wèi)星的10

21、m直徑的拋物面天線及其支架 。 具有零膨脹系數(shù)的石墨/鎂復(fù)合材料可用于航天飛機(jī)的大面積蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮材料 。5.4 金屬基復(fù)合材料v陶瓷復(fù)合材料以其具有的高強(qiáng)度、高模量、陶瓷復(fù)合材料以其具有的高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐高溫和良好的韌性等,已在高低密度、耐高溫和良好的韌性等,已在高速切削工具和內(nèi)燃機(jī)部件上得到應(yīng)用。速切削工具和內(nèi)燃機(jī)部件上得到應(yīng)用。 SiCSiCw w增韌的細(xì)顆粒增韌的細(xì)顆粒AlAl2 2OO3 3陶瓷復(fù)合材料已成功用于陶瓷復(fù)合材料已成功用于工業(yè)生產(chǎn)制造切削刀具,我國研制生產(chǎn)的工業(yè)生產(chǎn)制造切削刀具,我國研制生產(chǎn)的SiCSiCw w/ Al/ Al2 2OO3 3復(fù)復(fù)合材料刀具切削鎳基合金時,不但刀具使用壽命增加,合材料刀具切削鎳基合金時,不但刀具使用壽命增加,而且進(jìn)刀時和切削速度也大大提高。而且進(jìn)刀時和切削速度也大大提高。 5.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料用于火陶瓷基復(fù)合材料用于火箭噴管及燃燒室內(nèi)壁箭噴管及燃燒室內(nèi)壁l 固體發(fā)動機(jī)燃燒室與噴管部件固體發(fā)動機(jī)燃燒室與噴管部件5.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料用作滑動構(gòu)件陶瓷基復(fù)合材料用作滑動構(gòu)件5.5 陶瓷基復(fù)合材料5.6 碳/碳復(fù)合材料v 以碳為基體,利用以碳為基體,利用碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)得到的碳復(fù)合材料,得到的碳復(fù)合材料,叫做叫做C/C復(fù)合材料(復(fù)合材料(Carbon/Carbon Comp

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