復(fù)合材料第9章 碳碳復(fù)合材料

1、2022-4-129.1碳/碳復(fù)合材料9.1 碳/碳復(fù)合材料簡介v定義：碳定義：碳/碳復(fù)合材料是指以碳纖維作為增強(qiáng)碳復(fù)合材料是指以碳纖維作為增強(qiáng)體，以碳作為基體的一類復(fù)合材料。體，以碳作為基體的一類復(fù)合材料。v性質(zhì)：密度低、高比強(qiáng)度，比模量高、熱傳導(dǎo)性質(zhì)：密度低、高比強(qiáng)度，比模量高、熱傳導(dǎo)性低、熱膨脹系數(shù)斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕。性低、熱膨脹系數(shù)斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕。對宇宙輻射不敏感及在核輻射下強(qiáng)度增加等性對宇宙輻射不敏感及在核輻射下強(qiáng)度增加等性能，是所有已知材料中耐高溫性最好的材料。能，是所有已知材料中耐高溫性最好的材料。2022-4-12 物理性能物理性能v碳碳/碳復(fù)合材料在高溫?zé)崽幚?/p>

2、后的化學(xué)成分碳復(fù)合材料在高溫?zé)崽幚砗蟮幕瘜W(xué)成分, 碳元素碳元素高于高于99%, 像石墨一樣像石墨一樣, 具有耐酸、堿和鹽的化學(xué)具有耐酸、堿和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性。其比熱容大穩(wěn)定性。其比熱容大, 熱導(dǎo)率隨石墨化程度的提高熱導(dǎo)率隨石墨化程度的提高而增大而增大, 線膨脹系數(shù)隨石墨化程度的提高而降低等線膨脹系數(shù)隨石墨化程度的提高而降低等。2022-4-12v熱學(xué)及燒蝕性能熱學(xué)及燒蝕性能v碳碳/碳復(fù)合材料導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)低碳復(fù)合材料導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)低, 因而因而熱沖擊能力很強(qiáng)熱沖擊能力很強(qiáng), 不僅可用于高溫環(huán)境不僅可用于高溫環(huán)境, 而且適合而且適合溫度急劇變化的場合。其比熱容高溫度急劇變化的場合。

3、其比熱容高, 這對于飛機(jī)這對于飛機(jī)剎車等需要吸收大量能量的應(yīng)用場合非常有利。剎車等需要吸收大量能量的應(yīng)用場合非常有利。因此可以被用作航天航空材料和剎車片材料。因此可以被用作航天航空材料和剎車片材料。2022-4-12 摩擦磨損性能摩擦磨損性能v碳碳/碳復(fù)合材料中碳纖維的微觀組織為亂層石墨結(jié)碳復(fù)合材料中碳纖維的微觀組織為亂層石墨結(jié)構(gòu)構(gòu), 其摩擦系數(shù)比石墨高其摩擦系數(shù)比石墨高, 特別是它的高溫性能特特別是它的高溫性能特點(diǎn)點(diǎn), 在高速高能量條件下摩擦升溫高達(dá)在高速高能量條件下摩擦升溫高達(dá)1000 C 以以上時(shí)上時(shí), 其摩擦性能仍然保持平穩(wěn)其摩擦性能仍然保持平穩(wěn), 因此可用作剎車因此可用作剎車片材料。

4、片材料。2022-4-12力學(xué)性能力學(xué)性能v碳碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于碳纖維的種碳復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于碳纖維的種類、取向、含量和制備工藝等。單向增強(qiáng)的碳類、取向、含量和制備工藝等。單向增強(qiáng)的碳/碳碳復(fù)合材料復(fù)合材料, 沿碳纖維長度方向的力學(xué)性能比垂直沿碳纖維長度方向的力學(xué)性能比垂直方向高出幾十倍。碳方向高出幾十倍。碳/碳復(fù)合材料的高強(qiáng)高模特性碳復(fù)合材料的高強(qiáng)高模特性來自碳纖維來自碳纖維, 隨著溫度的升高隨著溫度的升高, 碳碳/碳復(fù)合材料的強(qiáng)碳復(fù)合材料的強(qiáng)度不僅不會降低度不僅不會降低, 而且比室溫下的強(qiáng)度還要高。而且比室溫下的強(qiáng)度還要高。是由碳纖維或各種碳織物增強(qiáng)碳，或石是由碳

5、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（墨化的脂碳（瀝青）以及化學(xué)氣相沉積（CVD）碳所）碳所形成的復(fù)合材料，是具有特殊性能的新型工程材料。形成的復(fù)合材料，是具有特殊性能的新型工程材料。v碳碳/碳復(fù)合材料由三種不同組分構(gòu)成，即碳復(fù)合材料由三種不同組分構(gòu)成，即、和和。由于它幾乎完全是由元素碳組成，故能。由于它幾乎完全是由元素碳組成，故能承受承受極高的溫度極高的溫度和和極大的加熱速率極大的加熱速率。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

6、些性能指標(biāo)有所提高。所提高。 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。 v碳碳/ /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。它具有具有、和和等一些列優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種高性能的燒蝕等一些列優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種高性能的燒蝕材料。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。v碳碳/ /碳復(fù)合材料還具有優(yōu)異的碳復(fù)合材料還具有優(yōu)異的和和，使其在使其在飛機(jī)剎車片和軸承飛機(jī)剎車片和軸承等方面得到了應(yīng)用；它也可以等方面得到了應(yīng)用；它也

7、可以作為作為飛機(jī)的剎車盤飛機(jī)的剎車盤。C/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用C/C作為剎車盤作為剎車盤v碳與碳與，再加上碳，再加上碳/ /碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料的的，使之適宜制成生物構(gòu)件插入到活的生，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，如物機(jī)體內(nèi)作整形材料，如人造骨骼人造骨骼、心臟瓣膜心臟瓣膜等。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)v鑒于碳/碳復(fù)合材料具有系列優(yōu)異性能，它們在宇宙飛船、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

8、會有更大的發(fā)展。2022-4-12碳化碳化短纖維與瀝短纖維與瀝青或青或 樹脂樹脂混合物混合物預(yù)浸物預(yù)浸物CVD滲透滲透石墨化石墨化碳碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料熱壓成型熱壓成型浸漬樹脂戍浸漬樹脂戍瀝青瀝青碳纖維成型物碳纖維成型物.碳纖維成碳纖維成型物型物石墨化的碳石墨化的碳/碳碳復(fù)合材料復(fù)合材料v碳碳/碳復(fù)合材料的成型加工方法很多，其各種工藝過碳復(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如圖所示的三種方法。程大致可歸納為如圖所示的三種方法。2022-4-12v碳化（carbonization） 將上述成形物在隔絕空氣下熱分解為碳和其他產(chǎn)物。v石墨化：利用熱活化將熱力學(xué)不穩(wěn)定的炭原子實(shí)現(xiàn)

9、由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)的有 序轉(zhuǎn)化。 碳元素其外部電子結(jié)構(gòu)有兩種:一種是Sp3雜化軌道，金剛石結(jié)構(gòu) ,C一C 間為 鍵。一種是SP2雜化,形成石墨片狀結(jié)構(gòu),同一層中C一C 為鍵層與層之間是鍵。 鍵很短很強(qiáng)，鍵長約0.142nm 結(jié)合力很強(qiáng)，鍵相對較弱。2022-4-12由上可知：v鍵很短很強(qiáng)，鍵相對較弱。因而導(dǎo)致了石墨碳具有各向異性，但沿層面方向具有優(yōu)異的電、熱和力學(xué)性能，通常情況下由于鍵較弱,往往導(dǎo)致層與層間的堆垛不規(guī)則或無序，形成多晶碳。v由于石墨碳的優(yōu)異性能源于其有序的結(jié)構(gòu),因而將無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚪Y(jié)構(gòu)是碳/ 碳復(fù)合材料制造與應(yīng)用中非常關(guān)鍵。往往采用熱處理等他能量輸入的方法進(jìn)行石墨化轉(zhuǎn)

10、變。2022-4-12 在沉碳和浸漬樹脂或?yàn)r青之前，增強(qiáng)碳纖維或其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。坯體可通過織物應(yīng)預(yù)先成型為一種坯體。坯體可通過、或或噴射成型噴射成型、以及以及等方法制得。等方法制得。多向織物是研究的的重點(diǎn)，目前以三向織物為主，三向織物的細(xì)編程度越高，碳/碳復(fù)合材料的性能也就越好。v碳纖維長絲或帶纏繞碳纖維長絲或帶纏繞方法，可根據(jù)不同的要求和用方法，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。2022-4-122D 生產(chǎn)成本低生產(chǎn)成本低在平行于布層的方在平行于布層的方向拉伸強(qiáng)度較高容向拉伸強(qiáng)度較高容易制成大尺寸形狀易制成大

11、尺寸形狀復(fù)雜的部件復(fù)雜的部件3D 及多向編織具及多向編織具有更好的結(jié)構(gòu)完整有更好的結(jié)構(gòu)完整性和各向同性性和各向同性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。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。v用碳

12、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。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。 碳纖維從碳纖維從X、Y、Z三個方三個方向互成向互成90正交排列，三個方向正交排列，三個方向的紗線并不交織，的紗線并不交織，X和和Y方向方向的紗線交替的疊層，的紗線交替的疊層，Z方向的方向的紗線起增強(qiáng)作用。因此紗線起增強(qiáng)作用。因此XYZ方方向的紗線并沒有交織

13、點(diǎn)，只有向的紗線并沒有交織點(diǎn)，只有重合點(diǎn)，可充分發(fā)揮織物里每重合點(diǎn)，可充分發(fā)揮織物里每個纖維的力學(xué)性能。個纖維的力學(xué)性能。v三維織物研究的重點(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、各向纖維的排列對材料的影響等方面。的排列對材料的影響等方面。v三向織物的細(xì)編程度越高，碳三向織物的細(xì)編程度越高，碳/碳復(fù)合材料的性能越碳復(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。織物的正向間距大小來衡量。，。v在三向編織的基礎(chǔ)上，對四向和七向編織物也進(jìn)行在三向編織的基礎(chǔ)上，對四向和七向編織物也進(jìn)行了研究

14、，四向織物是在相應(yīng)于立方體的四個長對角了研究，四向織物是在相應(yīng)于立方體的四個長對角線方向上進(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，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)。碳碳/ /碳復(fù)合材料的碳基體有：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

15、碳化來獲得?？蓺w結(jié)為以下幾方面：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浸漬到碳/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)已知有些樹脂基體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)，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)，熱解后必須進(jìn)行再浸漬再熱解，如此反復(fù)若干次。熱解后必須進(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)還有少量通過氣相（通常是用烷和氧氣，有時(shí)還有少

16、量氫氣）化學(xué)沉淀法在熱的基質(zhì)材料（如碳?xì)錃猓┗瘜W(xué)沉淀法在熱的基質(zhì)材料（如碳/石墨纖維）上石墨纖維）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藝結(jié)合起來以提高碳兩種工藝結(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。 （4）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，是又一種精制方法，可選用的這類單體很有限，但是由又一種精制方法，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

17、透液將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產(chǎn)生具有良好耐熱性的硅會產(chǎn)生具有良好耐熱性的硅-氧網(wǎng)路。硅樹脂也可以起氧網(wǎng)路。硅樹脂也可以起到同樣的作用。到同樣的作用。v用煤焦油瀝青浸漬碳用煤焦油瀝青浸漬碳/石墨纖維可得碳石墨纖維可得碳/碳復(fù)合材料。碳復(fù)合材料。目前已設(shè)計(jì)了一種目前已設(shè)計(jì)了一種（簡稱（簡稱HPIC）來提高碳來提高碳/碳復(fù)合材料的致密程度。碳復(fù)合材料的致密程度。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：v 以以300C/h 的升溫速率從室溫升到的升溫速率從室溫升到60

18、0Cv以以20C/h 的升溫速率從的升溫速率從600C升到升到1000Cv以以70C/h 的升溫速率從的升溫速率從1000C升到升到2500Cv以以100C/h 的升溫速率從的升溫速率從2500C升到升到2700C + （025C）v在在2700C + （025C）下浸漬）下浸漬30minv冷卻并卸壓冷卻并卸壓 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/石墨纖維增強(qiáng)樹脂在隨后的再浸漬和再熱解中會流下越石墨纖維增強(qiáng)樹脂在隨后的再浸漬和再熱解中會流下越來越多的焦化沉淀物。這樣石墨纖維周圍會出現(xiàn)一層碳來越多的焦化沉淀物。這樣石墨纖維周圍會出現(xiàn)一層碳素物質(zhì)

19、，從而形成碳素物質(zhì)，從而形成碳/碳復(fù)合材料。碳復(fù)合材料。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：v 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)v 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，瀝青的成分常隨產(chǎn)地和提煉方法而異。v 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。 CVD可以用來代替碳可以用來

20、代替碳/石墨纖維浸漬瀝青或合成樹脂石墨纖維浸漬瀝青或合成樹脂基體的工藝過程，也可以在碳基體的工藝過程，也可以在碳/石墨纖維浸漬基體之外再石墨纖維浸漬基體之外再用用CVD處理。處理。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）。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

21、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?xì)庾屵@些活性集團(tuán)擴(kuò)散到坯體的空隙內(nèi)部，如果含碳?xì)怏w在通過坯體之前生成的活性基團(tuán)的速度太快，則容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，這對進(jìn)一步滲透到內(nèi)部不利，有礙易形成表面涂層，這對進(jìn)一步滲透到內(nèi)部不利，有礙于內(nèi)部沉碳。于內(nèi)部沉碳。（簡稱（簡稱PC）和）和是在是在1100C左右碳源左右碳源蒸氣經(jīng)熱解而沉積在基質(zhì)材料上的碳質(zhì)的總稱。蒸氣經(jīng)熱解而沉積在基質(zhì)材料上的碳質(zhì)的總稱。（簡稱（簡稱PG）由碳?xì)浠衔餁怏w在）由碳?xì)浠衔餁怏w在17502250C沉積的碳，沉積的碳，PG的電性能、熱性能和力學(xué)性的電性能、熱性能

22、和力學(xué)性能是各向異性的，隨測方向而變化。能是各向異性的，隨測方向而變化。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。 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、和：是將坯體放在恒溫的空間里（是將坯體放在恒溫的空間里（950 1150C），），在適當(dāng)?shù)偷膲毫υ谶m當(dāng)?shù)偷膲毫?

23、0.1320KPa）下讓烴類氣體在坯體表）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（碳，沉碳速率（2.626cm/h）取決于氣體的擴(kuò)散速率。）取決于氣體的擴(kuò)散速率。此法滲透時(shí)間長，每一周需此法滲透時(shí)間長，每一周需50120h，由于靠近坯體表，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。圖機(jī)械加工將其硬殼層除去，然后再繼續(xù)沉碳。圖9-表示表示材料的密度和結(jié)構(gòu)材料的密度和結(jié)構(gòu)與與沉積溫度沉積溫度和和壓力壓力之間

24、有一定的關(guān)系。之間有一定的關(guān)系。 溫度、壓力、氣流和爐子的幾何形狀都會影響熱解溫度、壓力、氣流和爐子的幾何形狀都會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)墓に囂己蜔峤馐某练e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蕴迹驗(yàn)檫@種碳不措施以避免造成烏黑多灰的各向同性碳，因?yàn)檫@種碳不易石墨化。易石墨化。與均熱流類似，其過程也受氣體擴(kuò)散所支與均熱流類似，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，配，但因爐壓較高，鉛坯體厚度方向可形成一定的溫差，圖圖9-48是這類沉積的一例。是這類沉積的一例。此法此法沉積周期短沉積周期短，制品密度高制品密

25、度高，性能比均熱法更好性能比均熱法更好。存在的問。存在的問題是重復(fù)性差，不能在同一時(shí)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坯間內(nèi)加工不同的坯體和多個坯體，坯體的形狀也不能太復(fù)雜。體，坯體的形狀也不能太復(fù)雜。是在沿坯體厚度方向造成一定的壓力差，反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，如圖應(yīng)氣體被強(qiáng)行通過多孔坯體，如圖4-49所示。所示。此法此法沉積速度快沉積速度快，滲透滲透時(shí)間較短時(shí)間較短，沉積的碳也沉積的碳也較均勻較均勻，適用于外部透，適用于外部透氣性低的部件。由于易氣性低的部件。由于易生成表面硬層，在沉積生成表面硬層，在沉積過程中需要中間加工。過程中需要

26、中間加工。抽真空過程中有利于氣體反應(yīng)產(chǎn)物的排除。由于它能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，故適宜制造不透氣的石墨材料。增加滲透深度，故適宜制造不透氣的石墨材料。是一種改進(jìn)了的均熱法，在沉積過程中利用脈是一種改進(jìn)了的均熱法，在沉積過程中利用脈沖閥交替的充氣和抽真空，圖沖閥交替的充氣和抽真空，圖4-50為此法的示意圖。為此法的示意圖。 化學(xué)氣相沉積法工藝簡單沉積過程中纖維不受損傷，制品的結(jié)構(gòu)較均勻和完整，故致密性好，強(qiáng)度高。為了滿足各種使用的需要，制品的密度和密度梯度也能夠加以控制，所以此法近年來發(fā)展較快。2022-4-123.3.碳/碳復(fù)合材料存在的不足v高溫氧化性氣氛

27、下極易氧化高溫氧化性氣氛下極易氧化v碳復(fù)合材料生產(chǎn)的成本較高大碳復(fù)合材料生產(chǎn)的成本較高大v尺寸制造工藝也有待提高尺寸制造工藝也有待提高2022-4-124.碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用明顯看出，對碳材料的需求逐年增加C/CC/C復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域介紹復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域介紹優(yōu)良的耐熱性能及低重量，可作為金屬熱處理過程中的工具，如燒制墊板，料盒，以及高溫爐內(nèi)耐溫材料?？梢蕴岣叱善仿始吧a(chǎn)效率根據(jù)先進(jìn)的制造技術(shù)，制造出的優(yōu)良的耐磨產(chǎn)品，可用作夾具，剎車片，火車導(dǎo)電架的滑板等等。C/C復(fù)合材料和 C/CMC產(chǎn)品集質(zhì)量輕，耐熱好，熱膨脹小，高強(qiáng)度，高彈性等優(yōu)點(diǎn)于一身，可滿足產(chǎn)業(yè)界多種多樣的需要。耐熱材料領(lǐng)域摩擦材料領(lǐng)

28、域高機(jī)械性能領(lǐng)域C/C復(fù)合材料C/C金屬復(fù)合材料 耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域產(chǎn)品在20002500下生產(chǎn)而成，遇熱變形的狀況不會發(fā)生。 同時(shí)，為了使產(chǎn)品達(dá)到更好的耐熱沖擊性，產(chǎn)品經(jīng)過了反復(fù)的熱處理。 產(chǎn)品的密度為1.61.7g/cm3, 產(chǎn)品重量是耐熱鋼的1/4。 因?yàn)樘妓乩w維經(jīng)過強(qiáng)化處理，強(qiáng)度是原來石墨材料的35倍，產(chǎn)品掉落也不會產(chǎn)生損傷。 耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -工業(yè)爐零件工業(yè)爐零件耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料v爐床v風(fēng)扇v加熱體v爐體v承重板v保溫材v保護(hù)用異形板v螺栓，螺母，墊片耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料- -爐床爐床C/C復(fù)合材料的爐床，與原

29、來的石墨材料相比，因?yàn)椴牧媳旧淼膹?qiáng)度增大，可以減少材料的使用量，以減輕爐內(nèi)重量。因此，C/C材料的采用可以大幅增加爐內(nèi)需要處理材料的重量，增加生產(chǎn)量，可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料- -風(fēng)扇風(fēng)扇熱處理爐生產(chǎn)部門需要選擇很多的標(biāo)準(zhǔn)品。C/C復(fù)合材料的風(fēng)扇，與原來的不銹鋼風(fēng)扇相比，由于沒有熱變形帶來的困擾，所以不需要維修。又因?yàn)镃/C復(fù)合材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以大大減輕發(fā)動機(jī)的負(fù)擔(dān)。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料- -加熱體加熱體與原來的石墨材料相比，C/C復(fù)合材料的加熱體具有“高強(qiáng)度，高彈性”的特點(diǎn)。又因?yàn)镃/C復(fù)合材料經(jīng)過了炭素化處理

30、，有著良好的加工性能。因此，用C/C復(fù)合材料可以相對應(yīng)的制作出尺寸大，厚度薄的各種尺寸的加熱體。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料- -爐體爐體根據(jù)C/C符合材料具有“質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，沒有熱變性”的特性，可以制作出熱處理爐的爐體部分。產(chǎn)品與原來石墨材質(zhì)的爐體相比，由于產(chǎn)品本身強(qiáng)度大，可以采用更少的材料；從而減輕重量。并且增加了熱效率性能，提高了生產(chǎn)效率。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料- -承重板承重板輥輥 棒：棒：高溫爐運(yùn)輸高溫爐運(yùn)輸用連接板：用連接板：l連續(xù)高溫爐的設(shè)計(jì)和制造一般都會采用標(biāo)準(zhǔn)品。當(dāng)爐內(nèi)運(yùn)送重物時(shí)，一般會采用薄鋼板。lC/C復(fù)合材料與耐熱剛質(zhì)輥棒相比

31、，C/C耐熱性能高，不需要進(jìn)行水冷，可以提高爐內(nèi)的保溫性，可以避免水冷系統(tǒng)漏水。lC/C材料幾乎沒有熱變性，可以大幅降低維修的次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。lC/C輥棒本身質(zhì)量輕，能夠減少爐內(nèi)2050%的能量損耗。l連續(xù)高溫爐在設(shè)計(jì)和制造使更多的選擇并使用標(biāo)準(zhǔn)品。l與耐熱剛的聯(lián)接板不同，C/C的聯(lián)接板沒有熱變性，使用壽命長，可以降低托盤的更換頻率，減少驢子維修次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。l此外，由于托盤本身重量的降低，保溫性能的提高，降低了搬送設(shè)備的負(fù)荷，并且大幅降低了能源損耗。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料- -保溫材保溫材板材主要用于爐內(nèi)對保溫材料的保護(hù)。延長保溫材料的使用壽命，減少保溫材的

32、更換頻率，并減少維修的次數(shù)。此外，如圖所示，產(chǎn)品可以折彎，所以在圓形爐里面的使用也是可以實(shí)現(xiàn)的。板材詳細(xì)尺寸見物理性能。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料- -保護(hù)用異形板保護(hù)用異形板為了滿足保溫材不同形狀的需求，我們特意制作了不同形狀的角型板。(L型，U型，H型)產(chǎn)品可以保護(hù)保溫材料的邊角部分，增加強(qiáng)度。U型，H型角板具體尺寸見“物理性能”L L型：型：U U型：型：h h型：型：耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料- -保護(hù)用異形板保護(hù)用異形板C/C復(fù)合材料的螺栓螺母可以在2000高溫下使用產(chǎn)品具有石墨的“沒有熱變形”的優(yōu)點(diǎn)，而且可以多次使用沒有熱損傷，且容易移動。也

33、可以根據(jù)客戶的不同要求生產(chǎn)不同尺寸的產(chǎn)品。全螺產(chǎn)品及一些標(biāo)準(zhǔn)螺栓都有庫存，如有需要，可即刻按照需求交貨。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐內(nèi)材料爐內(nèi)材料- -墊片墊片根據(jù)獨(dú)有的彈簧技術(shù)，生產(chǎn)出含螺紋墊片產(chǎn)品。它可以在高溫下仍然保持彈簧的特性，因此適用于加熱體的端部以及減輕螺栓的受力的部位。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐外材料爐外材料v料架v料盒v夾具v彈簧v玻璃生產(chǎn)線用部件耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐外材料爐外材料- -料架料架CFC產(chǎn)品與原來的耐熱鋼托盤料架相比，具有質(zhì)量輕，無變形的優(yōu)點(diǎn)；且具有比石墨材料強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。因此，CFC的托盤料架自身的重量也可以得到減輕。根據(jù)上述的優(yōu)點(diǎn)，CFC

34、材料在所有的熱處理環(huán)境下，都可以發(fā)揮其優(yōu)異的性能，包括脫蠟，金屬熱處理，粉末冶金等各樣條件下均可使用。CFC產(chǎn)品在生產(chǎn)設(shè)備里面的應(yīng)用，可以減輕托盤和承載框的重量，因此可以提高生產(chǎn)能力，減少操作時(shí)間，并且可以節(jié)省能源；另外，由于不需要反復(fù)操作，可以延長產(chǎn)品的使用壽命。此外，由于熱處理的使用條件各不相同，還需要客戶根據(jù)各自的使用情況選擇合適的產(chǎn)品。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐外材料爐外材料- -料盒料盒耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐外材料爐外材料- -夾具夾具對于脫蠟行業(yè)，擴(kuò)散結(jié)合行業(yè)，以及金屬熱處理行業(yè)來說，為了使產(chǎn)品得到最佳效果，產(chǎn)品夾具的改良成為一個大的課題。C/C材料本身熱變形小，可

35、以在熱處理?xiàng)l件下多次使用，而且具有比耐熱鋼質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。除此高溫下的優(yōu)異性能之外，產(chǎn)品與我公司獨(dú)資研發(fā)的彈簧產(chǎn)品配套使用，可以給夾具帶來一定的使用保護(hù)，從而可以提高生產(chǎn)能力，并且提高可操作性。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐外材料爐外材料- -彈簧彈簧獨(dú)有的彈簧產(chǎn)品保持了C/C材料耐高溫，可反復(fù)使用的優(yōu)良特性。同時(shí)，產(chǎn)品在具有高硬度，高韌性的基礎(chǔ)上，還有著良好的耐磨耗性，耐觸摸性等，因此在很多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。耐熱材料領(lǐng)域耐熱材料領(lǐng)域- -爐外材料爐外材料- -玻璃生產(chǎn)線用部件玻璃生產(chǎn)線用部件產(chǎn)品可以應(yīng)用于玻璃瓶的搬運(yùn)生產(chǎn)線。產(chǎn)品具有良好的耐熱沖擊性，且強(qiáng)度大，在高速搬運(yùn)的生產(chǎn)線上，不會產(chǎn)生

36、斷裂現(xiàn)象。產(chǎn)品具有碳素材料的耐磨耗性，自潤滑性，這使其壽命延長，減少了更換，維修的頻率。產(chǎn)品與原來的碳素材料的高強(qiáng)度相當(dāng)，但耐熱沖擊性更好，不會產(chǎn)生破損，安裝和取出都很方便。產(chǎn)品具有高強(qiáng)度，還有優(yōu)異的加工性能，因此加工出各種各樣的形狀。在玻璃瓶搬運(yùn)中，可以幫助整列排放。C/C材料做成的堆放條即使在溫度很高的情況下，也不會產(chǎn)生熱變形。可以大幅降低堆放條的更換和維修次數(shù)。可以制作長度達(dá)到3米以上的產(chǎn)品。摩擦材料領(lǐng)域摩擦材料領(lǐng)域大大小小摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)滑動停止應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例螺旋槳翼，葉片滑板軸承工業(yè)用離合器工業(yè)用制動器汽車用離合器，限滑差速器LSD汽車用制動器，閘 摩擦材料領(lǐng)域摩擦材料領(lǐng)域-C/C

37、-C/C摩擦材料的特征摩擦材料的特征使用經(jīng)過強(qiáng)化的碳纖維制成，強(qiáng)度是其它粉末燒結(jié)而成的石墨材料的35倍6. 6. 高強(qiáng)度高強(qiáng)度強(qiáng)化碳纖維相當(dāng)于鐵（密度：7.8g/cm3)等金屬密度的1/4 1/55. 5. 低密度低密度密度1.7g/cm3可以根據(jù)具體使用摩擦環(huán)境設(shè)計(jì)相應(yīng)的材料4. 4. 耐損耗性耐損耗性根據(jù)摩擦混境設(shè)計(jì)材料在干燥的環(huán)境下，不需要油脂或者潤滑劑就可以達(dá)到潤滑的效果3. 3. 自潤滑性無摩擦自潤滑性無摩擦碳素特有的性能-自潤滑性可以消除摩擦產(chǎn)生熱量導(dǎo)致的產(chǎn)品變形問題2. 2. 尺寸變形尺度小尺寸變形尺度小熱膨脹系數(shù) 01(10-6/)可以在樹脂和金屬材料都不能使用的溫度趨于使用此

38、產(chǎn)品1. 1. 耐熱度高耐熱度高耐熱度100%相當(dāng)于碳素制品高機(jī)械性能領(lǐng)域高機(jī)械性能領(lǐng)域高機(jī)械性能高機(jī)械性能C/C材料介紹：材料介紹：以前，機(jī)械領(lǐng)域的部件多用陶瓷、鋁，CFRP等材料制備，隨著該行業(yè)的快速大型化，高速化的發(fā)展，對于材料的輕量化和耐熱性提出了更高的要求。為了滿足客戶的需求，因此提出了高性能C/C材料。高性能高性能C/CC/C材料的特征：材料的特征：重量輕高彈性低熱膨脹高剛度和韌性高耐熱沖擊性高機(jī)械性能領(lǐng)域高機(jī)械性能領(lǐng)域- -物理性能參數(shù)與用途物理性能參數(shù)與用途特性項(xiàng)目特性項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)級級高彈性高彈性級級鋁鋁( (參考比參考比較較) )密度 (g/cm3)1.651.653.95抗

39、彎強(qiáng)度 (MPa)150250379彈性模量(GPa)80200370比剛性 (106m)4.912.39.7熱膨脹系數(shù)(10-6/)01018.2特性項(xiàng)目特性項(xiàng)目C/C-AlC/C-CuC/C-SiC復(fù)合金屬AlCuSi密度 (g/cm3)2.12.62.1抗彎強(qiáng)度 (MPa)210300150彈性模量(GPa)805550C/C-Al：與鋁復(fù)合而成，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕質(zhì)量，高強(qiáng)度，高韌性的特點(diǎn)使用舉例：機(jī)器人材料，運(yùn)送托盤C/C-Cu：與銅復(fù)合而成，產(chǎn)品有導(dǎo)電性的同時(shí)，具有高強(qiáng)度以及碳素材料的摩擦性使用舉例：機(jī)車導(dǎo)電架接觸板、摩擦電器零件C/C-SiC：與硅復(fù)合而成，硅與碳素反映形成SiC，使產(chǎn)品的耐酸化性和耐摩擦性得到提升使用舉例：汽車用摩擦材料，軸承高彈性高彈性C/CC/C材料的物理特性：材料的物理特性：C/CMCC/CMC材材料料的物理特性的物理特性： C/CMC材是C/C復(fù)合材料與各種金屬復(fù)合后材料。 也可對清潔室用碳素材料（玻璃炭），樹脂材料（含氟樹脂），金屬材料（鍍鎳）等進(jìn)行表面涂