聚合物基復(fù)合材料-3

1、第四章第四章 聚合物基復(fù)合材料界面聚合物基復(fù)合材料界面 大多數(shù)界面為物理粘接，粘接強度較低。大多數(shù)界面為物理粘接，粘接強度較低。 PMC 一般在較低溫度下使用，故界面可保持相對穩(wěn)定。一般在較低溫度下使用，故界面可保持相對穩(wěn)定。 PMC界面增強本體一般不與基體發(fā)生反應(yīng)。界面增強本體一般不與基體發(fā)生反應(yīng)。4.1聚合物基復(fù)合材料界面的特點聚合物基復(fù)合材料界面的特點第四章第四章 聚合物基復(fù)合材料界面聚合物基復(fù)合材料界面聚合物基復(fù)合材料界面的表征聚合物基復(fù)合材料界面的表征:聚合物基復(fù)合材料界面層結(jié)構(gòu)主要包括增強材料表面、聚合物基復(fù)合材料界面層結(jié)構(gòu)主要包括增強材料表面、與基體的反應(yīng)層或與偶聯(lián)劑的反應(yīng)層，以

2、及接近反應(yīng)層的與基體的反應(yīng)層或與偶聯(lián)劑的反應(yīng)層，以及接近反應(yīng)層的基體抑制層。基體抑制層。界面表征的目的：了解增強材料表面的組成、結(jié)構(gòu)及界面表征的目的：了解增強材料表面的組成、結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)、基體與增強材料表面的作用、偶聯(lián)劑與增物理化學(xué)性質(zhì)、基體與增強材料表面的作用、偶聯(lián)劑與增強材料及基體的作用、界面層性質(zhì)、界面粘接強度的大小、強材料及基體的作用、界面層性質(zhì)、界面粘接強度的大小、殘余應(yīng)力的大小與作用等。殘余應(yīng)力的大小與作用等。手段與方法：電子顯微鏡（手段與方法：電子顯微鏡（SEM、TEM），），光電子能光電子能譜（譜（ESCA、AES）、）、紅外光譜（紅外光譜（FTIR）、）、拉曼光譜拉曼光

3、譜（RAMAN）、）、色譜等。色譜等。第四章第四章 聚合物基復(fù)合材料界面聚合物基復(fù)合材料界面界面強度的測量方法有兩種界面強度的測量方法有兩種： 單纖維測試方法單纖維測試方法 基于實際復(fù)合材料的測試技術(shù)基于實際復(fù)合材料的測試技術(shù) 界面設(shè)計的基本原則：改善浸潤性，提高界面的粘接界面設(shè)計的基本原則：改善浸潤性，提高界面的粘接強度。強度。提高提高PMC界面粘接強度的措施界面粘接強度的措施： 使用偶聯(lián)劑使用偶聯(lián)劑 偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑：也稱活性浸潤劑，它既與增強用玻璃纖維表面形：也稱活性浸潤劑，它既與增強用玻璃纖維表面形成化學(xué)鍵，又與基體具有良好的相容性或與基體反應(yīng)的化學(xué)成化學(xué)鍵，又與基體具有良好的相容性或與基

4、體反應(yīng)的化學(xué)試劑。試劑。常用的偶聯(lián)劑：常用的偶聯(lián)劑：有機硅有機硅、有機鉻、鈦酸酯等。、有機鉻、鈦酸酯等。有機硅偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)通式為有機硅偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)通式為：R-Si-(OR)3 4.2聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善 4.2聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計改善聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計改善 有機硅偶聯(lián)劑對玻璃纖維的作用機制：偶聯(lián)劑在玻璃有機硅偶聯(lián)劑對玻璃纖維的作用機制：偶聯(lián)劑在玻璃纖維表面上的水解、吸附、自聚及偶聯(lián)等。纖維表面上的水解、吸附、自聚及偶聯(lián)等。4.2聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善 增強纖維表面活化增強纖維表面活化通過各種表面

5、處理方法，如表面氧化、等離子處理，通過各種表面處理方法，如表面氧化、等離子處理，可在惰性的碳纖維或玻璃纖維表面上引入活性官能團，例如：可在惰性的碳纖維或玻璃纖維表面上引入活性官能團，例如： -OH、-COOH、 C=O、-NH2等。等。這些官能團一方面與基體中活性基團反應(yīng)，另一方面這些官能團一方面與基體中活性基團反應(yīng)，另一方面也可提高纖維與基體相容性，從而提高強度。也可提高纖維與基體相容性，從而提高強度。4.2聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善 增強纖維表面活化增強纖維表面活化4.2聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善圖圖 4-3 碳納

6、米管經(jīng)處理后表面官能團的紅外測定結(jié)果碳納米管經(jīng)處理后表面官能團的紅外測定結(jié)果 使用聚合物涂層使用聚合物涂層聚合物涂層與增強纖維和基體都有良好的浸潤性，所聚合物涂層與增強纖維和基體都有良好的浸潤性，所以能有效地改善以能有效地改善PMC界面粘接狀況。界面粘接狀況。聚合物涂層的另一個作用是改善界面的應(yīng)力狀態(tài)，降聚合物涂層的另一個作用是改善界面的應(yīng)力狀態(tài)，降低界面的殘余應(yīng)力改善聚合物基復(fù)合材料的沖擊韌性和疲勞低界面的殘余應(yīng)力改善聚合物基復(fù)合材料的沖擊韌性和疲勞性能。性能。4.2聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計與改善第五章第五章 聚合物基復(fù)合材料的性能聚合物基復(fù)合材料的性能 熱

7、性能包括：熱性能包括： 熱傳導(dǎo)與熱容量：決定了熱傳導(dǎo)與熱容量：決定了PMC與外界熱交換和自身溫與外界熱交換和自身溫度度的變化。的變化。 熱膨脹性能：決定熱膨脹性能：決定PMC結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性， 應(yīng)力分布應(yīng)力分布狀狀態(tài)與抗熱震性能。態(tài)與抗熱震性能。 耐熱性能：決定耐熱性能：決定PMC的使用溫度范圍。的使用溫度范圍。5.1PMC的熱性能的熱性能 5.1.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) :導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m K)，表征材料的導(dǎo)熱能力。，表征材料的導(dǎo)熱能力。 材料本身的特性材料本身的特性 溫度的函數(shù)溫度的函數(shù) 5.1PMC的熱性能的熱性能 grdTq 5.1.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能

8、的熱性能 表 5-1 幾種材料的導(dǎo)熱系數(shù) （W / m K）材 料 （300 K） （900 K）金剛石600-銀425325銅400340鋁 220 180銅-35% 鋅 130 180鈦 20 14低碳鋼 60 35 5.1.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能的熱性能 表 5-2 典型熱固性樹脂 35C 下的導(dǎo)熱系數(shù)材 料密度(g/ cm3) (W/ mK)酚醛樹脂1.360.271.250.29環(huán)氧樹脂1.220.201.180.29聚酯樹脂1.220.261.210.18 5.1.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能的熱性能 5.1.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能的熱性能 mr

9、rrCLrrmrmrCTVrmVrrCVVVV)1 ()1 (/)1( 5.1.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能的熱性能 表 5-3 20C 下 GF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)的計算值與實測值的比較VrT (實測值)T (計算值)誤差(%)0.210.2790.289+3.50.330.3360.326-3.10.3850.3410.345+1.20.4250.3750.358-4.7 5.1.2 比熱比熱定義：單位質(zhì)量的物質(zhì)升溫定義：單位質(zhì)量的物質(zhì)升溫 1 所需的熱量稱之。所需的熱量稱之。與別的性質(zhì)不同，復(fù)合材料的比熱與組材料的比熱間與別的性質(zhì)不同，復(fù)合材料的比熱與組材料的比熱間的關(guān)系

10、比較簡單，符合加和性原理：的關(guān)系比較簡單，符合加和性原理：5.1PMC的熱性能的熱性能 piipCmmCVVPPTQmCTQmC)/()/1 ()/()/1 ( 5.1.2 比熱比熱比熱的測試方法主要有比熱的測試方法主要有卡計法、電脈沖加熱法卡計法、電脈沖加熱法與比較法。與比較法。5.1PMC的熱性能的熱性能 圖圖 5-2 下落等溫銅卡計比熱測試法下落等溫銅卡計比熱測試法 裝置原理圖裝置原理圖 5.1.2 比熱比熱測試溫度為測試溫度為T的試樣及度樣筒在很短的時間內(nèi)落入溫度為的試樣及度樣筒在很短的時間內(nèi)落入溫度為 TK的銅卡計中，若試樣筒與銅卡計達成熱淚盈眶平衡后的溫度的銅卡計中，若試樣筒與銅卡

11、計達成熱淚盈眶平衡后的溫度為為TB，則試樣及試樣筒的總熱焓的減少量等于銅卡計的熱焓增，則試樣及試樣筒的總熱焓的減少量等于銅卡計的熱焓增加量，即：加量，即：（mCP + mT CPT) (T-TB) = mk CPK (TB -TK)其中，其中，m試樣的質(zhì)量；試樣的質(zhì)量；CP試樣的比熱；試樣的比熱； mT 試樣筒的質(zhì)量；試樣筒的質(zhì)量； CPT 試樣筒的比熱；試樣筒的比熱； mk 銅卡的質(zhì)量；銅卡的質(zhì)量； CPK 銅卡的比熱。銅卡的比熱?？瞻自囼炛性嚇油才c銅卡計達成熱平衡后的溫度為空白試驗中試樣筒與銅卡計達成熱平衡后的溫度為TB，則有：則有： mT CPT (T- TB ) = mk CPK (T

12、B -TK)CP = （mk CPK /m) (TB - TB )/ (T-TB) 5.1PMC的熱性能的熱性能 5.1.2 比熱比熱5.1PMC的熱性能的熱性能 表 5-4 幾種復(fù)合材料常溫下的比熱復(fù) 合 材 料比熱(kJ/kgK) 環(huán)氧/酚醛樹脂1.92 玻璃小球/硅橡膠1.96 GF/硅橡膠/酚醛1.34 尼龍/酚醛1.46 GF/酚醛1.67 石墨纖維/環(huán)氧1.50復(fù)合材料的比熱的復(fù)合效應(yīng)與其復(fù)合狀態(tài)無關(guān)，而只與組分復(fù)合材料的比熱的復(fù)合效應(yīng)與其復(fù)合狀態(tài)無關(guān)，而只與組分材料因素有關(guān)，表現(xiàn)為最簡單的平均效應(yīng)。材料因素有關(guān)，表現(xiàn)為最簡單的平均效應(yīng)。 5.1.3 熱膨脹性能熱膨脹性能熱膨脹系數(shù)

13、：熱膨脹系數(shù)：表征材料受熱時線度或體積的變化程度。表征材料受熱時線度或體積的變化程度。 =（ L/ T）P/L =（ V/ T）P/V =( L/ T)/L =( V/ T)/V = 1+ 2 + 3 = 3 5.1PMC的熱性能的熱性能 5.1.3 熱膨脹性能熱膨脹性能負膨脹系數(shù)和零膨脹系數(shù)材料負膨脹系數(shù)和零膨脹系數(shù)材料5.1PMC的熱性能的熱性能 表表 5-5 兩兩種種常常見見纖纖維維的的熱熱膨膨脹脹系系數(shù)數(shù)碳碳纖纖維維 (10-6 K)Kevlar纖纖維維(10-6 K)軸軸向向-1-2徑徑向向2859 5.1.3 熱膨脹性能熱膨脹性能5.1PMC的熱性能的熱性能 5.1.3 熱膨脹性能

14、熱膨脹性能5.1PMC的熱性能的熱性能 5.1.3 熱膨脹性能熱膨脹性能 復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響因素復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響因素 組成材料因素組成材料因素: 材料的熱膨脹系數(shù)，材料的熱膨脹系數(shù)， 組成材料含量與模組成材料含量與模量的乘積量的乘積 5.1PMC的熱性能的熱性能 表表 5-8 EV 對對 PMC 熱熱膨膨脹脹系系數(shù)數(shù)的的影影響響材材料料 (10-6 /K) E (GPa) V(%) EV6027 環(huán)環(huán)氧氧553.72702.6玻玻璃璃纖纖維維568.53020.6 5.1.3 熱膨脹性能熱膨脹性能 復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響因素復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響因素復(fù)合狀態(tài)的影響：增強材料在

15、基體中的分布、排布方式，復(fù)合狀態(tài)的影響：增強材料在基體中的分布、排布方式，纖維預(yù)應(yīng)力纖維預(yù)應(yīng)力 使用條件因素：使用溫度，熱循環(huán)使用條件因素：使用溫度，熱循環(huán)5.1PMC的熱性能的熱性能 表表 5-9 PMC 熱膨脹系數(shù)與纖維預(yù)應(yīng)力的關(guān)系熱膨脹系數(shù)與纖維預(yù)應(yīng)力的關(guān)系張力張力(MPa) CL(10-6/K) CT(10-6/K)503.654.2832.154.61001.454.8 5.1.3 耐熱性能耐熱性能PMC的耐熱性能主要決定于其聚合物基體的耐熱性能。的耐熱性能主要決定于其聚合物基體的耐熱性能。5.1PMC的熱性能的熱性能 復(fù)合材料的力學(xué)性能主要包括靜態(tài)性能（拉、壓、彎、復(fù)合材料的力學(xué)性

16、能主要包括靜態(tài)性能（拉、壓、彎、扭等）和動態(tài)性能（斷裂韌性、蠕變性能、疲勞、沖擊等）。扭等）和動態(tài)性能（斷裂韌性、蠕變性能、疲勞、沖擊等）。聚合物基的復(fù)合材料種類可能非常多，但決定一種復(fù)聚合物基的復(fù)合材料種類可能非常多，但決定一種復(fù)合材料性能的主要因素是纖維類型、纖維體積分數(shù)、纖維形合材料性能的主要因素是纖維類型、纖維體積分數(shù)、纖維形式及基體類型等。式及基體類型等。5.2.1靜態(tài)力學(xué)性能靜態(tài)力學(xué)性能PMC 一般直到斷裂都是完全彈性的，沒有屈服點或塑一般直到斷裂都是完全彈性的，沒有屈服點或塑性區(qū)。此外，性區(qū)。此外，PMC的斷裂應(yīng)變很小，與金屬相比，斷裂功小、的斷裂應(yīng)變很小，與金屬相比，斷裂功小、

17、韌性差。韌性差。5.2PMC的力學(xué)性能的力學(xué)性能 5.2.1 靜態(tài)力學(xué)性能靜態(tài)力學(xué)性能5.2PMC的力學(xué)性能的力學(xué)性能 5.2.1 靜態(tài)力學(xué)性能靜態(tài)力學(xué)性能5.2PMC的力學(xué)性能的力學(xué)性能 5.2.1 靜態(tài)力學(xué)性能靜態(tài)力學(xué)性能5.2PMC的力學(xué)性能的力學(xué)性能 5.2.3 疲勞性能疲勞性能所有材料在低于靜態(tài)強度極限的動載荷作用下，經(jīng)過所有材料在低于靜態(tài)強度極限的動載荷作用下，經(jīng)過不同時間都要破壞的現(xiàn)象稱為疲勞。通常用疲勞壽命（循環(huán)不同時間都要破壞的現(xiàn)象稱為疲勞。通常用疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）次數(shù)）N 或疲勞強度或疲勞強度 SN 來表示材料的來表示材料的疲勞性能，疲勞性能，并以所加應(yīng)并以所加應(yīng)力幅值或

18、最大應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線（力幅值或最大應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線（S-N曲線）曲線）形式給出。形式給出。PMC的的 S-N曲線的影響因素曲線的影響因素：載荷形式載荷形式平均應(yīng)力平均應(yīng)力交變應(yīng)力頻率交變應(yīng)力頻率環(huán)境條件環(huán)境條件5.2PMC的力學(xué)性能的力學(xué)性能 5.2.3 疲勞性能疲勞性能5.2PMC的力學(xué)性能的力學(xué)性能 5.2.3 疲勞性能疲勞性能5.2PMC的力學(xué)性能的力學(xué)性能 5.2.4 沖擊韌性沖擊韌性評價復(fù)合材料沖擊韌性最普通的方法是通過測量破壞評價復(fù)合材料沖擊韌性最普通的方法是通過測量破壞一個標準試樣所需能量來確定沖擊韌性。一個標準試樣所需能量來確定沖擊韌性。5.2PMC的力

19、學(xué)性能的力學(xué)性能 5.2.4 沖擊韌性沖擊韌性5.2PMC的力學(xué)性能的力學(xué)性能 5.3.1 電性能電性能體積電阻率：體積電阻率：RV = V d / s5.3PMC的其他性能的其他性能 5.3.1 電性能電性能表面電阻率：表面電阻率：RS = S d / aa材料表面的導(dǎo)電寬度。材料表面的導(dǎo)電寬度。5.3PMC的其他性能的其他性能 5.3.2 光學(xué)性能光學(xué)性能PMC波形板和平板的透光性最好，其全透光率為波形板和平板的透光性最好，其全透光率為 85 - 90 %，接近普通玻璃的透光率。但由于其散射光占全透光很，接近普通玻璃的透光率。但由于其散射光占全透光很大的比例，因此，沒有普通平板玻璃那樣透明

20、。大的比例，因此，沒有普通平板玻璃那樣透明。影響透光性的主要因素：影響透光性的主要因素： 玻璃纖維與樹脂基體的透光性；玻璃纖維與樹脂基體的透光性； 玻璃纖維與樹脂基體的折射率；玻璃纖維與樹脂基體的折射率； 其他因素（表面形狀與光滑程度、纖維的含量與形態(tài)、其他因素（表面形狀與光滑程度、纖維的含量與形態(tài)、固化劑的種類和用量、著色劑、填料的種類與含量等）。固化劑的種類和用量、著色劑、填料的種類與含量等）。5.3PMC的其他性能的其他性能 5.3.3 老化性能老化性能PMC在長期的使用過程中，由于物理和化學(xué)因素的作在長期的使用過程中，由于物理和化學(xué)因素的作用，面發(fā)生物化性能的下降或變差的現(xiàn)象稱為老化。

21、用，面發(fā)生物化性能的下降或變差的現(xiàn)象稱為老化。造成造成PMC老化的因素有：陽光、高能幅射、工業(yè)廢氣、老化的因素有：陽光、高能幅射、工業(yè)廢氣、鹽霧、微生物等。鹽霧、微生物等。老化性能測試：老化性能測試： 戶外測試（戶外曝曬）戶外測試（戶外曝曬） 棚內(nèi)老化試驗棚內(nèi)老化試驗 人工加速老化人工加速老化5.3PMC的其他性能的其他性能 第六章第六章 碳碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料 碳碳/碳復(fù)合材料是以碳復(fù)合材料是以碳纖維碳纖維（或石墨）為增強纖維，以（或石墨）為增強纖維，以碳碳（或石墨）為基體的復(fù)合材料。（或石墨）為基體的復(fù)合材料。特點特點： 優(yōu)異的熱性能，高的導(dǎo)熱性、低的熱膨脹系數(shù)、抗熱沖優(yōu)異的熱性能，高

22、的導(dǎo)熱性、低的熱膨脹系數(shù)、抗熱沖擊。擊。 優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，高溫下的高強度和模量、低蠕變、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，高溫下的高強度和模量、低蠕變、高斷裂韌性。高斷裂韌性。高溫時隨溫度的升高強度也升高高溫時隨溫度的升高強度也升高。 是目前唯一可用于達是目前唯一可用于達 2800 的復(fù)合材料。的復(fù)合材料。6.1簡介簡介 6.1簡介簡介 6.1簡介簡介圖圖 6-2 碳碳/碳復(fù)合材料制造的剎車零件碳復(fù)合材料制造的剎車零件 6.2.1 預(yù)成型體的制備預(yù)成型體的制備基本思路：先將碳增強材料預(yù)先制成預(yù)成型體，然后再基本思路：先將碳增強材料預(yù)先制成預(yù)成型體，然后再以基體碳填充逐漸形成致密的碳以基體碳填充逐漸形成致

23、密的碳/碳復(fù)合材料。碳復(fù)合材料。與聚合物基復(fù)合材料一樣可制成單向、二維或三維的織與聚合物基復(fù)合材料一樣可制成單向、二維或三維的織物。物。6.2碳碳/碳復(fù)合材料的制備工藝碳復(fù)合材料的制備工藝 6.2.2 基體碳的制備基體碳的制備目前碳目前碳/碳復(fù)合材料的基體碳主要是通過化學(xué)氣相沉積碳復(fù)合材料的基體碳主要是通過化學(xué)氣相沉積（CVD）和液態(tài)浸漬含碳化率高的高分子物質(zhì)的碳化來獲得。和液態(tài)浸漬含碳化率高的高分子物質(zhì)的碳化來獲得。一、化學(xué)氣相沉積工藝一、化學(xué)氣相沉積工藝化學(xué)氣相沉積原理：通過氣相的分解或反應(yīng)生成固態(tài)物化學(xué)氣相沉積原理：通過氣相的分解或反應(yīng)生成固態(tài)物質(zhì)，并在某固定基體（基底）上成核、生長。質(zhì)

24、，并在某固定基體（基底）上成核、生長。CH4(g) 加加熱熱 C(s) + 2 H2(g)作為分解或反應(yīng)的氣體有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天燃氣、作為分解或反應(yīng)的氣體有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天燃氣、汽油等。汽油等。6.2碳碳/碳復(fù)合材料的制備工藝碳復(fù)合材料的制備工藝 6.2.2 基體碳的制備基體碳的制備一、化學(xué)氣相沉積工藝一、化學(xué)氣相沉積工藝反應(yīng)氣體通過層流向沉積襯底的過界層擴散。反應(yīng)氣體通過層流向沉積襯底的過界層擴散。 沉積襯底表面吸附反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體產(chǎn)生反應(yīng)并形成沉積襯底表面吸附反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體產(chǎn)生反應(yīng)并形成固態(tài)產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物。固態(tài)產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物。 所產(chǎn)生所產(chǎn)生 的氣體產(chǎn)物解吸附，并沿

25、一邊界層區(qū)域擴散。的氣體產(chǎn)物解吸附，并沿一邊界層區(qū)域擴散。 產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物排出。產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物排出?；瘜W(xué)氣相沉積的主要工藝參數(shù)是反應(yīng)溫度與壓力。在獲得化學(xué)氣相沉積的主要工藝參數(shù)是反應(yīng)溫度與壓力。在獲得碳碳/碳復(fù)合材料的基體碳時，其溫度都在碳復(fù)合材料的基體碳時，其溫度都在 950 以上。以上。具體的工藝有等到溫工藝、壓力梯度工藝和溫度梯度工藝。具體的工藝有等到溫工藝、壓力梯度工藝和溫度梯度工藝。6.2碳碳/碳復(fù)合材料的制備工藝碳復(fù)合材料的制備工藝 6.2.2 基體碳的制備基體碳的制備一、化學(xué)氣相沉積工藝一、化學(xué)氣相沉積工藝6.2碳碳/碳復(fù)合材料的制備工藝碳復(fù)合材料的制備工藝 6.2.2 基體碳的

26、制備基體碳的制備二、液態(tài)浸漬二、液態(tài)浸漬-碳化工藝碳化工藝用該工藝可獲得基體用該工藝可獲得基體碳中的樹脂碳和瀝青碳。碳中的樹脂碳和瀝青碳。為了達到為了達到 碳碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料的要求，一般需要經(jīng)過的要求，一般需要經(jīng)過多次浸漬多次浸漬-碳化過程。碳化過程。6.2碳碳/碳復(fù)合材料的制備工藝碳復(fù)合材料的制備工藝 6.2.2 基體碳的制備基體碳的制備二、液態(tài)浸漬二、液態(tài)浸漬-碳化工藝碳化工藝 500 時主要是縮水，形成水蒸氣逸出，體積收縮時主要是縮水，形成水蒸氣逸出，體積收縮 約約40%。 600 - 700 時，樹脂熱解出甲烷與時，樹脂熱解出甲烷與CO，體積收縮至約體積收縮至約50%。 隨溫度

27、的升高只是脫氫，因此體積收縮趨于穩(wěn)定。隨溫度的升高只是脫氫，因此體積收縮趨于穩(wěn)定。 1700 之后，樹脂碳趨于石墨化，由于收縮造成的裂縫的之后，樹脂碳趨于石墨化，由于收縮造成的裂縫的綜合作用，體積收縮會有所增加。綜合作用，體積收縮會有所增加。6.2碳碳/碳復(fù)合材料的制備工藝碳復(fù)合材料的制備工藝 6.2.2 基體碳的制備基體碳的制備二、液態(tài)浸漬二、液態(tài)浸漬-碳化工藝碳化工藝6.2碳碳/碳復(fù)合材料的制備工藝碳復(fù)合材料的制備工藝6.3碳碳/碳復(fù)合材料的碳復(fù)合材料的性能性能6.3碳碳/碳復(fù)合材料的碳復(fù)合材料的性能性能碳碳/碳復(fù)合材料是目前耐高溫工程結(jié)構(gòu)材料的理想材料，碳復(fù)合材料是目前耐高溫工程結(jié)構(gòu)材料

28、的理想材料，但碳但碳/碳復(fù)合材料在高于碳復(fù)合材料在高于370 時就會發(fā)生氧化，氧化保護時就會發(fā)生氧化，氧化保護極為重要。極為重要。在制備碳在制備碳/碳復(fù)合材料過程中在基體中預(yù)先包含有氧化碳復(fù)合材料過程中在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑抑制劑 在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入6.4碳碳/碳復(fù)合材料的氧化保護碳復(fù)合材料的氧化保護在制備碳在制備碳/碳復(fù)合材料過程中在基體中預(yù)先包含有氧化碳復(fù)合材料過程中在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑抑制劑采用碳采用碳/碳復(fù)合材料內(nèi)含硼或硼化物類抑制劑，可將其碳復(fù)合材料內(nèi)含硼或硼化物類抑制劑，可將其氧化開始溫度提高到氧化

29、開始溫度提高到 600 ，當溫度再高時只能應(yīng)用高溫，當溫度再高時只能應(yīng)用高溫抗氧化涂層的方法?？寡趸繉拥姆椒ā?.4碳碳/碳復(fù)合材料的氧化保護碳復(fù)合材料的氧化保護在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入溫度低于溫度低于1500時時SiC和和 Si3N4陶瓷陶瓷是是較好的抗氧化陶瓷涂層。較好的抗氧化陶瓷涂層。它們具有較好的化學(xué)穩(wěn)它們具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，相對較低的蒸氣定性，相對較低的蒸氣壓和氧的擴散滲透率，壓和氧的擴散滲透率，與碳相容性好，熱膨脹與碳相容性好，熱膨脹系數(shù)低。系數(shù)低。6.4碳碳/碳復(fù)合材料的氧化保護碳復(fù)合材料的氧化保護在碳復(fù)合材料的

30、表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入溫度介于溫度介于1500 - 1800時時采用如采用如 SiO2 + SiC的復(fù)合涂層。的復(fù)合涂層。6.4碳碳/碳復(fù)合材料的氧化保護碳復(fù)合材料的氧化保護在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入溫度高于溫度高于 1800時時采用如采用如ZrO2 HO2 Y2O3 和和 ThO2的復(fù)合涂層。它們在的復(fù)合涂層。它們在2000 以上時仍有所需的熱穩(wěn)定性。以上時仍有所需的熱穩(wěn)定性。Al2O3則可用于則可用于1800 - 2000 。6.4碳碳/碳復(fù)合材料的氧化保護碳復(fù)合材料的氧化保護

31、第七章第七章 PMC的應(yīng)用的應(yīng)用 試驗表明，人造衛(wèi)星的重量如果減少試驗表明，人造衛(wèi)星的重量如果減少 1公斤，則用于公斤，則用于其發(fā)射的火箭重量可減少其發(fā)射的火箭重量可減少200公斤以上。公斤以上。衛(wèi)星天線、支撐結(jié)構(gòu)與殼體等基本上都是衛(wèi)星天線、支撐結(jié)構(gòu)與殼體等基本上都是PMC材料。材料。另一個原因是由于聚合物基復(fù)合材料優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另一個原因是由于聚合物基復(fù)合材料優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。美國航天飛機中使用美國航天飛機中使用PMC材料后的減重超過了材料后的減重超過了1200公公斤，主要有斤，主要有KF/EP復(fù)合材料制的壓力容器等，其艙門就使復(fù)合材料制的壓力容器等，其艙門就使用了用了CF/EP復(fù)合材料

32、復(fù)合材料 1452公斤。此外，公斤。此外，“三叉戟三叉戟I”、MX型導(dǎo)彈殼體等都是采用了型導(dǎo)彈殼體等都是采用了K-49/EP復(fù)合材料。復(fù)合材料。7.1在宇航工業(yè)中的應(yīng)用在宇航工業(yè)中的應(yīng)用第七章第七章 PMC的應(yīng)用的應(yīng)用 7.1在宇航工業(yè)中的應(yīng)用在宇航工業(yè)中的應(yīng)用第七章第七章 PMC的應(yīng)用的應(yīng)用 航空工業(yè)是聚合物基航空工業(yè)是聚合物基復(fù)合材料使用最早、用量復(fù)合材料使用最早、用量最多的部分之一。最多的部分之一。7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用在航空工業(yè)中的應(yīng)用 7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用在航空工業(yè)中的應(yīng)用 7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用在航空工業(yè)中的應(yīng)用 7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用在航空工業(yè)中的應(yīng)用表表 7-1 飛機

33、部件上使用飛機部件上使用 PMC 材料的例子材料的例子部件名稱部件名稱材材 料料質(zhì)量減輕質(zhì)量減輕 (%)研制研制/生產(chǎn)單位生產(chǎn)單位“F4”方向方向舵舵BF / 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂35麥克唐納公司麥克唐納公司“F5”起落架門”起落架門BF / 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂29諾斯羅普飛機公司諾斯羅普飛機公司“F39A”機翼箱”機翼箱BF / 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂37北美飛機公司北美飛機公司“F14”安定面安定面BF/EP91 公斤公斤格羅曼飛機公司格羅曼飛機公司“A-4”襟翼”襟翼GF+BF/EP47道格拉斯飛機公司道格拉斯飛機公司“Vc-10”副翼支柱副翼支柱GF+BF/EP43英國皇家航空中心英國皇家航空中心

34、“F-5”翼端”翼端GF+BF/EP21諾斯羅普飛機公司諾斯羅普飛機公司“737”擾流器”擾流器CF / 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂20波音公司波音公司 7.3在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用由于聚合物基復(fù)合材料具有突出的耐酸、耐堿和耐其由于聚合物基復(fù)合材料具有突出的耐酸、耐堿和耐其他介質(zhì)腐蝕等特點，已在石油化工設(shè)備和化學(xué)防腐工程上獲他介質(zhì)腐蝕等特點，已在石油化工設(shè)備和化學(xué)防腐工程上獲得了廣泛應(yīng)用。得了廣泛應(yīng)用。采用聚合物基復(fù)合材料代替不銹鋼、銅、鉛、鈦、鎳采用聚合物基復(fù)合材料代替不銹鋼、銅、鉛、鈦、鎳合金制造的各種貯罐、容器、冷卻塔、酸洗槽、液體輸送管合金制造的各種貯罐、容器、冷卻塔、酸洗槽、

35、液體輸送管道、煙囪等因質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、維修方便、使用壽道、煙囪等因質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、維修方便、使用壽命長等特點取得了明顯的經(jīng)濟效益。命長等特點取得了明顯的經(jīng)濟效益。美國各大石油公司的公路加油站所用的汽油貯罐已采美國各大石油公司的公路加油站所用的汽油貯罐已采用玻璃鋼制造，容量為用玻璃鋼制造，容量為 22.5 m3, 美國最大的玻璃鋼貯罐已達美國最大的玻璃鋼貯罐已達 3000 m3 。美國用玻璃鋼管代替美國用玻璃鋼管代替 2000多米鋼管輸送苛性鉀生產(chǎn)中多米鋼管輸送苛性鉀生產(chǎn)中的殘液，質(zhì)量減輕的殘液，質(zhì)量減輕60 %，成本降低，成本降低 1/3，壽命由原來的，壽命由原來的6-9個月提高到個月提高到 2-5 年。年。 7.4在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括車輛制造及造船工業(yè)上的應(yīng)用。主要包括車輛制造及造船工業(yè)上的應(yīng)用。在汽車制造方面，現(xiàn)在已用聚合物基復(fù)合材料制造