CC復(fù)合材料課件

第七章CC復(fù)合材料第七章CC復(fù)合材料第七章CC復(fù)合材料第六章C/C復(fù)合材料定義：C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖維及其織物為增強(qiáng)材料，以碳（或石墨）為基體，通過(guò)加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料發(fā)展；C/C復(fù)合材料的特性；C/C復(fù)合材料的原材料；C/C復(fù)合材料成型加工方法；C/C復(fù)合材料應(yīng)用。12021/2/22第七章CC復(fù)合材料第七章CC復(fù)合材料第七章CC復(fù)合材料第六章C/C復(fù)合材料定義：C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖維及其織物為增強(qiáng)材料，以碳（或石墨）為基體，通過(guò)加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料發(fā)展；C/C復(fù)合材料的特性；C/C復(fù)合材料的原材料；C/C復(fù)合材料成型加工方法；C/C復(fù)合材料應(yīng)用。22021/2/22第六章C/C復(fù)合材料定義：C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖6.1C/C復(fù)合材料的發(fā)展石墨：具有耐高溫、抗熱震、導(dǎo)熱好、彈性模量高、耐磨、化學(xué)惰性以及強(qiáng)度隨溫度升高而增加等性能，是優(yōu)異的適合于惰性氣體環(huán)境和燒蝕環(huán)境的高溫材料。但韌性差，對(duì)裂紋敏感。C/C復(fù)合材料：以碳纖維增強(qiáng)碳基體的C/C復(fù)合材料。它除能保持碳（石墨）原來(lái)的優(yōu)良性能外，又能克服它的缺點(diǎn)，大大提高了韌性和強(qiáng)度，降低了熱膨脹系數(shù)，尤其是因?yàn)橄鄬?duì)密度小，具有很高的比強(qiáng)度和比模量。32021/2/226.1C/C復(fù)合材料的發(fā)展石墨：具有耐高溫、抗熱震、導(dǎo)熱好

材料的發(fā)展與需求相聯(lián)系耐燒蝕材料需求：飛船返回艙和航天飛機(jī)的鼻嘴最高溫度分別為1800℃和1650℃。C/C具有高燒蝕熱、低的燒蝕率、抗熱沖擊和超熱環(huán)境下具有高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)?？赡褪?0000℃的駐點(diǎn)溫度，在非氧化環(huán)境下可保持在2000℃以上。是再入環(huán)境中高性能的理想燒蝕材料。高溫耐磨材料需求：C/C是唯一能在極高溫度下使用的摩阻材料，且密度僅為1.7～1.9。42021/2/22材料的發(fā)展與需求相聯(lián)系42021/2/226.2C/C復(fù)合材料的特性C/C復(fù)合材料的性能與纖維的類型、增強(qiáng)方向、制造條件以及基體碳的微觀結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。力學(xué)性能熱物理性能燒蝕性能化學(xué)穩(wěn)定性52021/2/226.2C/C復(fù)合材料的特性C/C復(fù)合材料的性能與纖維的類6.2.1力學(xué)性能C/C復(fù)合材料強(qiáng)度與組分材料性質(zhì)、增強(qiáng)材料的方向、含量以及纖維與基體界面結(jié)合程度有關(guān)；室溫強(qiáng)度和模量一般C/C：拉伸強(qiáng)度>270GPa、彈性模量>69GPa

先進(jìn)C/C：強(qiáng)度>349MPa，其中單向高強(qiáng)度C/C可達(dá)700MPa。（通用鋼材強(qiáng)度500～600MPa）高溫力學(xué)性能：室溫強(qiáng)度可以保持到2500℃，在1000℃以上時(shí)，強(qiáng)度最低的C/C的比強(qiáng)度也較耐熱合金和陶瓷材料的高，是當(dāng)今在太空環(huán)境下使用的高溫力學(xué)性能最好的材料。對(duì)熱應(yīng)力不敏感：一旦產(chǎn)生裂紋，不會(huì)像石墨和陶瓷那樣嚴(yán)重的力學(xué)性能損失。62021/2/226.2.1力學(xué)性能C/C復(fù)合材料強(qiáng)度與組分材料性質(zhì)、增強(qiáng)6.2.2物理性能熱膨脹性能低：常溫下為-0.4～1.8×10-6/K，僅為金屬材料的1/5～1/10；導(dǎo)熱系數(shù)高：室溫時(shí)約為0.38～0.45cal/cm·s·℃（鐵：0.13），當(dāng)溫度為1650℃時(shí)，降為0.103cal/cm·s·℃。比熱高：其值隨溫度上升而增大，因而能儲(chǔ)存大量的熱能，室溫比能約為0.3kcal/kg·℃（鐵：0.11）,1930℃時(shí)為0.5kcal/kg·℃。密度：<1.7～1.9；熔點(diǎn)：4100℃。耐磨性：摩擦系數(shù)小，具有優(yōu)異的耐磨擦磨損性能，是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料。72021/2/226.2.2物理性能熱膨脹性能低：常溫下為-0.4～1.86.2.3燒蝕性能燒蝕性能：在高溫高壓氣流沖刷下，通過(guò)材料發(fā)生的熱解、氣化、融化、升華、輻射等物理和化學(xué)過(guò)程，將材料表面的質(zhì)量遷移帶走大量的熱量，達(dá)到耐高溫的目的。C/C的升華溫度高達(dá)3600℃，在這樣的高溫度下，通過(guò)表面升華、輻射除去大量熱量，使傳遞到材料內(nèi)部的熱量相應(yīng)地減少。表6-1不同材料的有效燒蝕熱的比較82021/2/226.2.3燒蝕性能燒蝕性能：在高溫高壓氣流沖刷下，通過(guò)材6.2.4化學(xué)穩(wěn)定性C/C除含有少量的氫、氮和微量金屬元素外，幾乎99%以上都是元素C，因此它具有和C一樣的化學(xué)穩(wěn)定性。耐腐蝕性：C/C像石墨一樣具有耐酸、堿和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性；氧化性能：C/C在常溫下不與氧作用，開(kāi)始氧化溫度為400℃，高于600℃會(huì)嚴(yán)重氧化。提高其耐氧化性方法—成型時(shí)加入抗氧化物質(zhì)或表面加碳化硅涂層。92021/2/226.2.4化學(xué)穩(wěn)定性C/C除含有少量的氫、氮和微量金屬元6.2.5其他性能生物相容性好：是人體骨骼、關(guān)節(jié)、顱蓋骨補(bǔ)塊和牙床的優(yōu)良替代材料；安全性和可靠性高：若用于飛機(jī)，其可靠性為傳統(tǒng)材料的數(shù)十倍。飛機(jī)用鋁合金構(gòu)件從產(chǎn)生裂紋至破斷的時(shí)間是1mim，而C/C是51mim。102021/2/226.2.5其他性能生物相容性好：是人體骨骼、關(guān)節(jié)、顱蓋骨表6-2C/C與宇航級(jí)石墨ATJ-S性能比較性能溫度℃T-50-221-44ATJ-5X-y向Z向結(jié)晶向⊥結(jié)晶向密度241.91.83拉伸強(qiáng)度/MPa24250014028012623139.654.330.543.4抗拉模量/GPa24250059.440.952.430.511.711.27.87.4斷裂延伸率/%2425000.180.20.20.210.452.00.542.2抗彎強(qiáng)度/MPa24250014219042.770.438.268.5T-50-221-44為三向正交細(xì)編C/C復(fù)合材料112021/2/22表6-2C/C與宇航級(jí)石墨ATJ-S性能比較性能溫度℃6.3C/C用組分材料選擇C/C用碳纖維選擇C/C的基體前驅(qū)體122021/2/226.3C/C用組分材料選擇C/C用碳纖維選擇122021/6.3.1C/C用碳纖維選擇1）碳纖維堿金屬等雜質(zhì)含量越低越好C/C的一個(gè)重要用途是耐燒蝕材料，鈉等堿金屬是碳的氧化催化劑；當(dāng)C/C用來(lái)制造飛行器燒蝕部件時(shí)，飛行器飛行過(guò)程中由于熱燒蝕而在尾部形成含鈉離子流，易被探測(cè)和跟蹤，突防和生存能力受到威脅。制造C/C的碳纖維堿金屬含量要求<100mg/kg，目前黏膠基碳纖維和PAV基碳纖維（特別是石墨纖維）堿金屬含量均滿足要求。堿金屬含量<50mg/kg的超純碳纖維的研制也正在進(jìn)行中。132021/2/226.3.1C/C用碳纖維選擇1）碳纖維堿金屬等雜質(zhì)含量越2）對(duì)性能要求采用高模量中強(qiáng)或高強(qiáng)中模量碳纖維制造C/C不僅強(qiáng)度和模量的利用率高，而且具有優(yōu)異的熱性能。例如：選用HM（高模量型）MP（中間相）或MJ系列纖維由于發(fā)達(dá)的石墨層平面和較好的擇優(yōu)取向，抗氧化性能不僅優(yōu)于通用的亂層石墨結(jié)構(gòu)碳纖維，而且熱膨脹系數(shù)小，可減小浸漬碳化過(guò)程中產(chǎn)生的收縮以及減少因收縮而產(chǎn)生的裂紋，使整體的綜合性能得到提高。142021/2/222）對(duì)性能要求采用高模量中強(qiáng)或高強(qiáng)中模量碳纖維制造C/C不僅3）對(duì)碳纖維表面處理及界面特性的要求碳纖維表面處理對(duì)C/C有顯著的影響未經(jīng)表面處理的碳纖維，兩相界面粘接薄弱，基體的收縮使兩相界面脫粘，纖維不會(huì)損傷；當(dāng)基體的裂紋傳播到兩相界面時(shí)，薄弱界面層可緩沖裂紋傳播速度或改變傳播方向，或界面剝離吸收掉集中的應(yīng)力，從而使碳纖維免受損傷而充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用，使C/C強(qiáng)度提高。未經(jīng)表面處理的碳纖維和石墨纖維更適宜制造C/C復(fù)合材料。152021/2/223）對(duì)碳纖維表面處理及界面特性的要求碳纖維表面處理對(duì)C/C有6.3.2C/C的基體前驅(qū)體C/C的基體材料有熱解碳和浸漬碳兩種。熱解碳的前驅(qū)體：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烴等；浸漬碳的前驅(qū)體：主要有瀝青和樹(shù)脂，瀝青：主要采用天然瀝青和煤瀝青；樹(shù)脂：采用熱固性樹(shù)脂或熱塑性樹(shù)脂，常用熱固性樹(shù)脂—酚醛、呋喃、糠醛、糠醇和聚酰亞胺等，熱塑性樹(shù)脂—聚醚醚酮、聚芳基乙炔、聚苯并咪唑等。其中用量最大的是酚醛和呋喃類樹(shù)脂。比較：瀝青浸漬碳—產(chǎn)碳率較低，但易于石墨化，生成的碳電阻率低、熱導(dǎo)率高、模量高，最終生成各向同性的石墨；樹(shù)脂浸漬碳—產(chǎn)碳率高，但難以石墨化，且電阻率高、熱導(dǎo)率低，最終生成各向異性的石墨。162021/2/226.3.2C/C的基體前驅(qū)體C/C的基體材料有熱解6.3.3基體前驅(qū)體組成及碳收率

前驅(qū)體中的含碳量和熱解碳收率是評(píng)價(jià)前驅(qū)體優(yōu)劣的兩個(gè)重要指標(biāo)表6-3基體前驅(qū)體及其組成表6-4基體前驅(qū)體含碳量及熱解碳收率172021/2/226.3.3基體前驅(qū)體組成及碳收率前驅(qū)體中的含碳量和熱6.4C/C復(fù)合材料的成型技術(shù)C/C復(fù)合材料制備：液體浸漬分解法和氣相沉積法碳纖維預(yù)制體浸漬熱固性樹(shù)脂碳化、石墨化C/C復(fù)合材料化學(xué)氣相沉積法通入C、H化合物氣體加熱分解、沉積液體浸漬分解法182021/2/226.4C/C復(fù)合材料的成型技術(shù)C/C復(fù)合材料制備：液體浸6.4.1預(yù)制體的制備碳纖維預(yù)制體是根據(jù)結(jié)構(gòu)工況和形狀要求，編織而成的具有大量空隙的織物。二維編織物：面內(nèi)各向性能好，但層間和垂直面方向性能差；三維編織物：改善層間和垂直面方向性能；多向編織物：編織成四、五、七、十一向增強(qiáng)的預(yù)制體，使其接近各向同性。192021/2/226.4.1預(yù)制體的制備碳纖維預(yù)制體是根據(jù)結(jié)構(gòu)工況和形狀要6.4.2預(yù)制體和碳基體的復(fù)合碳纖維編織預(yù)制體是空虛的，需向內(nèi)滲碳使其致密化，以實(shí)現(xiàn)預(yù)制體和碳基體的復(fù)合。滲碳方法：液態(tài)浸漬熱分解法、化學(xué)氣相沉積法?；疽螅夯w的先驅(qū)體與預(yù)制體的特性相一致，以確保得到高致密和高強(qiáng)度的C/C復(fù)合材料。202021/2/226.4.2預(yù)制體和碳基體的復(fù)合碳纖維編織預(yù)制體是空虛的，一、液體浸漬分解法1）浸漬用基體的先驅(qū)體選擇：選擇先驅(qū)體時(shí)應(yīng)考慮下列特性-黏度、碳收獲率、碳的微觀結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)。通常有熱固性樹(shù)脂和瀝青兩大類。其中常用的有酚醛樹(shù)脂和呋喃樹(shù)脂以及煤焦油瀝青和石油瀝青。熱固性樹(shù)脂：經(jīng)熱解其碳的質(zhì)量轉(zhuǎn)化率為50%～60%；瀝青：常壓下產(chǎn)碳率為50%左右，在10MPa氮壓和550℃下產(chǎn)碳率可高達(dá)90%。212021/2/22一、液體浸漬分解法1）浸漬用基體的先驅(qū)體選擇：選擇先驅(qū)體時(shí)2）低壓浸漬預(yù)制件的浸漬：通常在真空下進(jìn)行，有時(shí)為保證樹(shù)脂或?yàn)r青滲入所有空隙也需施加一定壓力。固化及碳化：若先驅(qū)體為樹(shù)脂需先固化，然后碳化。碳化在惰性氣氛中進(jìn)行，溫度范圍為650～1100℃；石墨化：為提高模量有必要進(jìn)行石墨化，通常在惰性氣氛爐中進(jìn)行，溫度范圍2600～2750℃。低壓浸漬很難得到高致密度的C/C，其密度一般為1.6～1.85，空隙率約為8～10%。222021/2/222）低壓浸漬預(yù)制件的浸漬：通常在真空下進(jìn)行，有時(shí)為保證樹(shù)3）高壓浸漬PIC工藝：浸漬和碳化都在高壓下進(jìn)行，利用等靜壓技術(shù)使浸漬和碳化都在熱等靜壓爐內(nèi)進(jìn)行。可提高產(chǎn)碳率降低空隙率。表6-5PIC工藝壓力對(duì)致密化的影響，當(dāng)外壓增加到6.9MPa時(shí)產(chǎn)碳率顯著增加，高密度C/C復(fù)合材料需要51.7～103.4MPa的外壓。232021/2/223）高壓浸漬PIC工藝：浸漬和碳化都在高壓下進(jìn)行，利用等二、氣相沉積法氣相沉積法（CVD法）：將碳?xì)浠衔?，如甲烷、丙烷、天然氣等通入預(yù)制體，并使其分解，析出的碳沉積在預(yù)制體中。技術(shù)關(guān)鍵：熱分解的碳均勻沉積到預(yù)制體中。影響因素：預(yù)制體的性質(zhì)、氣源和載氣、溫度和壓力都將影響過(guò)程的效率、沉積碳基體的性能及均勻性。工藝方法：等溫法、溫度梯度法、差壓法。242021/2/22二、氣相沉積法氣相沉積法（CVD法）：將碳?xì)浠衔?，如甲烷?）等溫法工藝過(guò)程：將預(yù)制體放入等溫感應(yīng)爐中加熱，導(dǎo)入碳?xì)浠衔锖洼d氣，碳?xì)浠衔锓纸夂?，碳沉積在預(yù)制體中。工藝控制：為使碳均勻沉積，溫度應(yīng)該控制得使碳?xì)浠衔锏臄U(kuò)散速度低于碳的沉積速度。特點(diǎn)：該法制得的C/C中碳沉積均勻，因而性能也較均勻。但沉積時(shí)間較長(zhǎng)，容易使材料表面產(chǎn)生熱裂紋。252021/2/221）等溫法工藝過(guò)程：將預(yù)制體放入等溫感應(yīng)爐中加熱，導(dǎo)入碳?xì)?）溫度梯度法工藝方法：將感應(yīng)線圈和感應(yīng)器的幾何形狀做得與預(yù)制體相同。接近感應(yīng)器的預(yù)制體外表面是溫度最高的區(qū)域，碳的沉積由此開(kāi)始，向徑向發(fā)展。特點(diǎn)：與等溫法相比，沉積速度快，但一爐只能處理一件，不同溫度得到的沉積物的微觀結(jié)構(gòu)有差別。262021/2/222）溫度梯度法工藝方法：將感應(yīng)線圈和感應(yīng)器的幾何形狀做得與3）差壓法工藝方法：通過(guò)在織物厚度方向上形成的壓力梯度促使氣體通過(guò)植物間隙。將預(yù)制體的底部密封后放入感應(yīng)爐中等溫加熱，碳?xì)浠衔镆砸欢ǖ恼龎簩?dǎo)入預(yù)制體內(nèi)，在預(yù)制體壁兩邊造成壓差，迫使氣體流過(guò)空隙，加快沉積速度。272021/2/223）差壓法工藝方法：通過(guò)在織物厚度方向上形成的壓力梯度促使三、CVD法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：基體性能好，且與其他致密化工藝一起使用，充分利用各自的優(yōu)勢(shì)?？梢詫VD法和液態(tài)浸漬法聯(lián)合應(yīng)用，可以提高材料的致密度。缺點(diǎn)：沉積碳的阻塞作用形成很多封閉的小空隙，得到的C/C復(fù)合材料密度低。表6-6樹(shù)脂/瀝青浸漬與CVD制C/C復(fù)合材料性能比較282021/2/22三、CVD法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：基體性能好，且與其他致密化工藝一起6.5C/C復(fù)合材料的應(yīng)用

世界各國(guó)均把C/C復(fù)合材料用作先進(jìn)飛行器高溫區(qū)的主要熱結(jié)構(gòu)材料，其次是作為飛機(jī)和汽車等的剎車材料。飛行器中的應(yīng)用剎車材料方面應(yīng)用其他應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景292021/2/226.5C/C復(fù)合材料的應(yīng)用世界各國(guó)均把C/C復(fù)合6.5.1先進(jìn)飛行器上的應(yīng)用作為高性能的重返大氣層飛行器的鼻嘴和熱屏蔽材料，先進(jìn)的推進(jìn)裝置的耐沖蝕、尺寸穩(wěn)定和熱穩(wěn)定材料。表6-7C/C在航天飛機(jī)上的應(yīng)用表6-8C/C在戰(zhàn)略導(dǎo)彈上的應(yīng)用。302021/2/226.5.1先進(jìn)飛行器上的應(yīng)用作為高性能的重返大氣層飛行器

圖6-1C/C在航天飛機(jī)上的應(yīng)用部位航天飛機(jī)表面溫度C/C在航天飛機(jī)上應(yīng)用部位312021/2/22圖6-1C/C在航天飛機(jī)上的應(yīng)用部位航天飛機(jī)表面溫度

圖6-2導(dǎo)彈鼻嘴322021/2/22圖6-2導(dǎo)彈鼻嘴322021/2/226.5.2剎車材料方面的應(yīng)用法國(guó)歐洲動(dòng)力公司大量生產(chǎn)C/C剎車片，用作飛機(jī)（如幻影式戰(zhàn)斗機(jī)）、汽車（如賽車）和高速火車的剎車材料。波音747上使用C/C剎車裝置，大約使機(jī)身質(zhì)量減輕了816.5kg。日本C/C用作飛機(jī)剎車材料已有10年的歷史。日本協(xié)和式超音速客機(jī)共8個(gè)輪，剎車片約用300kgC/C復(fù)合材料，可使飛機(jī)減輕450kg。用作F-1賽車剎車片，可使其減輕11kg。332021/2/226.5.2剎車材料方面的應(yīng)用法國(guó)歐洲動(dòng)力公司大量生產(chǎn)C/6.5.3其他方面的應(yīng)用醫(yī)療：C/C與人體組織生理上相容，彈性模量和密度可以設(shè)計(jì)得與人骨相近，并且強(qiáng)度高，可做人工骨。工業(yè)生產(chǎn)：美國(guó)用作玻璃工業(yè)中的熱端、高溫模具、高溫真空爐內(nèi)襯材料；核反應(yīng)堆零件、電觸頭、熱密封墊和軸承。342021/2/226.5.3其他方面的應(yīng)用醫(yī)療：C/C與人體組織生理上相容6.5.4C/C的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景今后將以結(jié)構(gòu)C/C復(fù)合材料為主，向功能和多功能C/C復(fù)合材料發(fā)展；在編制技術(shù)方面：由單向朝多向發(fā)展；機(jī)械針織技術(shù)方面：由簡(jiǎn)單機(jī)械向高度機(jī)械化、微機(jī)化和計(jì)算機(jī)程控全自動(dòng)化發(fā)展；應(yīng)用方面：由先進(jìn)飛行器向普通航空和汽車、非航天高溫結(jié)構(gòu)領(lǐng)域發(fā)展，向民用化和低成本化發(fā)展。352021/2/226.5.4C/C的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景今后將以結(jié)構(gòu)C/C復(fù)

圖6-3C/C可能應(yīng)用于小汽車的部位362021/2/22圖6-3C/C可能應(yīng)用于小汽車的部位362021本章小結(jié)C/C復(fù)合材料？C/C復(fù)合材料的特性；C/C復(fù)合材料組分材料的種類和基本要求；C/C復(fù)合材料制備方法；C/C復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。372021/2/22本章小結(jié)C/C復(fù)合材料？372021/2/22謝謝！382021/2/22謝謝！382021/2/22第七章CC復(fù)合材料第七章CC復(fù)合材料第七章CC復(fù)合材料第六章C/C復(fù)合材料定義：C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖維及其織物為增強(qiáng)材料，以碳（或石墨）為基體，通過(guò)加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料發(fā)展；C/C復(fù)合材料的特性；C/C復(fù)合材料的原材料；C/C復(fù)合材料成型加工方法；C/C復(fù)合材料應(yīng)用。392021/2/22第七章CC復(fù)合材料第七章CC復(fù)合材料第七章CC復(fù)合材料第六章C/C復(fù)合材料定義：C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖維及其織物為增強(qiáng)材料，以碳（或石墨）為基體，通過(guò)加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料發(fā)展；C/C復(fù)合材料的特性；C/C復(fù)合材料的原材料；C/C復(fù)合材料成型加工方法；C/C復(fù)合材料應(yīng)用。402021/2/22第六章C/C復(fù)合材料定義：C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖6.1C/C復(fù)合材料的發(fā)展石墨：具有耐高溫、抗熱震、導(dǎo)熱好、彈性模量高、耐磨、化學(xué)惰性以及強(qiáng)度隨溫度升高而增加等性能，是優(yōu)異的適合于惰性氣體環(huán)境和燒蝕環(huán)境的高溫材料。但韌性差，對(duì)裂紋敏感。C/C復(fù)合材料：以碳纖維增強(qiáng)碳基體的C/C復(fù)合材料。它除能保持碳（石墨）原來(lái)的優(yōu)良性能外，又能克服它的缺點(diǎn)，大大提高了韌性和強(qiáng)度，降低了熱膨脹系數(shù)，尤其是因?yàn)橄鄬?duì)密度小，具有很高的比強(qiáng)度和比模量。412021/2/226.1C/C復(fù)合材料的發(fā)展石墨：具有耐高溫、抗熱震、導(dǎo)熱好

材料的發(fā)展與需求相聯(lián)系耐燒蝕材料需求：飛船返回艙和航天飛機(jī)的鼻嘴最高溫度分別為1800℃和1650℃。C/C具有高燒蝕熱、低的燒蝕率、抗熱沖擊和超熱環(huán)境下具有高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)?？赡褪?0000℃的駐點(diǎn)溫度，在非氧化環(huán)境下可保持在2000℃以上。是再入環(huán)境中高性能的理想燒蝕材料。高溫耐磨材料需求：C/C是唯一能在極高溫度下使用的摩阻材料，且密度僅為1.7～1.9。422021/2/22材料的發(fā)展與需求相聯(lián)系42021/2/226.2C/C復(fù)合材料的特性C/C復(fù)合材料的性能與纖維的類型、增強(qiáng)方向、制造條件以及基體碳的微觀結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。力學(xué)性能熱物理性能燒蝕性能化學(xué)穩(wěn)定性432021/2/226.2C/C復(fù)合材料的特性C/C復(fù)合材料的性能與纖維的類6.2.1力學(xué)性能C/C復(fù)合材料強(qiáng)度與組分材料性質(zhì)、增強(qiáng)材料的方向、含量以及纖維與基體界面結(jié)合程度有關(guān)；室溫強(qiáng)度和模量一般C/C：拉伸強(qiáng)度>270GPa、彈性模量>69GPa

先進(jìn)C/C：強(qiáng)度>349MPa，其中單向高強(qiáng)度C/C可達(dá)700MPa。（通用鋼材強(qiáng)度500～600MPa）高溫力學(xué)性能：室溫強(qiáng)度可以保持到2500℃，在1000℃以上時(shí)，強(qiáng)度最低的C/C的比強(qiáng)度也較耐熱合金和陶瓷材料的高，是當(dāng)今在太空環(huán)境下使用的高溫力學(xué)性能最好的材料。對(duì)熱應(yīng)力不敏感：一旦產(chǎn)生裂紋，不會(huì)像石墨和陶瓷那樣嚴(yán)重的力學(xué)性能損失。442021/2/226.2.1力學(xué)性能C/C復(fù)合材料強(qiáng)度與組分材料性質(zhì)、增強(qiáng)6.2.2物理性能熱膨脹性能低：常溫下為-0.4～1.8×10-6/K，僅為金屬材料的1/5～1/10；導(dǎo)熱系數(shù)高：室溫時(shí)約為0.38～0.45cal/cm·s·℃（鐵：0.13），當(dāng)溫度為1650℃時(shí)，降為0.103cal/cm·s·℃。比熱高：其值隨溫度上升而增大，因而能儲(chǔ)存大量的熱能，室溫比能約為0.3kcal/kg·℃（鐵：0.11）,1930℃時(shí)為0.5kcal/kg·℃。密度：<1.7～1.9；熔點(diǎn)：4100℃。耐磨性：摩擦系數(shù)小，具有優(yōu)異的耐磨擦磨損性能，是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料。452021/2/226.2.2物理性能熱膨脹性能低：常溫下為-0.4～1.86.2.3燒蝕性能燒蝕性能：在高溫高壓氣流沖刷下，通過(guò)材料發(fā)生的熱解、氣化、融化、升華、輻射等物理和化學(xué)過(guò)程，將材料表面的質(zhì)量遷移帶走大量的熱量，達(dá)到耐高溫的目的。C/C的升華溫度高達(dá)3600℃，在這樣的高溫度下，通過(guò)表面升華、輻射除去大量熱量，使傳遞到材料內(nèi)部的熱量相應(yīng)地減少。表6-1不同材料的有效燒蝕熱的比較462021/2/226.2.3燒蝕性能燒蝕性能：在高溫高壓氣流沖刷下，通過(guò)材6.2.4化學(xué)穩(wěn)定性C/C除含有少量的氫、氮和微量金屬元素外，幾乎99%以上都是元素C，因此它具有和C一樣的化學(xué)穩(wěn)定性。耐腐蝕性：C/C像石墨一樣具有耐酸、堿和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性；氧化性能：C/C在常溫下不與氧作用，開(kāi)始氧化溫度為400℃，高于600℃會(huì)嚴(yán)重氧化。提高其耐氧化性方法—成型時(shí)加入抗氧化物質(zhì)或表面加碳化硅涂層。472021/2/226.2.4化學(xué)穩(wěn)定性C/C除含有少量的氫、氮和微量金屬元6.2.5其他性能生物相容性好：是人體骨骼、關(guān)節(jié)、顱蓋骨補(bǔ)塊和牙床的優(yōu)良替代材料；安全性和可靠性高：若用于飛機(jī)，其可靠性為傳統(tǒng)材料的數(shù)十倍。飛機(jī)用鋁合金構(gòu)件從產(chǎn)生裂紋至破斷的時(shí)間是1mim，而C/C是51mim。482021/2/226.2.5其他性能生物相容性好：是人體骨骼、關(guān)節(jié)、顱蓋骨表6-2C/C與宇航級(jí)石墨ATJ-S性能比較性能溫度℃T-50-221-44ATJ-5X-y向Z向結(jié)晶向⊥結(jié)晶向密度241.91.83拉伸強(qiáng)度/MPa24250014028012623139.654.330.543.4抗拉模量/GPa24250059.440.952.430.511.711.27.87.4斷裂延伸率/%2425000.180.20.20.210.452.00.542.2抗彎強(qiáng)度/MPa24250014219042.770.438.268.5T-50-221-44為三向正交細(xì)編C/C復(fù)合材料492021/2/22表6-2C/C與宇航級(jí)石墨ATJ-S性能比較性能溫度℃6.3C/C用組分材料選擇C/C用碳纖維選擇C/C的基體前驅(qū)體502021/2/226.3C/C用組分材料選擇C/C用碳纖維選擇122021/6.3.1C/C用碳纖維選擇1）碳纖維堿金屬等雜質(zhì)含量越低越好C/C的一個(gè)重要用途是耐燒蝕材料，鈉等堿金屬是碳的氧化催化劑；當(dāng)C/C用來(lái)制造飛行器燒蝕部件時(shí)，飛行器飛行過(guò)程中由于熱燒蝕而在尾部形成含鈉離子流，易被探測(cè)和跟蹤，突防和生存能力受到威脅。制造C/C的碳纖維堿金屬含量要求<100mg/kg，目前黏膠基碳纖維和PAV基碳纖維（特別是石墨纖維）堿金屬含量均滿足要求。堿金屬含量<50mg/kg的超純碳纖維的研制也正在進(jìn)行中。512021/2/226.3.1C/C用碳纖維選擇1）碳纖維堿金屬等雜質(zhì)含量越2）對(duì)性能要求采用高模量中強(qiáng)或高強(qiáng)中模量碳纖維制造C/C不僅強(qiáng)度和模量的利用率高，而且具有優(yōu)異的熱性能。例如：選用HM（高模量型）MP（中間相）或MJ系列纖維由于發(fā)達(dá)的石墨層平面和較好的擇優(yōu)取向，抗氧化性能不僅優(yōu)于通用的亂層石墨結(jié)構(gòu)碳纖維，而且熱膨脹系數(shù)小，可減小浸漬碳化過(guò)程中產(chǎn)生的收縮以及減少因收縮而產(chǎn)生的裂紋，使整體的綜合性能得到提高。522021/2/222）對(duì)性能要求采用高模量中強(qiáng)或高強(qiáng)中模量碳纖維制造C/C不僅3）對(duì)碳纖維表面處理及界面特性的要求碳纖維表面處理對(duì)C/C有顯著的影響未經(jīng)表面處理的碳纖維，兩相界面粘接薄弱，基體的收縮使兩相界面脫粘，纖維不會(huì)損傷；當(dāng)基體的裂紋傳播到兩相界面時(shí)，薄弱界面層可緩沖裂紋傳播速度或改變傳播方向，或界面剝離吸收掉集中的應(yīng)力，從而使碳纖維免受損傷而充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用，使C/C強(qiáng)度提高。未經(jīng)表面處理的碳纖維和石墨纖維更適宜制造C/C復(fù)合材料。532021/2/223）對(duì)碳纖維表面處理及界面特性的要求碳纖維表面處理對(duì)C/C有6.3.2C/C的基體前驅(qū)體C/C的基體材料有熱解碳和浸漬碳兩種。熱解碳的前驅(qū)體：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烴等；浸漬碳的前驅(qū)體：主要有瀝青和樹(shù)脂，瀝青：主要采用天然瀝青和煤瀝青；樹(shù)脂：采用熱固性樹(shù)脂或熱塑性樹(shù)脂，常用熱固性樹(shù)脂—酚醛、呋喃、糠醛、糠醇和聚酰亞胺等，熱塑性樹(shù)脂—聚醚醚酮、聚芳基乙炔、聚苯并咪唑等。其中用量最大的是酚醛和呋喃類樹(shù)脂。比較：瀝青浸漬碳—產(chǎn)碳率較低，但易于石墨化，生成的碳電阻率低、熱導(dǎo)率高、模量高，最終生成各向同性的石墨；樹(shù)脂浸漬碳—產(chǎn)碳率高，但難以石墨化，且電阻率高、熱導(dǎo)率低，最終生成各向異性的石墨。542021/2/226.3.2C/C的基體前驅(qū)體C/C的基體材料有熱解6.3.3基體前驅(qū)體組成及碳收率

前驅(qū)體中的含碳量和熱解碳收率是評(píng)價(jià)前驅(qū)體優(yōu)劣的兩個(gè)重要指標(biāo)表6-3基體前驅(qū)體及其組成表6-4基體前驅(qū)體含碳量及熱解碳收率552021/2/226.3.3基體前驅(qū)體組成及碳收率前驅(qū)體中的含碳量和熱6.4C/C復(fù)合材料的成型技術(shù)C/C復(fù)合材料制備：液體浸漬分解法和氣相沉積法碳纖維預(yù)制體浸漬熱固性樹(shù)脂碳化、石墨化C/C復(fù)合材料化學(xué)氣相沉積法通入C、H化合物氣體加熱分解、沉積液體浸漬分解法562021/2/226.4C/C復(fù)合材料的成型技術(shù)C/C復(fù)合材料制備：液體浸6.4.1預(yù)制體的制備碳纖維預(yù)制體是根據(jù)結(jié)構(gòu)工況和形狀要求，編織而成的具有大量空隙的織物。二維編織物：面內(nèi)各向性能好，但層間和垂直面方向性能差；三維編織物：改善層間和垂直面方向性能；多向編織物：編織成四、五、七、十一向增強(qiáng)的預(yù)制體，使其接近各向同性。572021/2/226.4.1預(yù)制體的制備碳纖維預(yù)制體是根據(jù)結(jié)構(gòu)工況和形狀要6.4.2預(yù)制體和碳基體的復(fù)合碳纖維編織預(yù)制體是空虛的，需向內(nèi)滲碳使其致密化，以實(shí)現(xiàn)預(yù)制體和碳基體的復(fù)合。滲碳方法：液態(tài)浸漬熱分解法、化學(xué)氣相沉積法?；疽螅夯w的先驅(qū)體與預(yù)制體的特性相一致，以確保得到高致密和高強(qiáng)度的C/C復(fù)合材料。582021/2/226.4.2預(yù)制體和碳基體的復(fù)合碳纖維編織預(yù)制體是空虛的，一、液體浸漬分解法1）浸漬用基體的先驅(qū)體選擇：選擇先驅(qū)體時(shí)應(yīng)考慮下列特性-黏度、碳收獲率、碳的微觀結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)。通常有熱固性樹(shù)脂和瀝青兩大類。其中常用的有酚醛樹(shù)脂和呋喃樹(shù)脂以及煤焦油瀝青和石油瀝青。熱固性樹(shù)脂：經(jīng)熱解其碳的質(zhì)量轉(zhuǎn)化率為50%～60%；瀝青：常壓下產(chǎn)碳率為50%左右，在10MPa氮壓和550℃下產(chǎn)碳率可高達(dá)90%。592021/2/22一、液體浸漬分解法1）浸漬用基體的先驅(qū)體選擇：選擇先驅(qū)體時(shí)2）低壓浸漬預(yù)制件的浸漬：通常在真空下進(jìn)行，有時(shí)為保證樹(shù)脂或?yàn)r青滲入所有空隙也需施加一定壓力。固化及碳化：若先驅(qū)體為樹(shù)脂需先固化，然后碳化。碳化在惰性氣氛中進(jìn)行，溫度范圍為650～1100℃；石墨化：為提高模量有必要進(jìn)行石墨化，通常在惰性氣氛爐中進(jìn)行，溫度范圍2600～2750℃。低壓浸漬很難得到高致密度的C/C，其密度一般為1.6～1.85，空隙率約為8～10%。602021/2/222）低壓浸漬預(yù)制件的浸漬：通常在真空下進(jìn)行，有時(shí)為保證樹(shù)3）高壓浸漬PIC工藝：浸漬和碳化都在高壓下進(jìn)行，利用等靜壓技術(shù)使浸漬和碳化都在熱等靜壓爐內(nèi)進(jìn)行。可提高產(chǎn)碳率降低空隙率。表6-5PIC工藝壓力對(duì)致密化的影響，當(dāng)外壓增加到6.9MPa時(shí)產(chǎn)碳率顯著增加，高密度C/C復(fù)合材料需要51.7～103.4MPa的外壓。612021/2/223）高壓浸漬PIC工藝：浸漬和碳化都在高壓下進(jìn)行，利用等二、氣相沉積法氣相沉積法（CVD法）：將碳?xì)浠衔?，如甲烷、丙烷、天然氣等通入預(yù)制體，并使其分解，析出的碳沉積在預(yù)制體中。技術(shù)關(guān)鍵：熱分解的碳均勻沉積到預(yù)制體中。影響因素：預(yù)制體的性質(zhì)、氣源和載氣、溫度和壓力都將影響過(guò)程的效率、沉積碳基體的性能及均勻性。工藝方法：等溫法、溫度梯度法、差壓法。622021/2/22二、氣相沉積法氣相沉積法（CVD法）：將碳?xì)浠衔?，如甲烷?）等溫法工藝過(guò)程：將預(yù)制體放入等溫感應(yīng)爐中加熱，導(dǎo)入碳?xì)浠衔锖洼d氣，碳?xì)浠衔锓纸夂螅汲练e在預(yù)制體中。工藝控制：為使碳均勻沉積，溫度應(yīng)該控制得使碳?xì)浠衔锏臄U(kuò)散速度低于碳的沉積速度。特點(diǎn)：該法制得的C/C中碳沉積均勻，因而性能也較均勻。但沉積時(shí)間較長(zhǎng)，容易使材料表面產(chǎn)生熱裂紋。632021/2/221）等溫法工藝過(guò)程：將預(yù)制體放入等溫感應(yīng)爐中加熱，導(dǎo)入碳?xì)?）溫度梯度法工藝方法：將感應(yīng)線圈和感應(yīng)器的幾何形狀做得與預(yù)制體相同。接近感應(yīng)器的預(yù)制體外表面是溫度最高的區(qū)域，碳的沉積由此開(kāi)始，向徑向發(fā)展。特點(diǎn)：與等溫法相比，沉積速度快，但一爐只能處理一件，不同溫度得到的沉積物的微觀結(jié)構(gòu)有差別。642021/2/222）溫度梯度法工藝方法：將感應(yīng)線圈和感應(yīng)器的幾何形狀做得與3）差壓法工藝方法：通過(guò)在織物厚度方向上形成的壓力梯度促使氣體通過(guò)植物間隙。將預(yù)制體的底部密封后放入感應(yīng)爐中等溫加熱，碳?xì)浠衔镆砸欢ǖ恼龎簩?dǎo)入預(yù)制體內(nèi)，在預(yù)制體壁兩邊造成壓差，迫使氣體流過(guò)空隙，加快沉積速度。652021/2/223）差壓法工藝方法：通過(guò)在織物厚度方向上形成的壓力梯度促使三、CVD法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)