碳碳編織復(fù)合材料介紹復(fù)制課件

碳碳編織復(fù)合材料介紹復(fù)制碳碳編織復(fù)合材料介紹復(fù)制1碳纖維碳纖維微觀結(jié)構(gòu)是由幾乎平行于纖維軸向排列的類石墨微晶構(gòu)成，這樣的結(jié)構(gòu)使纖維表現(xiàn)各向異性特征。平行于纖維縱向的彈性模量、強度和熱/電傳導(dǎo)性能較大，而橫向相應(yīng)的性能要比縱向小一個數(shù)量級。纖維橫向的熱膨脹系數(shù)要比纖維縱向的熱膨脹系數(shù)大很多。碳纖維碳纖維微觀結(jié)構(gòu)是由幾乎平行于纖維軸向排列的類石墨微晶構(gòu)2碳碳編織復(fù)合材料介紹復(fù)制課件3碳碳編織復(fù)合材料介紹復(fù)制課件4復(fù)合材料抗氧化處理如果發(fā)生氧化，CC復(fù)合材料的性能迅速下降。當(dāng)溫度高于500℃，碳纖維和氧氣接觸，碳纖維氧化的速度非常迅速。當(dāng)有2%-5%重量的碳纖維發(fā)生氧化，碳纖維的力學(xué)性能會降低40%-50%?？寡趸幚硗ㄟ^凈化去除催化氧化劑，鈍化反應(yīng)基加入一些元素或化合物阻止氧氣與纖維接觸開發(fā)外部涂層技術(shù)。復(fù)合材料抗氧化處理如果發(fā)生氧化，CC復(fù)合材料的性能迅速下降。5碳基體一般有三種碳基體先驅(qū)體熱塑型瀝青熱固型樹脂CVI方法選擇哪種方法的原則：很到程度上依賴于生成復(fù)合材料部件的幾何形狀。厚度薄的部件主要采用CVI方法；厚度厚的部件使用樹脂或瀝青滲透；復(fù)雜形狀的幾何部件使用樹脂滲透。一般利用混合方法對碳纖維增強復(fù)合材料進(jìn)行致密化處理。碳基體一般有三種碳基體先驅(qū)體6界面界面的性能取決于纖維的類型纖維表面活性基體的類型（樹脂前驅(qū)，CVI的微觀結(jié)構(gòu)和瀝青前驅(qū)）基體活性纖維體積含量加工條件致密化程度纖維方向和層壓板厚度。好的界面使復(fù)合材料在縱向拉伸時破壞應(yīng)變等于基體的破壞應(yīng)變，很好的纖維與基體的結(jié)合降低了材料在纖維方向的性能并且使材料變脆。如果纖維和基體發(fā)生脫粘，復(fù)合材料會表現(xiàn)偽塑性（pseudo-plasticity）。界面界面的性能取決于7C/C復(fù)合材料力學(xué)性能對比通過致密化到四個周期材料的所有性能都有所改善，但是橫向強度變低，沒有造成層間剪切強度的降低。橫向強度層間剪切強度常溫石墨化溫度碳纖維增強炭化BordenSC-1008酚醛材料

6MPa

4.8MPa或更小

20.7MPato24.8MPa

碳纖維增強PPQresinchar材料

4.7MPa

3.4MPa或更小

14.5MPa

碳纖維增強FF-26resinchar材料

5.2MPa

3.1MPa或更小

19.9MPa

CVD碳化酚醛樹脂焦碳纖維增強復(fù)合材料

14MPa到30MPa

16MPa到27MPa

C/C復(fù)合材料力學(xué)性能對比通過致密化到四個周期材料的所有性能8組分材料的力學(xué)性能碳纖維組分材料的力學(xué)性能碳纖維9纖維束殼的影響纖維束殼的影響10碳基體基體的有效性能直接與處理歷程和浸漬方法相關(guān)。基體的微裂紋與復(fù)合材料最后處理的溫度有關(guān)。微裂紋影響復(fù)合材料內(nèi)部基體的性能（剪切性能和熱膨脹）。通過熱膨脹和45度拉伸試驗確定與溫度相關(guān)的基體材料性能。碳基體基體的有效性能直接與處理歷程和浸漬方法相關(guān)。11碳基體碳基體12纖維預(yù)制件纖維預(yù)制件13紗線紗線14機織結(jié)構(gòu)機織結(jié)構(gòu)15編織結(jié)構(gòu)編織結(jié)構(gòu)16纏繞和編織結(jié)構(gòu)對比纏繞和編織結(jié)構(gòu)對比17編織和機織復(fù)合材料性能編織和機織復(fù)合材料性能18HiroshiHatta,KeisukeTaniguchi,YasuoKogo.Compressivestrengthofthree-dimensionallyreinforcedcarbon/carboncomposite.Carbon43(2005)351–3583DC/C增強相位PAN基高強度型纖維，纖維體積分?jǐn)?shù)48%（每個方向為16%），通過927K，1000atm，使用煤焦油瀝青作為浸漬材料，然后通過2800K熱處理，最后密度為1.9g/cm3。2DC/CToraycaM40，使用預(yù)浸纖維束方法，6K碳纖維，利用尼龍似把纖維束固定成單向的預(yù)浸漬板，對稱鋪層，873KHIP,2300K在惰性氣體環(huán)境下熱處理，纖維體積分?jǐn)?shù)為50%HiroshiHatta,KeisukeTaniguc19壓縮試驗前期試做壓縮試驗前期試做20壓縮試件尺寸的影響壓縮試件尺寸的影響21高溫壓縮性能高溫壓縮性能22KenGoto,HiroshiHatta,MasatoOe,TakashiKoizumi.TensileStrengthandDeformationofaTwo-DimensionalCarbon–CarbonCompositeatElevatedTemperatures.J.Am.Ceram.Soc.,86[12]2129–35(2003)2DC/CToraycaM40，使用預(yù)浸纖維束方法，6K碳纖維，利用尼龍似把纖維束固定成單向的預(yù)浸漬板，[0/90]4s對稱鋪層，873KHIP,2273K在惰性氣體環(huán)境下熱處理，纖維體積分?jǐn)?shù)為40%。利用單向CC復(fù)合材料粗略的預(yù)報纖維基體的粘接強度。KenGoto,HiroshiHatta,Masat23拉伸試驗結(jié)果拉伸試驗結(jié)果24高溫拉伸蠕變性能高溫拉伸蠕變性能25CC復(fù)合材料的拉伸強度隨著溫度的升高而增大的主要機制：排出氣體（吸收的水）的影響基體強度與溫度的依賴性纖維基體界面蠕變變形的影響熱應(yīng)力的影響纖維強度的影響CC復(fù)合材料的拉伸強度隨著溫度的升高而增大的主要機制：26基體強度與溫度的依賴性基體強度與溫度的依賴性27纖維基體界面

界面粘接強度降低能夠增強C/C復(fù)合材料的拉伸強度纖維基體界面

界面粘接強度降低能夠增強C/C復(fù)合材料的拉伸強28HiroshiHatta,KenGoto,ShinyaIkegaki,ItaruKawahara,MohamedS.Aly-Hassan,HiroyukiHamada.Tensilestrengthandfiber/matrixinterfacialpropertiesof2D-and3D-carbon/carboncomposites.JournaloftheEuropeanCeramicSociety25(2005)535–5423DC/C正交編織xyz三向分別40,13,3%的纖維體積分?jǐn)?shù)，纖維高強度IM600碳纖維2DC/C酚醛樹脂板200mm*200mm*2mm纖維體積分?jǐn)?shù)60%，纖維高強度IM600碳纖維煤焦油瀝青真空浸漬，650攝氏度100MPa下炭化，2300攝氏度在惰性氣體下石墨化HiroshiHatta,KenGoto,Shin29界面強度測試界面強度測試30致密化次數(shù)的影響致密化次數(shù)的影響31致密化次數(shù)的影響3D-C/C-23D-C/C-5致密化次數(shù)的影響3D-C/C-23D-C/C-532致密化次數(shù)的影響致密化次數(shù)的影響33利用有限元方法預(yù)報

材料的有效性能利用有限元方法預(yù)報

材料的有效性能34計算材料有效性能的方法有很多：剛度平均化方法，細(xì)觀力學(xué)方法，有限元方法等。組分材料的性能——>材料性能剛度平均化方法等應(yīng)力等應(yīng)變假設(shè)細(xì)觀力學(xué)方法夾雜理論建立細(xì)觀材料與宏觀材料或者細(xì)觀材料之間的關(guān)系如應(yīng)力、應(yīng)變等有限元方法是利用單元離散，通過節(jié)點與節(jié)點連接傳遞應(yīng)力以及保持應(yīng)變協(xié)調(diào)。因此，材料性能是細(xì)觀組分材料響應(yīng)的宏觀表現(xiàn)計算材料有效性能的方法有很多：剛度平均化方法，細(xì)觀力學(xué)方法，35模擬實驗法含有缺陷細(xì)觀結(jié)構(gòu)沒有周期性特征體元法具有周期的細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)細(xì)觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜有限元方法模擬實驗法有限元方法36宏觀應(yīng)力應(yīng)變的求解方法類實驗求解法宏觀應(yīng)力=節(jié)點反力/名義橫截面積體積平均方法宏觀應(yīng)力分量=（單元積分點體積*單元積分點的應(yīng)力分量）/代表體積單胞總體積求和宏觀應(yīng)力應(yīng)變的求解方法類實驗求解法求和37體積平均方法該材料本構(gòu)可以寫為：剛度系數(shù)施加的非零位移邊界條件[C]的第一列[C]的第二列[C]的第三列[C]的第四列[C]的第五列[C]的第六列體積平均方法該材料本構(gòu)可以寫為：剛度系數(shù)施加的非零位移邊界條38約束周期邊界條件為了保持應(yīng)力的連續(xù)性和位移的協(xié)調(diào)性，施加耦合位移約束對代表單胞有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析。約束周期邊界條件39約束約束40載荷載荷41謝謝！敬請批評指正！謝謝！42碳碳編織復(fù)合材料介紹復(fù)制碳碳編織復(fù)合材料介紹復(fù)制43碳纖維碳纖維微觀結(jié)構(gòu)是由幾乎平行于纖維軸向排列的類石墨微晶構(gòu)成，這樣的結(jié)構(gòu)使纖維表現(xiàn)各向異性特征。平行于纖維縱向的彈性模量、強度和熱/電傳導(dǎo)性能較大，而橫向相應(yīng)的性能要比縱向小一個數(shù)量級。纖維橫向的熱膨脹系數(shù)要比纖維縱向的熱膨脹系數(shù)大很多。碳纖維碳纖維微觀結(jié)構(gòu)是由幾乎平行于纖維軸向排列的類石墨微晶構(gòu)44碳碳編織復(fù)合材料介紹復(fù)制課件45碳碳編織復(fù)合材料介紹復(fù)制課件46復(fù)合材料抗氧化處理如果發(fā)生氧化，CC復(fù)合材料的性能迅速下降。當(dāng)溫度高于500℃，碳纖維和氧氣接觸，碳纖維氧化的速度非常迅速。當(dāng)有2%-5%重量的碳纖維發(fā)生氧化，碳纖維的力學(xué)性能會降低40%-50%?？寡趸幚硗ㄟ^凈化去除催化氧化劑，鈍化反應(yīng)基加入一些元素或化合物阻止氧氣與纖維接觸開發(fā)外部涂層技術(shù)。復(fù)合材料抗氧化處理如果發(fā)生氧化，CC復(fù)合材料的性能迅速下降。47碳基體一般有三種碳基體先驅(qū)體熱塑型瀝青熱固型樹脂CVI方法選擇哪種方法的原則：很到程度上依賴于生成復(fù)合材料部件的幾何形狀。厚度薄的部件主要采用CVI方法；厚度厚的部件使用樹脂或瀝青滲透；復(fù)雜形狀的幾何部件使用樹脂滲透。一般利用混合方法對碳纖維增強復(fù)合材料進(jìn)行致密化處理。碳基體一般有三種碳基體先驅(qū)體48界面界面的性能取決于纖維的類型纖維表面活性基體的類型（樹脂前驅(qū)，CVI的微觀結(jié)構(gòu)和瀝青前驅(qū)）基體活性纖維體積含量加工條件致密化程度纖維方向和層壓板厚度。好的界面使復(fù)合材料在縱向拉伸時破壞應(yīng)變等于基體的破壞應(yīng)變，很好的纖維與基體的結(jié)合降低了材料在纖維方向的性能并且使材料變脆。如果纖維和基體發(fā)生脫粘，復(fù)合材料會表現(xiàn)偽塑性（pseudo-plasticity）。界面界面的性能取決于49C/C復(fù)合材料力學(xué)性能對比通過致密化到四個周期材料的所有性能都有所改善，但是橫向強度變低，沒有造成層間剪切強度的降低。橫向強度層間剪切強度常溫石墨化溫度碳纖維增強炭化BordenSC-1008酚醛材料

6MPa

4.8MPa或更小

20.7MPato24.8MPa

碳纖維增強PPQresinchar材料

4.7MPa

3.4MPa或更小

14.5MPa

碳纖維增強FF-26resinchar材料

5.2MPa

3.1MPa或更小

19.9MPa

CVD碳化酚醛樹脂焦碳纖維增強復(fù)合材料

14MPa到30MPa

16MPa到27MPa

C/C復(fù)合材料力學(xué)性能對比通過致密化到四個周期材料的所有性能50組分材料的力學(xué)性能碳纖維組分材料的力學(xué)性能碳纖維51纖維束殼的影響纖維束殼的影響52碳基體基體的有效性能直接與處理歷程和浸漬方法相關(guān)。基體的微裂紋與復(fù)合材料最后處理的溫度有關(guān)。微裂紋影響復(fù)合材料內(nèi)部基體的性能（剪切性能和熱膨脹）。通過熱膨脹和45度拉伸試驗確定與溫度相關(guān)的基體材料性能。碳基體基體的有效性能直接與處理歷程和浸漬方法相關(guān)。53碳基體碳基體54纖維預(yù)制件纖維預(yù)制件55紗線紗線56機織結(jié)構(gòu)機織結(jié)構(gòu)57編織結(jié)構(gòu)編織結(jié)構(gòu)58纏繞和編織結(jié)構(gòu)對比纏繞和編織結(jié)構(gòu)對比59編織和機織復(fù)合材料性能編織和機織復(fù)合材料性能60HiroshiHatta,KeisukeTaniguchi,YasuoKogo.Compressivestrengthofthree-dimensionallyreinforcedcarbon/carboncomposite.Carbon43(2005)351–3583DC/C增強相位PAN基高強度型纖維，纖維體積分?jǐn)?shù)48%（每個方向為16%），通過927K，1000atm，使用煤焦油瀝青作為浸漬材料，然后通過2800K熱處理，最后密度為1.9g/cm3。2DC/CToraycaM40，使用預(yù)浸纖維束方法，6K碳纖維，利用尼龍似把纖維束固定成單向的預(yù)浸漬板，對稱鋪層，873KHIP,2300K在惰性氣體環(huán)境下熱處理，纖維體積分?jǐn)?shù)為50%HiroshiHatta,KeisukeTaniguc61壓縮試驗前期試做壓縮試驗前期試做62壓縮試件尺寸的影響壓縮試件尺寸的影響63高溫壓縮性能高溫壓縮性能64KenGoto,HiroshiHatta,MasatoOe,TakashiKoizumi.TensileStrengthandDeformationofaTwo-DimensionalCarbon–CarbonCompositeatElevatedTemperatures.J.Am.Ceram.Soc.,86[12]2129–35(2003)2DC/CToraycaM40，使用預(yù)浸纖維束方法，6K碳纖維，利用尼龍似把纖維束固定成單向的預(yù)浸漬板，[0/90]4s對稱鋪層，873KHIP,2273K在惰性氣體環(huán)境下熱處理，纖維體積分?jǐn)?shù)為40%。利用單向CC復(fù)合材料粗略的預(yù)報纖維基體的粘接強度。KenGoto,HiroshiHatta,Masat65拉伸試驗結(jié)果拉伸試驗結(jié)果66高溫拉伸蠕變性能高溫拉伸蠕變性能67CC復(fù)合材料的拉伸強度隨著溫度的升高而增大的主要機制：排出氣體（吸收的水）的影響基體強度與溫度的依賴性纖維基體界面蠕變變形的影響熱應(yīng)力的影響纖維強度的影響CC復(fù)合材料的拉伸強度隨著溫度的升高而增大的主要機制：68基體強度與溫度的依賴性基體強度與溫度的依賴性69纖維基體界面

界面粘接強度降低能夠增強C/C復(fù)合材料的拉伸強度纖維基體界面

界面粘接強度降低能夠增強C/C復(fù)合材料的拉伸強70HiroshiHatta,KenGoto,ShinyaIkegaki,ItaruKawahara,MohamedS.Aly-Hassan,HiroyukiHamada.Tensilestrengthandfiber/matrixinterfacialpropertiesof2D-and3D-carbon/carboncomposites.JournaloftheEuropeanCeramicSociety25(2005)535–5423DC/C正交編織xyz三向分別40,13,3%的纖維體積分?jǐn)?shù)，纖維高強度IM600碳纖維2DC/C酚醛樹脂板200mm*200mm*2mm纖維體積分?jǐn)?shù)60%，纖維高強度IM600碳纖維煤焦油瀝青真空浸漬，650攝氏度100MPa下炭化，2300攝氏度在惰性氣體下石墨化HiroshiHatta,KenGoto,Shin71界面強度測試界面強度測試72致密化次數(shù)的影響致密化