碳-碳復(fù)合材料

先進(jìn)材料的制備及加工技術(shù)江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1第五講納米復(fù)合材料5.1概述5.2聚合物基納米復(fù)合材料5.3陶瓷基納米復(fù)合材料5.4金屬基納米復(fù)合材料5.5納米復(fù)合材料的應(yīng)用2第六講碳/碳復(fù)合材料6.1概述6.2制造工藝6.3性能特點6.4應(yīng)用36.1概述碳/碳(C/C)復(fù)合材料是碳纖維增強碳基體的復(fù)合材料，具有高強高模、比重輕、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕、抗熱沖擊、耐摩擦性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能，是一種新型的超高溫復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料作為優(yōu)異的熱結(jié)構(gòu)-功能一體化工程材料，自1958年誕生以來，在軍工方面得到了長足的發(fā)展，其中最重要的用途是用于制造導(dǎo)彈的彈頭部件。由于其耐高溫、摩擦性好，目前已廣泛用于固體火箭發(fā)動機噴管、航天飛機結(jié)構(gòu)部件、飛機及賽車的剎車裝置、熱元件和機械緊固件、熱交換器、航空發(fā)動機的熱端部件、高功率電子裝置的散熱裝置和撐桿等方面。C/C復(fù)合材料種類多、性能各異，為此人們針對特定的用途來設(shè)計合適的C/C復(fù)合材料。4碳纖維的分類

當(dāng)前，國內(nèi)外巳商品化的碳纖維種類很多，一般可以根據(jù)原絲的類型、碳纖維的性能和碳纖維的用途等三種方法進(jìn)行分類。5(1)聚丙烯腈基纖維；(2)粘膠基碳纖維；(3)瀝青基碳纖維；(4)木質(zhì)素纖維基碳纖維；(5)其他有機纖維基(各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維)碳纖維。根據(jù)原絲類型分類6(1)高性能碳纖維在高性能碳纖維中，有高強度碳纖維、高模量碳纖維、中模量碳纖維等。(2)低性能碳纖維這類碳纖維中，有耐火纖維、碳質(zhì)纖維、石墨纖維等。根據(jù)碳纖維的性能分類7受力結(jié)構(gòu)用碳纖維，耐焰碳纖維，活性碳纖維(吸附活性)，導(dǎo)電用碳纖維，潤滑用碳纖維，耐磨用碳纖維。根據(jù)碳纖維用途分類8碳纖維制備過程概述9提高碳纖維性能的方法10碳纖維致密化的主要措施111213146.2制造工藝二向增強——三維增強。碳纖維預(yù)制件——在預(yù)制件中滲入碳基體，浸漬—固化—炭化。纖維、織物的選擇——基體先驅(qū)體的選擇——預(yù)成型體成型——基體致密化——產(chǎn)品加工、檢測。15炭纖維預(yù)制體是一種非均勻多孔介質(zhì),其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不規(guī)則性,使得反應(yīng)氣體在預(yù)制體孔隙網(wǎng)絡(luò)中的擴散和沉積速率難以控制,成為制備性能優(yōu)良的C/C復(fù)合材料的關(guān)鍵影響因素。石墨化是炭/炭(C/C)復(fù)合材料制備過程中最重要的工序之一，石墨化度是決定該材料性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用XRD所測得的石墨層間距d002與理想石墨的層間距(0.3354nm)的相對差異來表示材料的石墨化度。16氧化保護抗高溫氧化涂層抑制劑法17在不犧牲碳/碳復(fù)合材料良好的材料學(xué)性能的同時，盡可能地提高涂層抗氧化溫度。延長碳/碳復(fù)合材料使用壽命，并降低涂層制備成本，簡化涂層制備工藝，縮短制備周期是近年來碳/碳復(fù)合材料高溫抗氧化涂層研究的主要方向。18炭化后的微觀形貌19圖(a)中1所示為炭氈的針刺纖維束；圖(b)中2表明樹脂炭與炭纖維之間存在脫粘現(xiàn)象；圖(c)中3所示為炭纖維的斷裂現(xiàn)象，這可能是在炭化過程中產(chǎn)生的；圖(d)中4表明包覆住兩根炭纖維的樹脂炭產(chǎn)生了裂紋。206.3性能特點理化性能C/C復(fù)合材料比熱容大，熱導(dǎo)率隨石墨化程度的提高而增大，線膨脹系數(shù)隨石墨化程度的提高而降低等。C/C復(fù)合材料在高溫?zé)崽幚砗蟮幕瘜W(xué)成分，碳元素高于99%，像石墨一樣，具有耐酸、堿和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性。21力學(xué)性能C/C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。單向增強的C/C復(fù)合材料，沿碳纖維長度方向的力學(xué)性能比垂直方向高出幾十倍。C/C復(fù)合材料的高強高模特性來自碳纖維，隨著溫度的升高，C/C復(fù)合材料的強度不僅不會降低，而且比室溫下的強度還要高。在1000℃以上，強度最低的C/C復(fù)合材料的比強度也較耐熱合金和陶瓷材料的高。22C/C復(fù)合材料的斷裂韌性較碳材料有極大的提高，其破壞方式是逐漸破壞，而不是突然破壞，因為基體碳的斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變低于碳纖維。經(jīng)表面處理的碳纖維與基體碳之間的化學(xué)鍵與機械鍵結(jié)合強度強，拉伸應(yīng)力引起基體中的裂紋擴展越過纖維/基體界面，使纖維斷裂，形成脆性斷裂。未經(jīng)表面處理的碳纖維與基體碳之間結(jié)合強度低，裂紋尖端的能量消耗在碳纖維的周圍區(qū)域，碳纖維仍能繼續(xù)承受載荷，從而呈現(xiàn)非脆性斷裂方式。23熱學(xué)及燒蝕性能抗熱沖擊能力很強，不僅可用于高溫環(huán)境，而且適合溫度急劇變化的場合。其比熱容高，這對于飛機剎車等需要吸收大量能量的應(yīng)用場合非常有利。C/C復(fù)合材料是一種升華-輻射型燒蝕材料，且燒蝕均勻。通過表層材料的燒蝕帶走大量的熱，可阻止熱流傳入飛行器內(nèi)部。C/C復(fù)合材料被廣泛用作宇航領(lǐng)域中的燒蝕防熱材料。24多向編織復(fù)合材料軸向和徑向試件燒蝕表面顯微形貌25摩擦磨損性能C/C復(fù)合材料中碳纖維的微觀組織為亂層石墨結(jié)構(gòu)，其摩擦系數(shù)比石墨高，特別是它的高溫性能特點，在高速高能量條件下摩擦升溫高達(dá)1000℃以上時，其摩擦性能仍然保持平穩(wěn)，這是其它材料所不具備的。C/C復(fù)合材料作為軍用和民用飛機的剎車盤材料越來越廣泛。266.4應(yīng)用碳/碳復(fù)合材料具有高比強度、比模量，耐燒蝕，熱導(dǎo)率高，熱膨脹低以及對熱沖擊不敏感等優(yōu)異的性能。首先在航空航天和軍事領(lǐng)域得到了應(yīng)用。隨著技術(shù)進(jìn)步和制造成本的降低，逐漸在很多民用工業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。2728293031航天四院43所飛機炭剎車盤達(dá)到國際一流

32洲際導(dǎo)彈鼻錐、固體火箭發(fā)動機噴管、飛機剎車盤、航空發(fā)動機的燃燒室等。為了提高抗氧化和抗磨損能力，往往要用陶瓷（如SiC）涂覆。在民用上，為了實現(xiàn)汽車的輕量化，從發(fā)動機部件直到車頂內(nèi)外襯、側(cè)門等。另外，還用于高溫發(fā)熱元件、熱壓模具和超塑性成型模具等。333435超塑性363738碳與人體骨骼、血液、軟組織的生物相容性是已知材料中最佳的材料。碳/碳復(fù)合材料可以作為人體骨骼的替代材料，如人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、牙根植入體等。目前使用比較多的不銹鋼或鈦合金人工關(guān)節(jié)，壽命為7~10年。3940碳/碳復(fù)合材料的連接碳/碳復(fù)合材料汽化溫度超過3000℃，不能采用傳統(tǒng)的熔化方法進(jìn)行焊接。最簡單的連接方法就是機械連接，即采用螺栓、螺釘?shù)葯C械緊固的方式實現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料的連接。由于機械連接需要在碳/碳復(fù)合材料上打孔，勢必對材料的微觀結(jié)構(gòu)造成損傷；同時螺栓和孔洞等邊角位置容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，往往會導(dǎo)致構(gòu)件低應(yīng)力破