碳碳復(fù)合材料簡(jiǎn)介

碳/碳復(fù)合材料碳/碳（C/C)復(fù)合材料是以碳纖維及其織物為增強(qiáng)材料,以碳為基體,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)合材料具有密度低、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、耐燒蝕等特點(diǎn)；具有優(yōu)異的高溫性能，其強(qiáng)度隨著溫度的升高，不僅不會(huì)降低反而還可能升高，它是所有已知材料中耐高溫性最好的材料,適于各種高溫用途使用。具有出色的機(jī)械特性,既可作為結(jié)構(gòu)材料承載重荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用；C/C復(fù)合材料的主要研究重點(diǎn)：致密化工藝（CVD法和液相浸漬碳化法及二者復(fù)合致密化）和抗氧化技術(shù)（內(nèi)部抗氧化，抗氧化涂層）?！霤/C復(fù)合材料簡(jiǎn)述§C/C復(fù)合材料制備工藝一、碳纖維預(yù)制體的制備1、碳纖維的選擇經(jīng)濟(jì)價(jià)值和成本預(yù)制體形態(tài)材料的性能材料的穩(wěn)定性2.碳纖維編織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)C/C復(fù)合材料制備的基本思路是先將碳增強(qiáng)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C/C復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料預(yù)成型體可分為單向、二維、三維或多維方式。單向和二維大多是將碳纖維、碳纖維平面編織物或碳?xì)值阮A(yù)先浸漬上高碳化率的瀝青或樹脂，形成預(yù)浸片，然后按設(shè)計(jì)要求鋪層，再二次固化獲得預(yù)成型體。經(jīng)過(guò)多次浸漬和碳化工藝，把低密度復(fù)合材料形成更為致密化的C/C復(fù)合材料。三維編織預(yù)成型體三向編織坯體三向增強(qiáng)氈坯體多維編織預(yù)成型體(1)、瀝青基瀝青中含大量苯環(huán)，含碳高，碳化收率高。瀝青液化→浸漬→碳化→石墨化(2)、樹脂基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：分子鏈含大量苯環(huán)和雜環(huán)結(jié)構(gòu)，固化后呈交聯(lián)網(wǎng)狀耐高溫樹脂。優(yōu)點(diǎn)：（與瀝青比）

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低粘度（低溫、低壓、工藝性好）

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純度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

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含碳量高，碳化收率大。二、基體碳的制備(3)、CVD熱解碳高溫?zé)岱纸庑》肿犹細(xì)浠衔锛淄?、丙烷、丙烯、乙炔、天然氣等碳?xì)浠衔?，在纖維坯體上沉積活性碳，然后石墨化。最大問(wèn)題：表面積碳，內(nèi)外不均。三、預(yù)制體與基體碳的復(fù)合反應(yīng)氣體通過(guò)層流向沉積襯底的邊界層擴(kuò)散；沉積襯底表面吸附反應(yīng)氣體，發(fā)生反應(yīng)并形成固態(tài)產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物；所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物解吸附，并沿一邊界層區(qū)域擴(kuò)散；產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物排出。1.CVD碳化工藝CVD工藝原理：在CVD過(guò)程中為防止預(yù)制體中孔隙入口處因沉積速度太快而造成孔的封閉，應(yīng)控制反應(yīng)氣體和產(chǎn)物氣體的擴(kuò)散速率大于沉積速率。在CVD過(guò)程中往往要同時(shí)導(dǎo)入載流氣體，如氫、氬或氮等，起稀釋反應(yīng)氣體的作用，目的是改善反應(yīng)氣體的擴(kuò)散條件。圖擴(kuò)散與沉積速度對(duì)空隙封閉影響CVD工藝中工藝參數(shù)：溫度、壓力、反應(yīng)氣體流量以及載氣的流量、分壓都會(huì)影響到CVD過(guò)程的擴(kuò)散／沉積的平衡，從而影響C/C復(fù)合材料的致密度和性能。2.液態(tài)浸漬碳化工藝液態(tài)浸漬碳化工藝可以獲得C/C復(fù)合材料基體碳中的樹脂碳和瀝青碳。為了達(dá)到C/C復(fù)合材料的性能要求，一般需要經(jīng)過(guò)多次浸漬碳化過(guò)程才能將復(fù)合材料致密化，最終復(fù)合材料的密度可達(dá)1.6-1.9g/cm3。通常是在最初的浸漬-碳化循環(huán)時(shí)采用酚醛樹脂浸漬（粘度低），在后階段則采用呋喃樹脂／瀝青混合浸漬劑。

酚醛樹脂是一種碳/碳復(fù)合材料基體理想的浸漬劑。 酚醛樹脂制備溶液（真空）浸漬預(yù)制體預(yù)固化碳化（樹脂體積收縮）再浸漬固化碳化

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致密化

圖樹脂浸漬、固化、碳化體積收縮示意圖

樹脂的浸漬–

碳化工藝熱解碳與樹脂碳比較：熱解碳工藝簡(jiǎn)單纖維不受損傷致密均勻、強(qiáng)度較高>2500℃石墨化后，抗熱振性提高明顯，可有效防止燒蝕過(guò)程中的開裂剝落。四、碳／碳復(fù)合材料抗氧化措施C/C復(fù)合材料在高于370℃時(shí)就會(huì)開始發(fā)生氧化，而大量應(yīng)用的C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)工程構(gòu)件又都是在氧化氣氛環(huán)境下工作，因此在高溫時(shí)是否具有可靠的抗氧化性能對(duì)C/C復(fù)合材料來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。提高抗氧化性的措施主要有兩種：一是在C/C復(fù)合材料表面進(jìn)行耐高溫材料的涂層，起到阻隔氧侵入的作用；二是在制備C/C復(fù)合材料過(guò)程中，在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑?？寡趸胧?表面涂層在表面涂覆耐高溫抗氧化材料的涂層，阻止氧與C/C復(fù)合材料接觸，是一種十分有效的提高復(fù)合材料抗氧化能力的方法。一般只有熔點(diǎn)高、耐氧化的陶瓷材料才能作為C/C復(fù)合材料的防氧化涂層材料SiC?？寡趸胧?抑制劑抑制劑：在C/C復(fù)合材料內(nèi)部添加抑制劑可以在碳氧化時(shí)抑制氧化反應(yīng)或可先與氧反應(yīng)形成氧化物，起到吸氧劑作用。抑制劑主要是在較低溫度范圍內(nèi)降低碳的氧化。抑制劑是在C/C復(fù)合材料的碳或石墨基體中添加，容易通過(guò)氧化而形成玻璃態(tài)的物質(zhì)。如硼及硼化物，硼氧化后形成的硼化物具有較低的熔點(diǎn)和粘度，因而在碳和石墨氧化的溫度下，可以很容易地在多孔體系的C/C復(fù)合材料中流動(dòng)，并填充到復(fù)合材料內(nèi)連的孔隙中起到內(nèi)部涂層作用，既可阻斷氧繼續(xù)侵入的通道，又可減少容易發(fā)生氧化反應(yīng)的敏感部位的表面積。1．力學(xué)性能：密度小，高的抗拉強(qiáng)度和高彈性模量，高溫下性能穩(wěn)定。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C/C復(fù)合材料,沿碳纖維長(zhǎng)度方向的力學(xué)性能比垂直方向高出幾十倍。碳素材料性能比較碳素材料強(qiáng)度與溫度的關(guān)系§6-3C/C復(fù)合材料性能2．

熱學(xué)性能熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好，耐熱沖擊性極好。3．

燒蝕性能表面燒蝕溫度高，通過(guò)輻射和升華帶走大量熱；燒蝕率低，且均勻。材料碳/碳聚丙乙烯尼龍/酚醛高硅氧/酚醛Qq(千卡/公斤)11000～14000173024904180不同材料的有效燒蝕熱4、生物相容性好可用于人體骨骼，心臟瓣膜等。5、隔熱性差控制材料的密度梯度，或與其它材料復(fù)合成梯度材料。6、抗氧化性不好加入抗氧化性物質(zhì)，或用SiC涂層。

導(dǎo)彈及航天器。飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)件,如垂尾、剎車片、方向舵等部件，導(dǎo)彈的鼻錐體、噴管、固體火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)等；§6-4C/C復(fù)合材料應(yīng)用一半以上的C/C復(fù)合材料用作飛機(jī)剎車裝置。高性能剎車材料要求高比熱容、高熔點(diǎn)以及高溫下的強(qiáng)度；C/C復(fù)合材料制作的飛機(jī)剎車盤重量輕、耐溫高、比熱容比鋼高2.5倍;

同金屬剎車相比,可節(jié)省40%的結(jié)構(gòu)重量。碳剎車盤的使用壽命是金屬基的5-7倍,剎車力矩平穩(wěn),剎車時(shí)噪聲??；碳剎車盤的問(wèn)世被認(rèn)為是剎車材料發(fā)展史上的一次重大的技術(shù)進(jìn)步。剎車領(lǐng)域的應(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。C/C復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能好,工作溫度達(dá)1500-1700℃；航空發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料,像渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)熱元件等；與石墨發(fā)熱體強(qiáng)度低脆,加工運(yùn)輸困難相比,C/C復(fù)合材料強(qiáng)度高,韌性好,耐高溫,可減少發(fā)熱體體積,擴(kuò)大工作區(qū)。高溫結(jié)構(gòu)材料工業(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。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。讀書報(bào)告選題功能復(fù)合材料的研究及應(yīng)用（壓電復(fù)合材料、導(dǎo)電復(fù)合材料、磁性復(fù)合材料、摩擦功能復(fù)合材