CC復(fù)合材料制備應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

會(huì)計(jì)學(xué)1CC復(fù)合材料制備應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)碳碳復(fù)合材料增強(qiáng)碳纖維基體碳樹(shù)脂碳瀝青碳熱解碳第1頁(yè)/共29頁(yè)比較C/C復(fù)合材料金屬耐熱性；膨脹率；重量；耐腐蝕性石墨強(qiáng)度；韌性陶瓷韌性；粘結(jié)；耐熱沖擊性樹(shù)脂耐熱性；耐腐蝕性；耐摩擦性第2頁(yè)/共29頁(yè)C/C復(fù)合材料的制備C/C復(fù)合材料制備方法：液體浸漬分解法和化學(xué)氣相沉積法C/C復(fù)合材料制備步驟：預(yù)制體的制備→預(yù)制體和碳基體的復(fù)合第3頁(yè)/共29頁(yè)如圖：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第4頁(yè)/共29頁(yè)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。第5頁(yè)/共29頁(yè)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?基體的先驅(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。第6頁(yè)/共29頁(yè)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(lèi)。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%。第7頁(yè)/共29頁(yè)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%。第8頁(yè)/共29頁(yè)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?？商岣弋a(chǎn)碳率降低空隙率。PIC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。第9頁(yè)/共29頁(yè)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。第10頁(yè)/共29頁(yè)1）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。第11頁(yè)/共29頁(yè)2）溫度梯度法工藝方法：將感應(yīng)線(xiàn)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。第12頁(yè)/共29頁(yè)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。第13頁(yè)/共29頁(yè)C/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(chē)等的剎車(chē)材料。飛行器中的應(yīng)用剎車(chē)材料方面應(yīng)用其他應(yīng)用第14頁(yè)/共29頁(yè)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。圖1C/C在航天飛機(jī)上的應(yīng)用圖2C/C在戰(zhàn)略導(dǎo)彈上的應(yīng)用第15頁(yè)/共29頁(yè)

圖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)用部位第16頁(yè)/共29頁(yè)第17頁(yè)/共29頁(yè)

圖2導(dǎo)彈鼻嘴第18頁(yè)/共29頁(yè)第19頁(yè)/共29頁(yè)第20頁(yè)/共29頁(yè)第21頁(yè)/共29頁(yè)2剎車(chē)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(chē)片，用作飛機(jī)（如幻影式戰(zhàn)斗機(jī)）、汽車(chē)（如賽車(chē)）和高速火車(chē)的剎車(chē)材料。波音747上使用C/C剎車(chē)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(chē)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(chē)片約用300kgC/C復(fù)合材料，可使飛機(jī)減輕450kg。用作F-1賽車(chē)剎車(chē)片，可使其減輕11kg。第22頁(yè)/共29頁(yè)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。第23頁(yè)/共29頁(yè)人工心臟瓣膜人造骨骼關(guān)節(jié)第24頁(yè)/共29頁(yè)爐子內(nèi)襯第25頁(yè)/共29頁(yè)C/C復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)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)