碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件

C/C

復(fù)合材料C/C作為剎車盤C/C在航空上的應(yīng)用C/C

復(fù)合材料C/C作為剎車盤C/C在航空上的應(yīng)用索引0.歷史1、定義2、材料概述3、性能特點(diǎn)4.制備工藝5.應(yīng)用概述6.發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景索引0.歷史歷史C/C復(fù)合材料來源于Chance-Vought由于實(shí)驗(yàn)室事故，在碳纖維樹脂基復(fù)合材料固化時(shí)超過規(guī)定的溫度，導(dǎo)致樹脂碳化，卻形成碳碳復(fù)合材料。

我國對(duì)此的研究和開發(fā)主要集中在航天航空等高新技術(shù)領(lǐng)域，較少涉及民用高性能、低成本碳碳復(fù)合材料的研究。整體研究水平還停留在對(duì)材料宏觀性能的追求上，對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)和性能的可控性、可調(diào)性等基礎(chǔ)研究相當(dāng)薄弱，難以滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)高性能碳碳復(fù)合材料的需求。歷史C/C復(fù)合材料來源于Chance-Vough簡要發(fā)展歷程簡要發(fā)展歷程C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖維及其織物，或石墨化的脂碳（瀝青）為增強(qiáng)材料，以碳（或石墨）為基體，通過加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料。增強(qiáng)材料就象樹木中的纖維，混凝土中的鋼筋一樣，是復(fù)合材料的重要組成部分，并起到非常重要的作用為復(fù)合材料中起到粘接增強(qiáng)體成為整體并轉(zhuǎn)遞載荷到增強(qiáng)體的主要組分之一。定義C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖維及其織物，或石墨化的脂碳（

碳/碳復(fù)合材料是由碳纖維或各種碳織物增強(qiáng)碳，或石墨化的脂碳（瀝青）以及化學(xué)氣相沉積（CVD）碳所形成的復(fù)合材料，是具有特殊性能的新型工程材料。由于它幾乎完全是由元素碳組成，故能承受極高的溫度和極大的加熱速率。通過碳纖維適當(dāng)?shù)娜∠蛟鰪?qiáng)，可得到力學(xué)性能優(yōu)良的材料，在高溫時(shí)這種性能保持不變甚至某些性能指標(biāo)有所提高。

碳/碳復(fù)合材料抗熱沖擊和抗熱導(dǎo)能力極強(qiáng)，且具有一定的化學(xué)惰性。概述碳/碳復(fù)合材料是由碳纖維或各種碳織物增強(qiáng)碳，或石墨1.復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀(微觀)上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等?；A(chǔ)概念辨析1.復(fù)合材料基礎(chǔ)概念辨析2.碳纖維(carbonfiber，簡稱CF)是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維"外柔內(nèi)剛"，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。2.碳纖維(carbonfiber，簡稱CF)力學(xué)性能熱物理性能燒蝕性能化學(xué)穩(wěn)定性2.性能特點(diǎn)2.性能特點(diǎn)2.性能特點(diǎn)2.性能特點(diǎn)2.性能特點(diǎn)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。2.性能特點(diǎn)物理性能2.性能特點(diǎn)燒蝕性能：在高溫高壓氣流沖刷下，通過材料發(fā)生的熱解、氣化、融化、升華、輻射等物理和化學(xué)過程，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。2.性能特點(diǎn)燒蝕性能：在高溫高壓氣流沖刷下，通過材料1.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。2.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；3.氧化性能：C/C在常溫下不與氧作用，開始氧化溫度為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。2.性能特點(diǎn)下一頁1.C/C除含有少量的氫、氮和微量金屬元素外，幾乎99%以上細(xì)說穩(wěn)定性細(xì)說穩(wěn)定性碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件生物相容性好：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。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)良替代材碳與生物體之間的相容性極好，再加上碳/碳復(fù)合材料的優(yōu)異力學(xué)性能，使之適宜制成生物構(gòu)件插入到活的生物機(jī)體內(nèi)作整形材料，如人造骨骼、心臟瓣膜等。

碳與生物體之間的相容性極好，再加上碳/碳復(fù)合材料的優(yōu)異力學(xué)性碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件C/C復(fù)合材料制備方法C/C復(fù)合材料制備方法1.預(yù)制體成型（胚體）

在進(jìn)行預(yù)制體成型前，根據(jù)所設(shè)計(jì)復(fù)合材料的應(yīng)用和工作環(huán)境來選擇纖維種類和編織方式，例如，對(duì)重要的結(jié)構(gòu)選用高強(qiáng)度、高模量纖維，對(duì)要求導(dǎo)熱系數(shù)低的則選用低模量炭纖維，如粘膠基炭纖維。坯體可通過長纖維（或帶）纏繞、碳?xì)?、短纖維模壓或噴射成型、石墨布疊層的方向石墨纖維針刺增強(qiáng)以及多向織物等方法制得碳纖維堿金屬等雜質(zhì)含量越低越好；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1.預(yù)制體成型（胚體）碳纖維堿金屬等雜質(zhì)含量越低越好；未經(jīng)表碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件碳?xì)挚捎扇嗽旖z氈碳化或聚丙烯腈預(yù)氧化、碳化后制得。碳?xì)织B層后，可以碳纖維在X、Y、Z的方向三向增強(qiáng)，制得三向增強(qiáng)氈，如下圖所示。

碳?xì)挚捎扇嗽旖z氈碳化或聚丙烯腈預(yù)氧化、碳化后制得。碳?xì)织B層后噴射成型是把切斷的碳纖維(約為0.025mm)配制成碳纖維-樹脂-稀釋劑的混合物，然后用噴槍將此混合物噴涂到芯模上使其成型。

或石墨化的脂碳（瀝青）噴射成型是把切斷的碳纖維(約為0.025mm)配制成碳纖用碳布或石墨纖維布疊層后進(jìn)行針刺，可用空心細(xì)頸金屬棒引紗。下圖是AVCD公司編織的坯體。

用碳布或石墨纖維布疊層后進(jìn)行針刺，可用空心細(xì)頸金屬棒引紗。下在坯體的研制中，發(fā)展的重點(diǎn)是多向織物，如三向、四向、五向或七向等，目前是以三向織物為主。

碳纖維從X、Y、Z三個(gè)方向互成90o正交排列，三個(gè)方向的紗線并不交織，X和Y方向的紗線交替的疊層，Z方向的紗線起增強(qiáng)作用。因此XYZ方向的紗線并沒有交織點(diǎn)，只有重合點(diǎn)，可充分發(fā)揮織物里每個(gè)纖維的力學(xué)性能。三維織物研究的重點(diǎn)在細(xì)編織及其工藝、各向纖維的排列對(duì)材料的影響等方面。在坯體的研制中，發(fā)展的重點(diǎn)是多向織物，如三向、四向、五向或七2.致密化二法：CVD/CVI；液相浸漬碳纖維編織預(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。2.致密化二法：CVD/CVI；液相浸漬

工藝原理以碳?xì)錃怏w(CH4、C2H6、C3H8、C2H4)為碳源，在一定溫度下熱解，直接在織物碳纖維表面沉積成碳工藝特點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性較好單邊均勻沉積厚度不大于50mm，適用于薄壁、異型織物，不適用于實(shí)心預(yù)制體需要幾百甚至上千小時(shí)，中間往往需要多次去除材料表層以打開沉積通道，且易形成密度梯度沉積密度很難超過1.7g/cm3

CVD工藝原理CVD800~200℃CH4(g）────→C（S）+2H2（g）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程的效率、沉積碳基體的性能及均勻性。碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件工藝過程：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，容易使材料表面產(chǎn)生熱裂紋。等溫法工藝過程：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氣碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件工藝方法：通過在織物厚度方向上形成的壓力梯度促使氣體通過植物間隙。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，迫使氣體流過空隙，加快沉積速度。差壓法工藝方法：通過在織物厚度方向上形成的壓力梯度促使氣體通過植物碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件化學(xué)氣相沉積法工藝簡單沉積過程中纖維不受損傷，制品的結(jié)構(gòu)較均勻和完整，故致密性好，強(qiáng)度高。為了滿足各種使用的需要，制品的密度和密度梯度也能夠加以控制，所以此法近年來發(fā)展較快?；瘜W(xué)氣相沉積法工藝簡單沉積過程中纖維不受損傷，制品的結(jié)構(gòu)較均與CVD不同之處是，CVI工藝可將氣相反應(yīng)物分解產(chǎn)生的碳沉積在預(yù)成型體內(nèi)更為細(xì)小的空隙中，可最大限度地減少空隙的大小和數(shù)量，制備的C/C材料的致密化程度更高，材料的力學(xué)性能也更好。CVI工藝主要采用降低反應(yīng)物的熱分解速度，使反應(yīng)物能更充分?jǐn)U散和滲透到坯體的細(xì)小的空隙中，從而實(shí)現(xiàn)減少空隙大小和數(shù)量的目的。CVI法工藝周期相對(duì)CVD要更長，這使其制品的成本高于CVD制品。

目前應(yīng)用最廣泛的是等溫CVI法（ICVI），具有不損傷纖維、基體碳純度高、工藝設(shè)備簡單、可對(duì)多個(gè)形狀復(fù)雜預(yù)制體同時(shí)致密化等特點(diǎn)，是工業(yè)生產(chǎn)C/C復(fù)合材料的主要工藝手段。ICVI工藝致密化過程極其復(fù)雜，沉積反應(yīng)發(fā)生在多孔預(yù)制體的內(nèi)表面，存在氣相熱解、表面沉積反應(yīng)和氣體擴(kuò)散過程；受溫度、壓力、預(yù)制體空隙結(jié)構(gòu)、氣體的種類及滯留時(shí)間等因素的影響；存在沉積反應(yīng)和氣體擴(kuò)散之間的矛盾，“氣體擴(kuò)散”是致密化過程的主要控制步驟。為了緩解氣體擴(kuò)散和沉積反應(yīng)之間的矛盾，通常不得不采用較低的溫度特別是較低的壓力，以降低致密化速度和提高氣體擴(kuò)散系數(shù)，其結(jié)果導(dǎo)致致密化周期特別長。工業(yè)上通常需要600～2000h，前驅(qū)氣體的利用率僅為1%～2%，這是C/C復(fù)合材料成本居高不下的主要原因。CVI（化學(xué)氣相滲透法）與CVD不同之處是，CVI工藝可將氣相

工藝原理以樹脂或?yàn)r青為基體前驅(qū)體，將其浸漬到織物中，然后將浸漬有樹脂或?yàn)r青的織物在惰性氣氛下熱處理，使樹脂或?yàn)r青轉(zhuǎn)化為基體碳工藝特點(diǎn)工藝簡單，原料便宜致密化效率較低，需要經(jīng)過多循環(huán)浸漬－碳化當(dāng)在制品達(dá)到一定密度后（1.7g/cm3），需要HIP工序?qū)崿F(xiàn)材料的高密度液相浸漬工藝工藝原理液相浸漬工藝碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件液相浸漬工藝一般在常壓或減壓下進(jìn)行工藝過程，達(dá)到致密預(yù)制體

此工藝存在問題是：①工藝繁復(fù)、周期長、效率低；②液體難以浸漬到預(yù)制體微孔中；③有些浸漬液在常壓和減壓下炭化收率低，必須加壓，如煤瀝青；④有些浸漬液炭化時(shí)粘附性過好，易于阻塞氣孔口，難以達(dá)到致密要求，如樹脂由于上述原因，后來發(fā)展了高壓浸漬炭化工藝（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），所使用的壓力皆超過2MPa，此工藝對(duì)設(shè)備要求高，操作要求嚴(yán)格，且導(dǎo)致成本上升液相浸漬工藝一般在常壓或減壓下進(jìn)行工藝過程，達(dá)到碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件碳碳復(fù)合材料學(xué)習(xí)資料課件問題來了！問題來了！碳化（carbonization）將上述成形物在隔絕空氣下熱分解為碳和其他產(chǎn)物。石墨化：利用熱活化將熱力學(xué)不穩(wěn)定的炭原子實(shí)現(xiàn)由亂層結(jié)構(gòu)向石