碳碳復(fù)合材料論文

碳 碳復(fù)合材料碳 碳復(fù)合材料 小組成員 方狀 蔡雄 黃凱 徐睿昭 班級 國際學(xué)院紡織工程 1103 班 摘要 碳 碳復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料 具有重量輕 模量高 比 強(qiáng)度大 熱膨脹系數(shù)低 耐高溫 耐熱沖擊 耐腐蝕 吸震性好等一系列優(yōu)點 在航空航天 汽車領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用 本文通過對這種復(fù)合材料在行業(yè)中的廣 泛應(yīng)用及現(xiàn)狀分析 對國內(nèi)市場的問題與前景進(jìn)行了探討 關(guān)鍵字 碳纖維 增強(qiáng)體 性能 應(yīng)用 一 C C復(fù)合材料的發(fā)展歷史 20世紀(jì)60年代初日本首先用聚丙烯腈 PAN 原絲制成高性能碳纖維 1963年英國的研究人員發(fā)明用牽引法提高纖維結(jié)構(gòu)的取向 進(jìn)一步提高了碳纖 維的強(qiáng)度和彈性模量 到60年代末 提高碳纖維性能和產(chǎn)生效率的辦法日趨完善 高強(qiáng)度 超高強(qiáng)度 高模量和高強(qiáng)中模量的碳纖維形成規(guī)模生產(chǎn)并開始商品化 現(xiàn)在C C復(fù)合材料不僅在高科技方面應(yīng)用廣泛 而且它也滲透都我們平常生活 的點點滴滴中 二 C C復(fù)合材料的定義 C C復(fù)合材料是指以碳纖維作為增強(qiáng)體 以碳作為基體的一類復(fù)合材料 而碳 纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料 基體為復(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 作為增強(qiáng)體的碳纖維可用多種形式和種類 既可以用短切纖維 也可以用連續(xù) 長纖維及編織物 各種類型的碳纖維都可用于C C復(fù)合材料的增強(qiáng)體 碳基體 可以是通過化學(xué)氣相沉積制備的熱解碳 也可以是高分子材料熱解形成的固體 碳 C C復(fù)合材料作為碳纖維復(fù)合材料家族的一個重要成員 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 尤其是其強(qiáng)度隨著溫度的升高 不僅不會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 因而它廣泛地應(yīng)用于航天 航空 核能 化 工 醫(yī)用等各個領(lǐng)域 三 C C復(fù)合材料的特征 其主要特征有 1 合材料所具有的可設(shè)計性 2 量輕 其密度為1 65 2 0g cm3 僅為鋼的四分之一 3 學(xué)特性隨溫度升高而增大 2200 以前 是目前唯一能在2200 以上 保持高溫強(qiáng)度的工程材料 4 線膨脹系數(shù)小 高溫尺寸穩(wěn)定性好 5 異的耐燒蝕性能 6 損傷容限高 良好的抗熱震性能 C C復(fù)合材料的性能 1 力學(xué)性能 C C復(fù)合材料不僅密度小 而且抗拉強(qiáng)度和彈性模量高于一般碳素材料 因此碳纖維的增強(qiáng)效果 十分明顯 同時 撓曲強(qiáng)度也高于一般碳素材料 2 熱物理性能 C C復(fù)合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性 其熱膨脹系數(shù)小 僅為金屬材料的 1 5 1 10 高溫?zé)釕?yīng)力小 熱導(dǎo)率高 C C復(fù)合材料的比熱高 隨溫度上升而增大 因此能儲存大量熱能 C C復(fù)合材料的抗熱震性很大 為各類石墨制品的1倍 40倍 四 C C復(fù)合材料的性能 1 力學(xué)性能 C C復(fù)合材料不僅密度小 而且抗拉強(qiáng)度和彈性模量高于一般 碳素材料 因此碳纖維的增強(qiáng)效果十分明顯 同時 撓曲強(qiáng)度也高于一般碳素 材料 2 熱物理性能 C C復(fù)合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性 其熱膨脹系數(shù)小 僅 為金屬材料的1 5 1 10 高溫?zé)釕?yīng)力小 熱導(dǎo)率高 C C復(fù)合材料的比熱高 隨溫度上升而增大 因此能儲存大量熱能 C C復(fù)合材料的抗熱震性很大 為各類石墨制品的1倍 40倍 3 耐燒蝕性能 C C復(fù)合材料有效燒蝕率高 材料燒蝕時能帶走大量熱 經(jīng) 高溫石墨化后 C C復(fù)合材料的燒蝕性能將更加優(yōu)異 C C復(fù)合材料暴露于高溫和快速加熱環(huán)境中 由于蒸發(fā)升華和可能的熱化學(xué)氧 化 使其部分表面可以被燒蝕 但其表面的凹陷淺 良好地保持其外形 且燒 蝕均勻和對稱 因此 廣泛應(yīng)用作耐燒 4 化學(xué)穩(wěn)定性 C C復(fù)合材料具有和碳一樣的化學(xué)穩(wěn)定性 C C復(fù)合材料的最大缺點 是耐氧化性能差 易腐蝕材料 五 復(fù)合材料的組成結(jié)構(gòu) 主要成分包括 碳纖維骨架和碳基體 而碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料 碳纖 維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨 是亂層石墨結(jié)構(gòu) 如下圖所示 圖2 1 1亂層石墨結(jié)構(gòu) 首先我們先要了解碳纖維化學(xué)性質(zhì) 碳纖維是含碳量高于90 的無機(jī)高分子纖維 其中含碳量高于99 的稱石 墨纖維 目前應(yīng)用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維 碳纖維的制造包括纖維紡絲 熱穩(wěn)定化 預(yù)氧化 碳化 石墨化等4個過程 其間伴隨的化學(xué)變化包括 脫氫 環(huán)化 氧化及脫氧等 基體的作用 基體為復(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 碳 石墨 基體使用溫度在有抗氧化措施的條件下可超 過2000 C C復(fù)合材料的基體材料有熱解碳和浸漬碳兩種 1 熱解碳主要是甲烷 乙烷 丙烷和乙烯以及低分子芳烴等組成 經(jīng)高溫列舉 生成碳 2 浸漬碳主要有瀝青和樹脂組成 熱解碳原料來源豐富 質(zhì)量可靠 品種多 且成本低 選材范圍廣 六 a C C復(fù)合材料的應(yīng)用 C C復(fù)合材料的主要兩大應(yīng)用領(lǐng)域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(jī)噴管 航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件 飛機(jī)及賽車的剎車裝置 熱元件 和機(jī)械緊固件 熱交換器 航空發(fā)動機(jī)的熱端部件等 1 固體火箭發(fā)動機(jī)噴管上的應(yīng)用 C C復(fù)合材料自20世紀(jì)70年代首次作為固體火箭發(fā)動機(jī) SRM 喉襯飛行成功 以來 極大地推動了SRM噴管材料的發(fā)展 采用C C復(fù)合材料的喉襯 擴(kuò)張段 延伸出口錐 具有極低的燒蝕率和良好的燒蝕輪廓 可提高噴管效率 l 3 即可大大提高sRM的比沖 喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基 C C復(fù)合材料 增強(qiáng)體多為整體針刺碳?xì)?多向編織等 并在表面涂覆Sic以提 高抗氧化性和抗沖蝕能力 2 剎車領(lǐng)域的應(yīng)用 C C復(fù)合材料剎車盤的實驗性研究于1973年第一次 用于飛機(jī)剎車 目前 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 高熔點以及高溫下的強(qiáng)度 C C復(fù)合材料正好適應(yīng)了 這一要求 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 剎車材料相比 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) 剎車時噪聲小 因此碳剎車盤的問世被認(rèn)為是剎車材料發(fā) 展史上的一次重大的技術(shù)進(jìn)步 目前法國歐洲動力 碳工業(yè)等公司已批量生產(chǎn)c 妃復(fù)合材料剎車片 英國鄧祿普公司也已大量生產(chǎn)C C復(fù)合材料剎車片 用于 賽車 火車和戰(zhàn)斗機(jī)的剎車材料 六 b C C復(fù)合材料的性能的提高方法 1 耐燒蝕性能的提高針對固體火箭發(fā)動機(jī)噴管喉襯材料的應(yīng)用 重點在于 C C復(fù)合材料的耐燒蝕性能 目前 常采用C C滲銅 Cu 或C C滲難熔金屬碳 化物 Tac HfC z芘 兩種方法進(jìn)行提高C C復(fù)合材料的耐燒蝕性能 從而滿足 新一代火箭喉襯材料的需求 2 耐摩擦磨損性能研究C C復(fù)合材料耐摩擦磨摜陛能優(yōu)異 其摩擦因6合 成纖維SFC2011 No 1數(shù)適當(dāng)且穩(wěn)定 飛機(jī)剎車用C C復(fù)合材料 壽命提高近5 倍 剎車性能也明顯高于粉末冶金剎車材料f笠 蠲 70年代中期 英國Dunlop 航空公司的C C復(fù)合材料剎車片首次在協(xié)和式飛機(jī)上試飛成功以來 得到很大 發(fā)展 已廣泛應(yīng)用于高速軍用飛機(jī)和大型高音速民用客機(jī) F16 B737 B757 B767及暴風(fēng)雪等型號 目前航空剎車用C C復(fù)合材料主要由 世界上的五家公司生產(chǎn) 它們是法國的Messier 美國的 Goodrich Bendix Goodyear及英國的Dunlop 七 C C復(fù)合材料發(fā)展趨勢展望 C C復(fù)合材料自20世紀(jì)60年代發(fā)明以來 就受到軍事 航空航天 核能以 及許多民用工業(yè)領(lǐng)域的極大關(guān)注 然而 由于C C復(fù)合材料制造工藝復(fù)雜 技 術(shù)難度大 原材料價格昂貴 產(chǎn)品成本長期居高不下 其用途仍然限制在一些 工作條件苛刻的部位 以及其它材料不能替代的航空航天和軍事領(lǐng)域 目前在 C C復(fù)合材料研究領(lǐng)域 最需要解決的問題是 研究高效 低成本 快速制備 工藝方法 研究能在1 800 以上長期使用的抗氧化涂層 研究高性能耐燒蝕 C C復(fù)合材料并應(yīng)用于固體火箭喉襯材料 改進(jìn)C C復(fù)合材料的摩擦磨損性能 使之萬方數(shù)據(jù)更加滿足于剎車材料的應(yīng)用 C C復(fù)合材料與人體硬組織有優(yōu)異 的生物相容性 其彈性模量與人體骨接近 在人體承重骨替換領(lǐng)域具有廣闊的 應(yīng)用前景 有關(guān)C C復(fù)合材料的基本理論問題 如界面結(jié)合 斷裂行為 高溫性能的 研究 仍有待進(jìn)一步完善 另外一些相關(guān)的領(lǐng)域如碳碳復(fù)合材料的無損檢測 質(zhì)量評價 力學(xué)模型 計算 設(shè)計等問題也有待解決 參考文獻(xiàn) l 沈曾民 新型碳材料 M 化學(xué)工業(yè)出版社 2003 9 470 2 白瑞成 李賀軍 李克智等 工藝因素對呲復(fù)合材料IcVI致密化的影 響 材料科學(xué)與工程學(xué)報 2008 26 6 827 831 3 陳少杰 張教強(qiáng) 郭銀明 榭碳復(fù)合材料高溫抗氧化涂層的研