碳碳編織復(fù)合材料介紹---復(fù)制

1、C/C復(fù)合材料n碳碳復(fù)合材料可以通過滲透一種碳先驅(qū)體到碳纖維預(yù)制體中，然后再升溫到大約1000碳化，或者1000通過CVD方法，然后經(jīng)過多次浸漬、碳化或CVD，最后加熱到2000以上石墨化。碳纖維n碳纖維微觀結(jié)構(gòu)是由幾乎平行于纖維軸向排列的類石墨微晶構(gòu)成，這樣的結(jié)構(gòu)使纖維表現(xiàn)各向異性特征。n平行于纖維縱向的彈性模量、強(qiáng)度和熱/電傳導(dǎo)性能較大，而橫向相應(yīng)的性能要比縱向小一個(gè)數(shù)量級(jí)。n纖維橫向的熱膨脹系數(shù)要比纖維縱向的熱膨脹系數(shù)大很多。碳纖維n碳纖維的模量范圍從206GPa到689GPa，強(qiáng)度范圍從1.7GPa到4.1GPan高模纖維比低模纖維擁有高的熱傳導(dǎo)率，高的密度和碳產(chǎn)率和低的熱膨脹系數(shù)。n

2、如果把低模纖維加熱到石墨化溫度2500K，首先模量增加，軸向排列整齊度和微晶尺度也增大。并且晶面間的距離減小，纖維收縮。碳纖維n連續(xù)碳纖維的制作過程是抽絲、氧化定型、碳化和石墨化。q1960s早期，采用人造纖維作為碳纖維的先驅(qū)體 q利用PAN（聚丙烯腈）作為碳纖維的先驅(qū)體q利用瀝青作為碳纖維的先驅(qū)體 復(fù)合材料抗氧化處理n如果發(fā)生氧化，CC復(fù)合材料的性能迅速下降。當(dāng)溫度高于500，碳纖維和氧氣接觸，碳纖維氧化的速度非常迅速。n當(dāng)有2%-5%重量的碳纖維發(fā)生氧化，碳纖維的力學(xué)性能會(huì)降低40%-50%。n抗氧化處理q通過凈化去除催化氧化劑，鈍化反應(yīng)基q加入一些元素或化合物阻止氧氣與纖維接觸q開發(fā)外部

3、涂層技術(shù)。碳基體n一般有三種碳基體先驅(qū)體q熱塑型瀝青q熱固型樹脂qCVI方法n選擇哪種方法的原則：很到程度上依賴于生成復(fù)合材料部件的幾何形狀。q厚度薄的部件主要采用CVI方法；q厚度厚的部件使用樹脂或?yàn)r青滲透；q復(fù)雜形狀的幾何部件使用樹脂滲透。q一般利用混合方法對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行致密化處理。界面n界面的性能取決于q纖維的類型q纖維表面活性q基體的類型（樹脂前驅(qū)，CVI的微觀結(jié)構(gòu)和瀝青前驅(qū)）q基體活性q纖維體積含量q加工條件q致密化程度q纖維方向和層壓板厚度。n好的界面使復(fù)合材料在縱向拉伸時(shí)破壞應(yīng)變等于基體的破壞應(yīng)變，很好的纖維與基體的結(jié)合降低了材料在纖維方向的性能并且使材料變脆 。n如果

4、纖維和基體發(fā)生脫粘，復(fù)合材料會(huì)表現(xiàn)偽塑性（pseudo-plasticity）。C/C復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比n通過致密化到四個(gè)周期材料的所有性能都有所改善，但是橫向強(qiáng)度變低，沒有造成層間剪切強(qiáng)度的降低。組分材料的力學(xué)性能碳纖維纖維束殼的影響碳基體n基體的有效性能直接與處理歷程和浸漬方法相關(guān)。n基體的微裂紋與復(fù)合材料最后處理的溫度有關(guān)。微裂紋影響復(fù)合材料內(nèi)部基體的性能（剪切性能和熱膨脹）。n通過熱膨脹和45度拉伸試驗(yàn)確定與溫度相關(guān)的基體材料性能。碳基體纖維預(yù)制件紗線機(jī)織結(jié)構(gòu)編織結(jié)構(gòu)纏繞和編織結(jié)構(gòu)對(duì)比編織和機(jī)織復(fù)合材料性能Hiroshi Hatta, Keisuke Taniguchi, Yasuo

5、 Kogo. Compressive strength of three-dimensionally reinforced carbon/carbon composite. Carbon 43 (2005) 3513583D C/C 增強(qiáng)相位PAN基高強(qiáng)度型纖維，纖維體積分?jǐn)?shù)48%（每個(gè)方向?yàn)?6%），通過927K，1000atm，使用煤焦油瀝青作為浸漬材料，然后通過2800K熱處理，最后密度為1.9g/cm3。2D C/C Torayca M40， 使用預(yù)浸纖維束方法，6K碳纖維， 利用尼龍似把纖維束固定成單向的預(yù)浸漬板，對(duì)稱鋪層，873K HIP, 2300K在惰性氣體環(huán)境下熱處理，纖維體

6、積分?jǐn)?shù)為50%壓縮試驗(yàn)前期試做壓縮試件尺寸的影響高溫壓縮性能Ken Goto, Hiroshi Hatta, Masato Oe, Takashi Koizumi. Tensile Strength and Deformation of a Two-Dimensional CarbonCarbon Composite at Elevated Temperatures. J. Am. Ceram. Soc., 86 12 212935 (2003)2D C/C Torayca M40， 使用預(yù)浸纖維束方法，6K碳纖維， 利用尼龍似把纖維束固定成單向的預(yù)浸漬板，0/904s 對(duì)稱鋪層，873K H

7、IP, 2273K在惰性氣體環(huán)境下熱處理，纖維體積分?jǐn)?shù)為40%。利用單向CC復(fù)合材料粗略的預(yù)報(bào)纖維基體的粘接強(qiáng)度。拉伸試驗(yàn)結(jié)果高溫拉伸蠕變性能nCC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高而增大的主要機(jī)制：q排出氣體（吸收的水）的影響q基體強(qiáng)度與溫度的依賴性q纖維基體界面q蠕變變形的影響q熱應(yīng)力的影響q纖維強(qiáng)度的影響基體強(qiáng)度與溫度的依賴性纖維基體界面n界面粘接強(qiáng)度降低能夠增強(qiáng)C/C復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度Hiroshi Hatta , Ken Goto, Shinya Ikegaki, Itaru Kawahara, Mohamed S. Aly-Hassan, Hiroyuki Hamada. Tensi

8、le strength and fiber/matrix interfacial properties of 2D- and 3D-carbon/carbon composites. Journal of the European Ceramic Society 25 (2005) 5355423D C/C 正交編織 xyz三向分別40,13,3%的纖維體積分?jǐn)?shù)，纖維高強(qiáng)度IM600碳纖維2D C/C 酚醛樹脂板200mm *200mm *2mm 纖維體積分?jǐn)?shù)60%，纖維高強(qiáng)度IM600碳纖維煤焦油瀝青真空浸漬，650攝氏度100MPa下炭化，2300攝氏度在惰性氣體下石墨化界面強(qiáng)度測(cè)試致密化

9、次數(shù)的影響致密化次數(shù)的影響3D-C/C-23D-C/C-5致密化次數(shù)的影響利用有限元方法預(yù)報(bào)材料的有效性能n計(jì)算材料有效性能的方法有很多：剛度平均化方法，細(xì)觀力學(xué)方法，有限元方法等。n組分材料的性能 材料性能剛度平均化方法等應(yīng)力等應(yīng)變假設(shè)細(xì)觀力學(xué)方法夾雜理論建立細(xì)觀材料與宏觀材料或者細(xì)觀材料之間的關(guān)系如應(yīng)力、應(yīng)變等有限元方法有限元方法是利用單元離散，通過節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)連接傳遞應(yīng)力以及保持應(yīng)變協(xié)調(diào)。因此，材料性能是細(xì)觀組分材料響應(yīng)的宏觀表現(xiàn)因此，材料性能是細(xì)觀組分材料響應(yīng)的宏觀表現(xiàn)n模擬實(shí)驗(yàn)法q含有缺陷q細(xì)觀結(jié)構(gòu)沒有周期性n特征體元法q具有周期的細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)q細(xì)觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜有限元方法宏觀應(yīng)力應(yīng)變的求解方法n類實(shí)驗(yàn)求解法q宏觀