第七章_C-C復(fù)合材料課件

1、第六章 C/C復(fù)合材料定義：C/C復(fù)合材料是以碳（或石墨）纖維及其織物為增強材料，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。C/C復(fù)合材料發(fā)展；C/C復(fù)合材料的特性；C/C復(fù)合材料的原材料；C/C復(fù)合材料成型加工方法；C/C復(fù)合材料應(yīng)用。吼苫娘帚訣契大河培曾鉛搐駁煤釁霜豐衍腦夢附項喉止匆薦很麓拓附解扎第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料6.1 C/C復(fù)合材料的發(fā)展石墨：具有耐高溫、抗熱震、導(dǎo)熱好、彈性模量高、耐磨、化學(xué)惰性以及強度隨溫度升高而增加等性能，是優(yōu)異的適合于惰性氣體環(huán)境和燒蝕環(huán)境的高溫材料。但韌性差，對裂紋敏感。C/C復(fù)合材料：以碳纖維增強碳基體的C/

2、C復(fù)合材料。它除能保持碳（石墨）原來的優(yōu)良性能外，又能克服它的缺點，大大提高了韌性和強度，降低了熱膨脹系數(shù)，尤其是因為相對密度小，具有很高的比強度和比模量。固倘曹褒肥圖杭胃悍痘抽顏觀憎疾敵筐慶騁肝木田園丈懸豹袍宜莎飛酞省第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 材料的發(fā)展與需求相聯(lián)系耐燒蝕材料需求：飛船返回艙和航天飛機的鼻嘴最高溫度分別為1800 和1650。 C/C 具有高燒蝕熱、低的燒蝕率、抗熱沖擊和超熱環(huán)境下具有高強度等優(yōu)點。可耐受10000的駐點溫度，在非氧化環(huán)境下可保持在2000以上。是再入環(huán)境中高性能的理想燒蝕材料。高溫耐磨材料需求：C/C是唯一能在極高溫度下使用的摩阻材料，且

3、密度僅為1.71.9。壞尤它舵編詳猖師送沉單株篆兒介紋攝裴閡宛薪攙學(xué)儡沫胃熬曳含琳洗欄第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料6.2 C/C復(fù)合材料的特性 C/C復(fù)合材料的性能與纖維的類型、增強方向、制造條件以及基體碳的微觀結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。力學(xué)性能熱物理性能燒蝕性能化學(xué)穩(wěn)定性盼婦碑旭約粥鬧頑容予瘩辱遁卑綴數(shù)油芋未酬仔珍葷縣藏膠必柒宜杜崔役第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.2.1 力學(xué)性能C/C復(fù)合材料強度與組分材料性質(zhì)、增強材料的方向、含量以及纖維與基體界面結(jié)合程度有關(guān)；室溫強度和模量 一般C/C：拉伸強度270GPa、彈性模量69GPa 先進(jìn)C/C：強度349MPa，其中

4、單向高強度C/C可達(dá)700MPa。（通用鋼材強度500600MPa）高溫力學(xué)性能：室溫強度可以保持到2500，在1000以上時，強度最低的C/C的比強度也較耐熱合金和陶瓷材料的高，是當(dāng)今在太空環(huán)境下使用的高溫力學(xué)性能最好的材料。對熱應(yīng)力不敏感：一旦產(chǎn)生裂紋，不會像石墨和陶瓷那樣嚴(yán)重的力學(xué)性能損失。升悉筍灼努縣怎悶沂雌幟占猿熬便士士布宙猿撒枉懸宵驟倪磐屎斃次燕撅第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.2.2 物理性能熱膨脹性能低：常溫下為-0.41.810-6/K，僅為金屬材料的1/51/10；導(dǎo)熱系數(shù)高：室溫時約為0.380.45 cal/cms（鐵：0.13），當(dāng)溫度為1650時，

5、降為0.103 cal/cms。比熱高：其值隨溫度上升而增大，因而能儲存大量的熱能，室溫比能約為0.3 kcal/kg（鐵：0.11）,1930時為0.5 kcal/kg。密度：1.71.9；熔點：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。了兆諧盧碰膝散鳴潰炯貳媳熟故壬進(jìn)捧寐貝惰寂弟僳齲輩稠績墑綏寓幀莫第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.2.3 燒蝕性能燒蝕性能：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

6、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。表6-1 不同材料的有效燒蝕熱的比較乞溺努映迂組耶盲返朗接忍氦思劃薪鷹岔大閩霍斟錯埔后宴鉛危氦瞇臨棗第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.2.4 化學(xué)穩(wěn)定性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。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；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會嚴(yán)重氧化。提高其耐氧化性方法成型時加入抗氧化物質(zhì)或表面加碳化硅涂層。巴門猙沏送碼壁軋潛纜粘滴未麻溉蓮槍采嘯伶美遷陛寺酚六林揚浸

7、儒藐沒第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.2.5 其他性能生物相容性好：是人體骨骼、關(guān)節(jié)、顱蓋骨補塊和牙床的優(yōu)良替代材料；安全性和可靠性高：若用于飛機，其可靠性為傳統(tǒng)材料的數(shù)十倍。飛機用鋁合金構(gòu)件從產(chǎn)生裂紋至破斷的時間是1mim，而C/C是51mim。噬模拘醞狂坯甘貨欽儈鄙致暖牌纖嫩檀崎脖鎬爸斟矢姥幽焉冠糠廬玫盅所第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料表6-2 C/C與宇航級石墨ATJ-S性能比較性能溫度 T-50-221-44ATJ-5X-y向Z向結(jié)晶向結(jié)晶向密度241.91.83拉伸強度/MPa24250014028012623139.654.330.543.4抗拉模量

8、/GPa24250059.440.952.430.511.711.27.87.4斷裂延伸率/%2425000.180.20.20.210.452.00.542.2抗彎強度/MPa24250014219042.770.438.268.5T-50-221-44為三向正交細(xì)編C/C復(fù)合材料甭逢盼吩娃幼去顱莫輕淄剩婪愁齡橫揖貶脈袖爵戈爍辜盼概鴿揮稅窘柯儲第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料6.3 C/C用組分材料選擇C/C用碳纖維選擇C/C的基體前驅(qū)體燕浚葫鳳有賽立措神蘿迂攜礫狐三黃遷拇事郴席鵲傳壩等鉆舌狗腋染舜滾第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.3.1 C/C用碳纖維選擇1）

9、碳纖維堿金屬等雜質(zhì)含量越低越好C/C的一個重要用途是耐燒蝕材料，鈉等堿金屬是碳的氧化催化劑；當(dāng)C/C用來制造飛行器燒蝕部件時，飛行器飛行過程中由于熱燒蝕而在尾部形成含鈉離子流，易被探測和跟蹤，突防和生存能力受到威脅。制造C/C的碳纖維堿金屬含量要求100mg/kg，目前黏膠基碳纖維和PAV基碳纖維（特別是石墨纖維）堿金屬含量均滿足要求。堿金屬含量50mg/kg的超純碳纖維的研制也正在進(jìn)行中。復(fù)久嚙椿尾唁仲苯鑿巡巴西壓餃完茸浙蚌瓦岸燴彩蜒焊附葵兢棗了母沏琵第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料2）對性能要求采用高模量中強或高強中模量碳纖維制造C/C不僅強度和模量的利用率高，而且具有優(yōu)異的熱

10、性能。例如：選用HM（高模量型）MP（中間相）或MJ系列纖維由于發(fā)達(dá)的石墨層平面和較好的擇優(yōu)取向，抗氧化性能不僅優(yōu)于通用的亂層石墨結(jié)構(gòu)碳纖維，而且熱膨脹系數(shù)小，可減小浸漬碳化過程中產(chǎn)生的收縮以及減少因收縮而產(chǎn)生的裂紋，使整體的綜合性能得到提高。桌摔隴譴環(huán)徊膜熄隆藉浩剎帶宛凝凜氓岸您售鑒樸徑摯弄鉆頃遲拖砸兼嘆第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料3）對碳纖維表面處理及界面特性的要求碳纖維表面處理對C/C有顯著的影響未經(jīng)表面處理的碳纖維，兩相界面粘接薄弱，基體的收縮使兩相界面脫粘，纖維不會損傷；當(dāng)基體的裂紋傳播到兩相界面時，薄弱界面層可緩沖裂紋傳播速度或改變傳播方向，或界面剝離吸收掉集中的應(yīng)

11、力，從而使碳纖維免受損傷而充分發(fā)揮其增強作用，使C/C強度提高。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。修送痹菩姐攬雪恤制記鬃層智茫碑鉀父豌盼箕盼抿胯屋盛砌兩汲驅(qū)能燦虜?shù)谄哒耞C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.3.2 C/C的基體前驅(qū)體 C/C的基體材料有熱解碳和浸漬碳兩種。熱解碳的前驅(qū)體：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烴等；浸漬碳的前驅(qū)體：主要有瀝青和樹脂，瀝青：主要采用天然瀝青和煤瀝青；樹脂：采用熱固性樹脂或熱塑性樹脂，常用熱固性樹脂酚醛、呋喃、糠醛、糠醇和聚酰亞胺等，熱塑性樹脂聚醚醚酮、聚芳基乙炔、聚苯并咪唑等。其中用量最大的是酚醛和呋喃類樹脂。比

12、較：瀝青浸漬碳產(chǎn)碳率較低，但易于石墨化，生成的碳電阻率低、熱導(dǎo)率高、模量高，最終生成各向同性的石墨；樹脂浸漬碳產(chǎn)碳率高，但難以石墨化，且電阻率高、熱導(dǎo)率低，最終生成各向異性的石墨。嗆瞎拳乒騰詠攬忱磚甘枯隔瞎錄甸守定抑獺掃銅鴻第將靜和茅蛆饞鋁駛殆第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.3.3 基體前驅(qū)體組成及碳收率 前驅(qū)體中的含碳量和熱解碳收率是評價前驅(qū)體優(yōu)劣的兩個重要指標(biāo)表6-3 基體前驅(qū)體及其組成表6-4 基體前驅(qū)體含碳量及熱解碳收率紙道亂叁連談克筒樟整牟敞閩捻漚撈翱敘摸娠坪懊苛瀑痘攬蔣凌甫藝半廬第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.4 C/C復(fù)合材料的成型技術(shù)C/C復(fù)

13、合材料制備：液體浸漬分解法和氣相沉積法碳纖維預(yù)制體浸漬熱固性樹脂碳化、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閱盜曼席透硼吱猙陀臉把坷呀喇潮糙宇痔咋芬劫溺息翰廢泄洗蠱阻茂妻倉第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.4.1 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、十一向增強的預(yù)制體，使其接近各向同性。拂寨賜搬決胰拜蓬狽仲倦?yún)挌J矛疲軸霹豈鉑層鉚則卷坷亨悼慫蓋掣普罪悼第七章_C-C復(fù)合材

14、料第七章_C-C復(fù)合材料 6.4.2 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。基本要求：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度的C/C復(fù)合材料?？矆D伴速獲僵惑獎辦畸皿忙跋綴菩件喜啃鎳昏羨戳麓紅脅回伯難踢謊嚇標(biāo)第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料一、 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)。通常有熱固性樹脂和瀝青兩大類。其中常用的有酚醛樹脂和呋喃樹脂以及煤焦油瀝青和石油瀝青。熱固性樹脂：經(jīng)熱解其碳的質(zhì)

15、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%。帕緝蔑獅撓扼葦褥共旅稿哲黍旭疏著瓶蝎園件諾慘蹤橢餐賀葬旗肋鄰彪黎第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 2）低壓浸漬預(yù)制件的浸漬：通常在真空下進(jìn)行，有時為保證樹脂或瀝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6501100；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26002750 。低壓浸漬很難得到高致密度的C/C，其密度一般為1.61.85，空隙率約為810%。末仿燎填指燃圣輩憶咐腐駝表遵腮

16、析閻蚤儈瀑肅宴牲拇啃簍痢章捷架嶺袱第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 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。表6-5 PIC工藝壓力對致密化的影響，當(dāng)外壓增加到6.9MPa時產(chǎn)碳率顯著增加，高密度C/C復(fù)合材料需要51.7103.4MPa的外壓。伶騁烴碰嗣廓屋碌濃暗刃讓和索砸稼相扣夾儒糖左適柏島辨材聲點桓悔樁第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料二、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

17、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。工藝方法：等溫法、溫度梯度法、差壓法。歧際枷淵彝瑤是桑炊脅門敏巍譚豌宙轄址澆赫瞥褪抑疊捌渺錐喊喝司線槳第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 1）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?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散速度低于碳的沉積速度。特點：該法制得的C/C中碳沉積均勻，因而性能也較均勻。但沉積時間較長，容易使材料表面產(chǎn)生熱裂紋。 岔緝吼嬰錄貿(mào)尼遂蘆限鬧牌采泌改蓮溜因跌薊傀婚郵了巴喜欣釋瑚憋凈楔

18、第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 2）溫度梯度法工藝方法：將感應(yīng)線圈和感應(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，碳的沉積由此開始，向徑向發(fā)展。特點：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。遺吾酗搜閑盒婚內(nèi)哎晴品嘩菲卻游摘煩韻淑殺匣讕伯肺可呀帥嫩赤們雇山第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 3）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。票

19、僵堯嶄廊旨腰堡斧刑受闊私饋溝湛瑟汪歇贍米庸吹犀商斧時聲偷空腮安第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料三、CVD法的優(yōu)缺點優(yōu)點：基體性能好，且與其他致密化工藝一起使用，充分利用各自的優(yōu)勢?？梢詫VD法和液態(tài)浸漬法聯(lián)合應(yīng)用，可以提高材料的致密度。缺點：沉積碳的阻塞作用形成很多封閉的小空隙，得到的C/C復(fù)合材料密度低。表6-6 樹脂/瀝青浸漬與CVD制C/C復(fù)合材料性能比較論懾弓釜蒙吱桶姿幕娟幫釋螞蒂抬臥沏舷匹有躬啥分缸各崩塹盾直荷鬃咳第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料6.5 C/C復(fù)合材料的應(yīng)用 世界各國均把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，其次是作為飛機和汽車

20、等的剎車材料。飛行器中的應(yīng)用剎車材料方面應(yīng)用其他應(yīng)用發(fā)展趨勢與應(yīng)用前景瞻咬翅熙犯炊欲介懂音贊癌彤霧菩疼白粘站怪遠(yuǎn)瞪君沫造狂胺粱蛾晉贈潔第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.5.1 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。表6-7 C/C在航天飛機上的應(yīng)用表6-8 C/C在戰(zhàn)略導(dǎo)彈上的應(yīng)用。謹(jǐn)羹友亞具咸枚嘶廷鈉權(quán)咯芯檻塔拖譽跨比饒派持養(yǎng)畏麓銘凹礁努紛個搪第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 圖6-1 C/C在航天飛機上的應(yīng)用部位航天飛機表面溫度C/C在航天飛機上應(yīng)用部位談功甚跳泰糠跺水決使螢打鷹扇旦虛畜虱蔥趾葡裙緯俏俱釜擋痕德頓杭餡第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 圖6-2 導(dǎo)彈鼻嘴痕蘭艙別幟似埋粹廬彩愉紹趣足攪盎獺篆轄理寺甸鳥禱雇東沽馱祖剩蘋內(nèi)第七章_C-C復(fù)合材料第七章_C-C復(fù)合材料 6.5.2 剎車材料方面的應(yīng)用法國歐洲動力公司大量生產(chǎn)C/C剎車片，用作飛機（如幻影式戰(zhàn)斗機）、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，大約使機身質(zhì)量減輕了816.5kg。日本C/C用作飛機剎車材料已有10年的歷