《航空工程材料（活頁(yè)式）》 課件 16 碳碳復(fù)合材料

第18講C/C復(fù)合材料目錄C/C復(fù)合材料的概念C/C復(fù)合材料的性能C/C復(fù)合材料的用途制備工藝及展望1234概述C/C復(fù)合材料是目前新材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)的一種新型超高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料,密度小、比強(qiáng)度大、線膨脹系數(shù)低(僅為金屬的1/5~1/10)、熱導(dǎo)率高、耐燒蝕、耐磨性能良好。特別是C/C復(fù)合材料在1000℃~2300℃時(shí)強(qiáng)度隨溫度升高而升高,是理想的航空航天及其它工業(yè)領(lǐng)域的高溫材料一C/C復(fù)合材料的概念C/C復(fù)合材料的概念---碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料

它源于1958年，美國(guó)Chance－Vought公司由于實(shí)驗(yàn)室事故，在炭纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料固化時(shí)超過(guò)溫度，樹(shù)脂炭化形成C/C復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料在偏光下的三種基本顯微結(jié)構(gòu)碳碳復(fù)合材料增強(qiáng)碳纖維基體碳樹(shù)脂碳瀝青碳熱解碳二C/C復(fù)合材料的性能1．高溫性能好：耐燒蝕（3000℃）；耐高溫（升華溫度3800℃）；強(qiáng)度隨溫度的升高不降反升的獨(dú)特性能，使其作為高性能發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件和使用于高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)。2．低比重、高比強(qiáng)、高比模、低熱膨脹系數(shù)。3．耐熱沖擊、耐燒蝕、耐含固體微粒燃?xì)獾臎_刷。4．質(zhì)量輕，密度為1.65-2.0g/cm3，僅為鋼的四分之一。二C/C復(fù)合材料的性能碳/碳復(fù)合材料在高溫?zé)崽幚砗蟮幕瘜W(xué)成分,碳元素高于99%,像石墨一樣,具有耐酸、堿和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性。其比熱容大,熱導(dǎo)率隨石墨化程度的提高而增大,線膨脹系數(shù)隨石墨化程度的提高而降低等。碳/碳復(fù)合材料導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)低,因而熱沖擊能力很強(qiáng),不僅可用于高溫環(huán)境,而且適合溫度急劇變化的場(chǎng)合。其比熱容高,這對(duì)于飛機(jī)剎車等需要吸收大量能量的應(yīng)用場(chǎng)合非常有利。碳/碳復(fù)合材料是一種升華-輻射型燒蝕材料,且燒蝕均勻。通過(guò)表層材料的燒蝕帶走大量的熱,可阻止熱流傳入飛行器內(nèi)部。因此該材料被廣泛用作宇航領(lǐng)域中的燒蝕防熱材料。二C/C復(fù)合材料的性能碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于碳纖維的種類、取向、含量和制備工藝等。單向增強(qiáng)的碳/碳復(fù)合材料,沿碳纖維長(zhǎng)度方向的力學(xué)性能比垂直方向高出幾十倍。

隨著溫度的升高,碳/碳復(fù)合材料的強(qiáng)度不僅不會(huì)降低,而且比室溫下的強(qiáng)度還要高。一般的碳/碳復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度大于270MPa,單向高強(qiáng)度碳/碳復(fù)合材料可達(dá)700MPa以上。在1000℃以上,強(qiáng)度最低的碳/碳復(fù)合材料的比強(qiáng)度也較耐熱合金和陶瓷材料的高。碳/碳復(fù)合材料的斷裂韌性較碳材料有極大的提高,其破壞方式是逐漸破壞,而不是突然破壞,因?yàn)榛w碳的斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變低于碳纖維。二C/C復(fù)合材料的性能碳/碳復(fù)合材料中碳纖維的微觀組織為亂層石墨結(jié)構(gòu),其摩擦系數(shù)比石墨高,特別是它的高溫性能特點(diǎn),在高速高能量條件下摩擦升溫高達(dá)1000℃以上時(shí),其摩擦性能仍然保持平穩(wěn),這是其它材料所不具備的。因此,碳/碳復(fù)合材料為軍用和民用飛機(jī)的剎車盤材料越來(lái)越廣泛。三C/C復(fù)合材料的應(yīng)用

碳/碳復(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(lái)，在軍工方面得到了長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)的熱端部件等。三C/C復(fù)合材料的應(yīng)用1．剎車領(lǐng)域的應(yīng)用1.重量輕、耐溫高2.比熱容比鋼高2.5倍3.同金屬剎車相比可節(jié)省40%的結(jié)構(gòu)重量4.碳剎車盤的使用壽命是金屬的5~7倍5.剎車力矩平穩(wěn)，剎車時(shí)噪聲小C/C復(fù)合材料剎車盤的實(shí)驗(yàn)性研究于上世紀(jì)1973年第一次用于飛機(jī)剎車。一半以上的C/C復(fù)合材料用做飛機(jī)剎車裝置。三C/C復(fù)合材料的應(yīng)用2.

先進(jìn)飛行器上的應(yīng)用三維編織的C/C復(fù)合材料，其石墨化后的熱導(dǎo)性足以滿足彈頭再入時(shí)由160℃至氣動(dòng)加熱至1700℃時(shí)的熱沖擊要求，其低密度可提高導(dǎo)彈彈頭射程，已在很多戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭上得到應(yīng)用。除了導(dǎo)彈的再入鼻錐，C/C復(fù)合材料還可作熱防護(hù)材料用于航天飛機(jī)。三C/C復(fù)合材料的應(yīng)用3.高溫結(jié)構(gòu)材料由于C/C復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能,使之有可能成為工作溫度達(dá)1500～1700℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料,有著潛在的發(fā)展前景。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用于葉片和活塞,可明顯減輕重量,提高燃燒室的溫度,大幅度提高熱效率。三C/C復(fù)合材料的應(yīng)用4．內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)C/C復(fù)合材料因其密度低、優(yōu)異的摩擦性能、熱膨脹率低,從而有利于控制活塞與汽缸之間的空隙,目前正在研究開(kāi)發(fā)用其制活塞。發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和活塞環(huán)；高性能密封材料

三C/C復(fù)合材料的應(yīng)用5．生物醫(yī)學(xué)(1)生物相容性好,強(qiáng)度高,耐疲勞,韌性好;(2)在生物體內(nèi)穩(wěn)定,不被腐蝕;(3)與骨的彈性模量接近,具有良好的生物力學(xué)相容性。人工關(guān)節(jié)四制備工藝及展望

預(yù)制體成型----

編織碳纖維

二維編織物：面內(nèi)各向性能好，但層間和垂直面方向性能；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。制備步驟：預(yù)制體的制備→預(yù)制體和碳基體的復(fù)合C/C復(fù)合材料的制備工藝四制備工藝及展望預(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。四制備工藝及展望制備方法：液體浸漬分解法和化學(xué)氣相沉積法碳纖維預(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HC化合物氣體加熱分解、沉積液體浸漬分解法四制備工藝及展望今后將以結(jié)構(gòu)C/C復(fù)合材料為主，