《碳碳復(fù)合材料》課件

碳碳復(fù)合材料課程目標(biāo)理解碳碳復(fù)合材料的定義了解碳碳復(fù)合材料的基本概念、組成和結(jié)構(gòu)。掌握碳碳復(fù)合材料的優(yōu)缺點深入了解碳碳復(fù)合材料的獨特性能及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢和局限性。學(xué)習(xí)碳碳復(fù)合材料的制備工藝掌握碳碳復(fù)合材料的制備過程，包括碳纖維的制備、基體材料的選擇和界面強(qiáng)化技術(shù)等。了解碳碳復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域探索碳碳復(fù)合材料在航空航天、能源、武器裝備和汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。碳碳復(fù)合材料概述碳纖維作為增強(qiáng)相，提供高強(qiáng)度、高模量和耐高溫性能?；w材料作為粘合劑，將碳纖維連接在一起，提供結(jié)構(gòu)完整性和形狀穩(wěn)定性。碳碳復(fù)合材料的優(yōu)點耐高溫碳碳復(fù)合材料具有極高的耐高溫性能，可承受1500℃以上的高溫，在高溫環(huán)境下依然能夠保持良好的機(jī)械性能。抗氧化碳碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗氧化性能，在高溫氧化氣氛中能夠保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，延長使用壽命。高強(qiáng)度碳碳復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和高模量，強(qiáng)度重量比高，可以承受較大的載荷。耐疲勞碳碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐疲勞性能，能夠在反復(fù)的載荷作用下保持良好的性能，適用于各種惡劣工況。碳碳復(fù)合材料的制備工藝1纖維鋪設(shè)根據(jù)設(shè)計要求，將碳纖維按照預(yù)定方向進(jìn)行鋪設(shè)，形成所需的結(jié)構(gòu)。2樹脂浸漬將碳纖維預(yù)制體浸漬在樹脂中，使樹脂充分滲透到纖維之間，形成復(fù)合材料的基體。3固化將浸漬好的預(yù)制體在高溫高壓下進(jìn)行固化，使樹脂固化并與碳纖維形成牢固的結(jié)合。4碳化將固化好的預(yù)制體在高溫下進(jìn)行碳化處理，使樹脂中的有機(jī)成分碳化，形成碳基體。5石墨化對碳化后的復(fù)合材料進(jìn)行石墨化處理，提高材料的力學(xué)性能和耐高溫性能。碳纖維的制備1原絲制備聚丙烯腈（PAN）或瀝青基2氧化穩(wěn)定高溫氧化，形成碳纖維3碳化處理高溫裂解，形成石墨化4表面處理提高纖維與基體的結(jié)合碳纖維的性能高強(qiáng)度碳纖維具有極高的強(qiáng)度和剛度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼材，可用于制造高性能復(fù)合材料。輕量化碳纖維的密度很低，重量輕，僅為鋼材的四分之一左右，有利于減輕結(jié)構(gòu)重量。耐高溫碳纖維具有良好的耐高溫性能，可以承受高溫環(huán)境下的工作。碳纖維的應(yīng)用航空航天飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu)部件。汽車車身、底盤、座椅等部件，減輕重量，提高燃油效率。體育用品自行車、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等，提高強(qiáng)度和韌性。其他風(fēng)力發(fā)電葉片、醫(yī)療器械、電子產(chǎn)品等，應(yīng)用范圍廣泛。基體材料的選擇樹脂環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂等陶瓷碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等金屬鈦合金、鎳合金等基體材料的特點高強(qiáng)度基體材料通常具有高強(qiáng)度和硬度，能夠有效地將載荷傳遞給纖維。耐高溫基體材料通常具有良好的耐高溫性能，能夠在高溫下保持其結(jié)構(gòu)完整性。耐腐蝕基體材料通常具有良好的耐腐蝕性能，能夠抵抗惡劣環(huán)境中的腐蝕。界面強(qiáng)化技術(shù)表面處理通過打磨、刻蝕、噴砂等方式改善纖維表面粗糙度，增強(qiáng)界面結(jié)合力。中間層在纖維表面涂覆一層中間層，如樹脂或氧化物，促進(jìn)纖維與基體之間的化學(xué)鍵合。添加劑在樹脂中添加增強(qiáng)劑，如納米粒子或碳納米管，改善界面性能，提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。纖維/基體界面強(qiáng)度100MPa200MPa300MPa碳纖維/基體界面強(qiáng)度是影響碳碳復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素之一。理想的界面強(qiáng)度應(yīng)在100-300MPa之間，以確保纖維與基體之間能夠有效地傳遞載荷。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計1纖維排列增強(qiáng)纖維的排列方式對復(fù)合材料的力學(xué)性能有重要影響。2層合結(jié)構(gòu)通過將不同方向的纖維層疊加，提高材料的強(qiáng)度和剛度。3三維結(jié)構(gòu)利用三維編織、預(yù)浸料成型等技術(shù)，制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。成型工藝1熱壓工藝2真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移成型3纖維纏繞成型熱壓工藝1高溫高壓在高溫高壓下進(jìn)行2模具壓制使用模具壓制成型3樹脂固化使樹脂固化，形成復(fù)合材料熱壓工藝是常用的碳碳復(fù)合材料制備方法之一。在該工藝中，將預(yù)浸料或纖維預(yù)制件放置在模具中，在高溫高壓下進(jìn)行壓制，使樹脂固化，從而獲得最終的復(fù)合材料產(chǎn)品。真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移成型樹脂注入首先，將樹脂注入預(yù)先鋪設(shè)好的碳纖維預(yù)成型件中。真空抽取然后，利用真空將預(yù)成型件中的空氣抽走，以保證樹脂能夠完全填充到纖維之間。固化成型最后，將預(yù)成型件加熱固化，使樹脂與碳纖維牢固地結(jié)合在一起。纖維纏繞成型1纖維鋪設(shè)根據(jù)設(shè)計要求，將碳纖維預(yù)浸料按照特定的路徑纏繞在模具上，形成所需的形狀和結(jié)構(gòu)。2固化成型通過加熱和加壓，使預(yù)浸料中的樹脂固化，將碳纖維與基體材料牢固地結(jié)合在一起。3后處理對纏繞好的部件進(jìn)行切邊、打磨等后處理，確保其尺寸和表面質(zhì)量符合要求。質(zhì)量檢測與質(zhì)量控制機(jī)械性能測試?yán)鞆?qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等?；瘜W(xué)耐受性測試酸堿腐蝕、氧化還原反應(yīng)等。耐高溫性能測試高溫蠕變、高溫強(qiáng)度、高溫疲勞等。機(jī)械性能測試?yán)鞆?qiáng)度彎曲強(qiáng)度剪切強(qiáng)度碳碳復(fù)合材料的機(jī)械性能測試是評估其應(yīng)用性能的關(guān)鍵步驟?；瘜W(xué)耐受性測試測試內(nèi)容測試方法評估指標(biāo)酸堿腐蝕將樣品浸泡在不同濃度的酸堿溶液中，觀察腐蝕情況重量變化、表面形貌變化氧化性氣體腐蝕將樣品置于不同濃度的氧化性氣體環(huán)境中，觀察腐蝕情況重量變化、表面形貌變化耐高溫性能測試碳碳復(fù)合材料在高溫下仍然保持優(yōu)異的力學(xué)性能。應(yīng)用領(lǐng)域航空航天碳碳復(fù)合材料在航天領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等，其優(yōu)異的高溫性能和抗氧化性能使其成為理想的材料選擇。能源在能源領(lǐng)域，碳碳復(fù)合材料可用于制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、核反應(yīng)堆部件等，其優(yōu)異的耐腐蝕性能和高強(qiáng)度使其在惡劣環(huán)境下依然能夠保持良好的性能。武器裝備在武器裝備領(lǐng)域，碳碳復(fù)合材料可用于制造導(dǎo)彈殼體、裝甲板等，其優(yōu)異的耐高溫性能和抗沖擊性能使其在高強(qiáng)度戰(zhàn)斗環(huán)境下能夠發(fā)揮重要的作用。航空航天領(lǐng)域高溫抗氧化碳碳復(fù)合材料的耐高溫性能，使其在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如火箭發(fā)動機(jī)噴管、機(jī)身結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星部件等。輕量化設(shè)計碳碳復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和低密度的特點，可以有效地減輕航天器的重量，提高飛行效率。高性能結(jié)構(gòu)碳碳復(fù)合材料的高強(qiáng)度和高模量，使其可以承受極高的載荷和溫度變化，滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)材料的高性能要求。能源領(lǐng)域風(fēng)能碳碳復(fù)合材料可用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，以提高其強(qiáng)度、重量比和耐用性。太陽能碳碳復(fù)合材料可用于制造太陽能電池板支架，以增強(qiáng)其耐腐蝕性和抗疲勞性。氫能碳碳復(fù)合材料可用于制造氫燃料電池系統(tǒng)組件，以提高其耐高溫和耐腐蝕性。武器裝備領(lǐng)域輕型裝甲碳碳復(fù)合材料可用于制造輕型裝甲，提供更高的強(qiáng)度和更輕的重量，提高機(jī)動性。導(dǎo)彈部件碳碳復(fù)合材料可以用于制造導(dǎo)彈的發(fā)動機(jī)噴嘴、導(dǎo)向系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。航天器碳碳復(fù)合材料可以用于制造衛(wèi)星、空間站等航天器的結(jié)構(gòu)部件，可以承受極端溫度和壓力。汽車領(lǐng)域輕量化碳碳復(fù)合材料的重量輕，可以減輕汽車的重量，提高燃油效率。強(qiáng)度高碳碳復(fù)合材料的強(qiáng)度高，可以提升汽車的安全性，并在碰撞中提供更好的保護(hù)。耐高溫碳碳復(fù)合材料的耐高溫性能優(yōu)異，適合用于汽車的排氣系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)等高溫部件。未來發(fā)展趨勢納米材料增強(qiáng)性能智能制造技術(shù)可回收利用技術(shù)前景高性能需求隨著航空航天、能源、武器裝備等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系男枨蟛粩嘣鲩L，碳碳復(fù)合材料在未來將有更大的應(yīng)用空間。工藝優(yōu)化制備工藝的改進(jìn)將進(jìn)一步提高碳碳復(fù)合材料的性能，例如降低成本、提高強(qiáng)度、改善耐高溫性能。市場應(yīng)用前景航空航天領(lǐng)域碳碳復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域擁有巨大的市場潛力，可用于制造飛機(jī)、火箭和衛(wèi)星等部件。汽車領(lǐng)域隨著汽車輕量化趨勢的興起，碳碳復(fù)合材料將在汽車制造中扮演越來越重要的角色，用于制造車身、底盤和發(fā)動機(jī)等部件。能源領(lǐng)域碳碳復(fù)合材料在能源領(lǐng)域有著