碳碳复合材料解读.ppt

我的工作展望 My job perspective 碳/碳复合材料概述 王玉波材物0901 * 碳碳/碳复合材料简介 碳/碳复合材料存在的不足 碳/碳复合材料应用及展望 主要内容 碳/碳复合材料制备工艺 * 1. 简介 定义：碳/碳复合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。 性质：密度低、高比强度，比模量高、热传导性低、热膨胀系数断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀。对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能，是所有已知材料中耐高温性最好的材料。 * 物理性能 碳/碳复合材料在高温热处理后的化学成分, 碳元素高于99%, 像石墨一样, 具有耐酸、碱和盐的化学稳定性。其比热容大, 热导率随石墨化程度的提高而增大, 线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等。 * 热学及烧蚀性能 碳/碳复合材料导热性能好、热膨胀系数低, 因而热冲击能力很强, 不仅可用于高温环境, 而且适合温度急剧变化的场合。其比热容高, 这对于飞机刹车等需要吸收大量能量的应用场合非常有利。因此可以被用作航天航空材料和刹车片材料。 * 摩擦磨损性能 碳/碳复合材料中碳纤维的微观组织为乱层石墨结构, 其摩擦系数比石墨高, 特别是它的高温性能特点, 在高速高能量条件下摩擦升温高达1000 C 以上时, 其摩擦性能仍然保持平稳, 因此可用作刹车片材料。 * 力学性能 碳/碳复合材料的力学性能主要取决于碳纤维的种类、取向、含量和制备工艺等。单向增强的碳/碳复合材料, 沿碳纤维长度方向的力学性能比垂直方向高出几十倍。碳/碳复合材料的高强高模特性来自碳纤维, 随着温度的升高, 碳/碳复合材料的强度不仅不会降低, 而且比室温下的强度还要高。 * 2.1碳/碳复合材料成型加工方法 碳化 短纤维与沥青或 树脂混合物 预浸物 CVD渗透 石墨化 碳/碳复合材料 热压成型 浸渍树脂戍沥青 碳纤维成型物 . 碳纤维成型物 石墨化的碳/碳复合材料 2.制备工艺 * 碳化（carbonization） 将上述成形物在隔绝空气下热分解为碳和其他产物。 石墨化：利用热活化将热力学不稳定的炭原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有 　　序转化。 石墨化原因 碳元素其外部电子结构有两种:一种是Sp3杂化轨道，金刚石结构 ,C一C 间为 σ键。一种是SP2杂化,形成石墨片状结构,同一层中C一C 为σ键层与层之间是π键。 σ键很短很强，键长约0.142nm 结合力很强，π键相对较弱。 * 由上可知： σ键很短很强，π键相对较弱。因而导致了石墨碳具有各向异性，但沿层面方向具有优异的电、热和力学性能，通常情况下由于π键较弱,往往导致层与层间的堆垛不规则或无序，形成多晶碳。 由于石墨碳的优异性能源于其有序的结构,因而将无序结构转变为有序结构是碳/ 碳复合材料制造与应用中非常关键。往往采用热处理等他能量输入的方法进行石墨化转变。 * * 2.1.1碳纤维和基体先驱物的选择 碳纤维的选择常基于所设计材料的用途和使用环境。现在常用的碳纤维有三种，人造丝碳纤维,聚丙烯腈(PAN) 碳纤维和沥青碳纤维。 碳基体可以从很多碳源采用不同的方法获得，典型的基体有树脂碳和热解碳，前者是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得，后者由烃类气体的气相沉积而成。 * 2.2.2碳/碳复合材料坯体的成型 在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤维或其织物应预先成型为一种坯体。坯体可通过长纤维（或带）缠绕、碳毡、短纤维模压或喷射成型、石墨布叠层的方向石墨纤维针刺增强以及多向织物等方法制得 多向织物是研究的的重点，目前以三向织物为主，三向织物的细编程度越高，碳/碳复合材料的性能也就越好 * 2D 生产成本低 在平行于布层的方向拉伸强度较高容易制成大尺寸形状复杂的部件 3D 及多向编织具有更好的结构完整性和各向同性 * 2.3 坯体的致密化工艺 碳/碳复合材料坯体致密化是向坯体中引入碳基体的过程，实质是用高质量的碳填满碳纤维周围的空隙。以获得结构、性能优良的碳/碳复合材料。 主要包括：化学气相法（CVD） 液相浸渍碳化法 * 化学气相法（CVD） 化学气相法是直接在坯体孔内沉积碳，以达到填孔和增密的目的。 化学气相法包括脉冲法，等温法、热梯度法、压差法、等离子体辅助CVD法等。 优点是沉碳易石墨化，且与纤维之间的物理兼容性好，易于获得性能良好的碳/碳复合材料。缺点是制备周期太长，生产效率低，对于厚制品， 此法也存在着一定的困难。 * 热梯度法与均热流类似，其过程也受气体扩散所支配，但因炉压较高，铅坯体厚度方向可形成一定的温差 沉积周期短，制品密度高，性能比均热法更好。但重复性差 热梯度法 * 压差法 沿坯体厚度方向造成一定的压力