碳碳复合材料.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 碳/碳复合材料的抗氧化措施 复合涂层概念 理想的抗氧化复合涂层应是多层的。 最外层是耐高温氧化物以保持高温稳定性和抗侵蚀；而次外层为低氧渗透率的SiO2作为氧的侵入阻挡层，并且可以封接最外层的裂纹。 下一层为可以和最底层碳化物及次外层SiO2具有化学和物理相容性的耐高温氧化涂层，以保持结合性。 最底层为碳化物层，主要保持与上一层氧化物及C/C复合材料之间的相容性。碳化物的候选材料为TaC、TiC和ZrC等，它们都具有较低的碳扩散率。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 概述 C/C复合材料和其它复合材料一样具有可设计性，其性能是受材料的界面及基体碳的影响。 由于C/C复合材料组成的多样性和可供制备工艺方法的多样性，以及制备时工艺参量的控制使C/C复合材料的界面和显微组织也呈现多样性，为研究C/C复合材料组织结构与性能之间的关系带来了困难。 下面主要介绍一些已取得的研究进展，有许多方面还有待今后的研究。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 C/C复合材料是由碳（石墨）纤维（包括碳纤维织物及碳毡）和基体碳组成的多相碳材料。 从光学显微镜的尺度来看，C/C复合材料由四部分组成，即碳纤维、基体碳、碳纤维/基体碳界面层、显微裂纹和孔隙。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 C/C复合材料中可存在的不同纤维／基体的界面和基体之间的界面就取决于基体碳的类型。 基体碳与碳纤维的结合界面上有四种可能的取向，(b)和(c)的层片状结构是沥青碳与碳纤维结合界面中最常见的形式，(d)所示的各向同性形式主要在树脂碳与碳纤维界面出现，也会在CVD碳与碳纤维界面中存在，而(a)的切向生长层片结构一般不常见。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 当CVD碳作为基体碳与碳纤维之间的界面相时，纤维表面的孔洞和缺陷得以填充从而生成所谓“钉扎”结构。 当纤维表面先沉积一薄层CVD碳后再浸渍沥青碳化，所生成的沥青碳与CVD碳的界面形成过渡区，此过渡区称为“诱导”结构区，它呈条带结构。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 碳/碳复合材料的显微组织指含有各种不同类型基体碳的C/C复合材料的显微组织结构与形态。 由于组成C/C复合材料的原材料和制备工艺不同，所得的复合材料的显微组织结构和形态也不相同。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 在偏振光源下通过光学效应可以区别三种CVD碳的显微组织结构形态。粗糙层片状组织是由较强的光学各向异性特征的层片所组成，层片排列是围绕着碳纤维。 平滑层片状组织则显现出较弱的光学各向异性特征，其层片也均匀地围绕着碳纤维。 各向同性沉积碳则由尺寸上小于微米级的细颗粒组成，并且呈现光学各向同性特征。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 CVD碳的显微结构形态影响到C/C复合材料的性能。 由于各向同性碳相对致密度较低，而平滑层片状组织有热应力显微开裂的倾向，因此所期望的较好的CVD碳的显微结构为粗糙层片状组织。 例如，聚丙烯睛碳纤维与含90％粗糙层片状结构的CVD碳的复合材料具有优异的抗热冲击和机械冲击的性能。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 树脂碳的显微结构主要取决于热处理温度。 当树脂碳化后，主要形成玻璃态各向同性碳。 在偏光显微镜下玻璃态、各向同性碳是无显微结构形态特征的光滑平面。 X-射线衍射分析表明没有显示石墨（结晶态）结构的特征谱线。 当树脂碳进行高温石墨化热处理后，可以通过x-射线衍射分析和偏光显微镜分析观察到，原各向同性的树脂碳可以转变为各向异性的石墨形态。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 经过2500℃石墨化后，在树脂碳/碳纤维界面上，首先出现了各向同性树脂碳转变为各向异性的石墨碳。 在偏光显微镜下，界面转变为各向异性石墨而呈现消光效应，但未转变的各向同性树脂碳仍无消光效应。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 沥青碳的显微组织由沥青碳化特性所决定。沥青向中间相转化时，由原始的粗糙体转变成块状中间相。在相转变时（430℃），由于应力的作用促使中间相转变为纤维结构。 中间相转化时，形成层片状结构。这层片状结构是一种长程有序的结晶结构。片层厚约为0.1~0.2μm，层间裂纹约宽0.1?m。由于受碳纤维的表面状态、纤维束的松紧程度以及碳化或石墨化条件等因素的影响，中间相片层会形成扭转弯曲的条带叠层，并且条带结构会产生各种变形。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 沥青碳的不同构型对力学、热物理和氧化烧蚀性能产生明显的影响。 层片状结构，尤其是片层之间的显微裂纹不利于C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能。 碳/碳复合材料的界面和显微组织 碳/碳复合材料的裂纹和孔隙是C/C复合材料组织中的一个重要组成部分