复合材料第七章 碳-碳、微晶玻璃及水泥基复合材料.ppt

* * 1.1 概述 石 墨：耐高温、抗热震、导热性好、弹性模量高、 化学惰性好、强度随温度的升高而增加 韧性差、对裂纹非常敏感 碳 / 碳：碳纤维（毡、布）增强碳基体 性能特点：保持石墨优良性能 克服石墨缺点（韧性、强度提高） 研制历史：约20世纪60年代 1.2 碳/碳复合材料的制备工艺 1.2.1 预成型体 预成型体：典型多孔体系（含有大量空隙） 三维碳/碳预成型体空隙约60% 常见类型：单向、二维、三维、多维 编织法制备（计算机控制编织） 图 7.1 多维编织的碳/碳复合材料预成型体结构 1.2.2 基体碳 （1） CVD碳 制备原理：CVD法（甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天然气） CH4（g）? C（s）+ 2H2（g） 沉积类型：950 ~ 1100?C 热解碳 1750 ~ 2700?C 热解石墨 （2）树脂或沥青碳 制备原理：预制体浸渍树脂或沥青、预固化、碳化 树脂或沥青浸渍剂选择原则： （1）碳化率高（减少浸渍次数，提高效率） （2）粘度适中（易于浸渍到预制成型体中内部） （3）热解碳化时形成张开型裂缝或空隙（利于多次浸渍） （4）碳化后收缩不破坏预制体结构、形状 （5）形成的显微结构有益于材料性能 1.3 碳/碳复合材料的抗氧化 1.3.1 碳/碳复合材料的氧化 碳的氧化行为： 2C（s）+ O2（g）= 2CO（g） 2CO（g）+ O2（g）= 2CO2（g） 氧化控制机制： 化学反应机制控制（低温，热力学） 反应气体扩散控制（高温，动力学） 区分温度范围： 约600 ~ 800?C 氧化动力学： 抛物线型（开始阶段） 直线关系（一定时间以后） 影响氧化的因素： （1）氧化温度及时间； （2）反应气体流量； （3）氧化材料表面积； （4）材料组成及纤维结构 1.3.2 碳/碳复合材料的氧化保护原理 （1）抑制法 抑 制 剂： 容易氧化形成玻璃态的物质 典型制剂： B2O3、B4C、ZrB2 作用原理： 氧化形成硼酸盐玻璃（粘度、熔点低，易流动） （隔开碳与氧的接触和防止氧扩散） 使用范围： 600?C以下氧化防护 与高温涂层结合，进行复合抗氧化保护 （2）防氧化涂层法 与C/C具有适当热膨胀匹配 具有低的氧扩散渗透率 与C/C具有适当的粘附性 与C/C具有良好相容性 具有低的挥发性 图7.2 C/C复合材料防氧化涂层要求 1.4 碳/碳复合材料的性能 力学性能：优异的高温力学性能（强度随温度升高而升高） 高断裂韧性、低蠕变、耐烧蚀、抗热震 （目前唯一可用于高温达2800 ?C的高温复合材料） 表7.1 典型三维正交增强C/C 复合材料性能 物理性能：密度低、高热导性（可与铝合金比拟） 低热膨胀系数（远比金属低） 对热冲击不敏感 良好的生物相容性 摩擦性能：优异的摩擦磨损性能 碳纤维乱层石墨结构（高的摩擦系数） 石墨层状结构（低的摩擦系数） 改变基体碳石墨化程度就可以获得适中的摩擦系数 1.5 碳/碳复合材料的应用 性能特点：比性能优异，应用前景广阔。 使用缺点：价格贵，高温下长期使用易氧化。 应用领域：航空航天、军事、生物等领域。 应用举例：航空航天领域（航天飞机的鼻锥和机翼前沿等） 军事领域（战略导弹引擎、洲际导弹端头帽等） 生物领域（人工骨头，如膝关节、髋关节） 2.1 微晶玻璃基体 微晶玻璃：玻璃与晶体共存的均匀多晶材料（玻璃陶瓷） （加入晶核剂，在玻璃中形成晶核并长大） 结构特点：晶相结构 + 玻璃结构 性能特点：具有玻璃和陶瓷的特点 （一般由晶相、玻璃相及其数量决定） 机械强度优于玻璃、大多数陶瓷和某些金属 微晶玻璃基复合材料 性能改进：加入增强纤维或晶须，可实现性能改进 增强要求：热膨胀系数和弹性模量的匹配 化学相容性 界面合适的剪切强度 增强体表面良好惰性（防止液态基体的腐蚀） 主要增强体：C、SiC、Al2O3 2.2 碳纤维/微晶玻璃复合材料 碳纤维： 强度高、模量高、密度低。 C/LAS：强度、模量明显改善，抗热震性、抗冲击性良好， 断裂韧性明显提高（纤维拔出和裂纹偏转） 表7.2 碳纤维/锂铝硅（LAS）微晶玻璃复合材料性能对比 2.3 碳化硅纤维/微晶玻璃复合材料 C/微晶玻璃：力学性能良好，但高温抗氧化性能差