《航空工程材料（活页式）》 课件 16 碳碳复合材料.pptx

第18讲C/C复合材料

目录C/C复合材料的概念C/C复合材料的性能C/C复合材料的用途制备工艺及展望1234

概述C/C复合材料是目前新材料领域重点研究和开发的一种新型超高温热结构材料,密度小、比强度大、线膨胀系数低(仅为金属的1/5~1/10)、热导率高、耐烧蚀、耐磨性能良好。特别是C/C复合材料在1000℃~2300℃时强度随温度升高而升高,是理想的航空航天及其它工业领域的高温材料

一C/C复合材料的概念C/C复合材料的概念---碳纤维增强碳基复合材料它源于1958年，美国Chance－Vought公司由于实验室事故，在炭纤维树脂基复合材料固化时超过温度，树脂炭化形成C/C复合材料。C/C复合材料在偏光下的三种基本显微结构碳碳复合材料增强碳纤维基体碳树脂碳沥青碳热解碳

二C/C复合材料的性能1．高温性能好：耐烧蚀（3000℃）；耐高温（升华温度3800℃）；强度随温度的升高不降反升的独特性能，使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统。2．低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数。3．耐热冲击、耐烧蚀、耐含固体微粒燃气的冲刷。4．质量轻，密度为1.65-2.0g/cm3，仅为钢的四分之一。

二C/C复合材料的性能碳/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。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。碳/碳复合材料是一种升华-辐射型烧蚀材料,且烧蚀均匀。通过表层材料的烧蚀带走大量的热,可阻止热流传入飞行器内部。因此该材料被广泛用作宇航领域中的烧蚀防热材料。

二C/C复合材料的性能碳/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。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。一般的碳/碳复合材料的拉伸强度大于270MPa,单向高强度碳/碳复合材料可达700MPa以上。在1000℃以上,强度最低的碳/碳复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高。碳/碳复合材料的断裂韧性较碳材料有极大的提高,其破坏方式是逐渐破坏,而不是突然破坏,因为基体碳的断裂应力和断裂应变低于碳纤维。

二C/C复合材料的性能碳/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℃以上时,其摩擦性能仍然保持平稳,这是其它材料所不具备的。因此,碳/碳复合材料为军用和民用飞机的刹车盘材料越来越广泛。

三C/C复合材料的应用碳/碳复合材料作为优异的热结构功能一体化工程材料，自1958年诞生以来，在军工方面得到了长足的发展，其中最重要的用途是用于制造导弹的弹头部件由于其耐高温，摩擦性好，目前已广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动的热端部件等。

三C/C复合材料的应用1．刹车领域的应用1.重量轻、耐温高2.比热容比钢高2.5倍3.同金属刹车相比可节省40%的结构重量4.碳刹车盘的使用寿命是金属的5~7倍5.刹车力矩平稳，刹车时噪声小C/C复合材料刹车盘的实验性研究于上世纪1973年第一次用于飞机刹车。一半以上的C/C复合材料用做飞机刹车装置。

三C/C复合材料的应用2.先进飞行器上的应用三维编织的C/C复合材料，其石墨化后的热导性足以满足弹头再入时由160℃至气动加热至1700℃时的热冲击要求，其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/C复合材料还可作热防护材料用于航天飞机。

三C/C复合材料的应用3.高温结构材料由于C/C复合材料的高温力学性能,使之有可能成为工作温度达1500～1700℃的航空发动机的理想材料,有着潜在的发展前景。涡轮发动机用于叶片和活塞,可明显减轻重量,提高燃烧室的温度,大幅度提高热效率。

三C/C复合材料的应用4．内燃发动机C/C复合材料因其密度低、优异的摩擦性能、热膨胀率低,从而有利于控制活塞与汽缸之间的空隙,目前正在研究开发用其制活塞。发动机活塞和活塞环；高性能密封材料

三C/C复合材料的应用5．生物医学(1)生物相容性好