碳和碳复合材料

碳/碳复合材料，、概述二、碳/碳复合材料的组成及微观结构三、碳/碳复合材料的性能四、碳/碳复合材料制备及其加工五、碳/碳复合材料的应用六、碳/碳复合材料的氧化及防氧化七、碳/碳复合材料的研究方向和不足2▲、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°C~2300°C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3结构碳/碳复合材料的组成有两大部分:碳/碳复合材料的组成及微观*■碳纤维和基体碳4碳纤维织物结构形式a-2D平纹b-2D8H缎纹c-3D径向编织d-3De-4Df-5D碳纤维的增强形式有单向（1D）、双向（2D）及多向。单向增强可在一个方向上得到最高拉伸强度的碳/碳;双向织物提高了抗热应力性能和断裂韧性，容易制成大尺寸形状复杂的部件，有广泛的应用基础。三向及多向编织具有更好的结构完整性和各向同性。5-1物理性能三、碳/碳复合材料的性能碳/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。62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、含量和制备工艺等増强的碳/碳复合材料，沿碳纤维长度方向的能比垂直方向高出几十倍。随着温度的高，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°C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。7■•/磔—tt―INCONELX75O…球•势铁y\111--J-OF500F1060F150OF20&AF3025201510碳/碳复合材料与其他材料温度上升时比强度的比较几种材料拉伸比强度的比较<?>5赵桕/(『£)靶想e趔想；耷*.*:定/稳-的好下较\温比.......高性8碳/碳复合材料和其他材料各种性能的比较/河一rtHXsffTfl/hu/h^Au»oo6Ms3Aly1tf3X•-ihhhIdI—fvK-VA/—nuAuAUA^4-見Aufi/huu測Dn«hvF4摩擦磨损性能__碳/碳复合材料中碳纤维的微观组织为-石墨结构，其摩擦系数比石墨高，特别是它’1性能特点，在高速高能量条件下摩擦升温高1000°C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。11四、碳/碳复合材料制备及加工碳/碳复合材料的主要制备步骤为：预制体的成型-致密化处-iT石墨化，其中致密化是制备碳/碳复合材料的关键技术。12-致密化成型后的预制体含有许多孔隙f密能直接应用，须将炭沉积于预制体，填满其才能成为真正的结构致密、性能优良的碳/碳复合材料，此即致密化过程.传统的致密化工艺大体分为液相浸渍和化学气相沉积两种。13-(1)液相浸渍工艺1-6次重复顶制体♦石墨化碳/碳复合材料制品*炭化液扪浸渍液相浸渍工艺一般在常压或減压下迸行.工艺过程上图所示，液相浸渍(LPI)工艺是将碳纤维预制体置于浸渍罐中，抽真空后充惰性气体加压使浸渍剂向预制体内部渗透，然后进行固化或直接在高温下进行碳化，一般需重复浸渍和碳化5〜6次而完成致密化过程。此工艺存在问题是：(1)工艺繁复、周期长、效率低；(2)液体难以浸渍到预制体微孔中；(3)有些浸渍液在常压和减压下炭化效率低，必须加压，如煤沥青;(4)有些浸渍液炭化时粘附性过好，易于阻塞气孔口，难以达到致密要求，如树脂。14其工艺过程下如图所示。在预制体内部发:1-1次重fi删体j4化学气相沉积-*机械加工―•石墨化碳/碳复合材料制品900-1100V2000-2500t15•碳/碳复合材料的切削加工据文献报导，车削该复合材的料所得到到的切削用量各要素对切削力的影响规律与切削一般脆性材料的基本一致。虽然基体硬度较低，切削力数值不大，但材料中硬质点对刀具的磨损比较严重，故选用CBN为宜。因材料为脆性，故切屑常呈粉末状，必须用吸屑法来排屑。16五、碳/碳复合材料的应用I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。17-戲4^5=^1〜—热衬展燃>//5xkws热村培叫负赞头他•(1)固体火箭发动机喷管上的应用在固体火箭发动机(SRM)中，喷蚀状态最为恶劣，因此，必须采用具有_.，，_蚀和抗冲刷性能的喷管喉衬材料来抵御严酷的烧蚀环境。采用碳/碳复合材料的喉衬、扩张段\延伸出口锥，具有极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓，可提高喷管效率1%~3%，即可大大提高SRM的比冲。H燃烧充I々设'■热热紂a推力终止孔隔热层喷管入口段密封防热环推进剂药柱TVC作动.器推力矢量控制(TVC)摆动部件点火装罝燃气腿喷管喉部壳体合;大t被重(2)刹车领域的应用碳/碳复合材料制作的飞机刹盘重2.5倍省40%的结构重刹车盘的使用寿命是金属基的5刹车力矩平稳，刹车时噪声小，石碳/^碳复合材才料刹I车、盘量量轻、耐温高，比热容比钢高;同金属刹车材料相比，可节碳/碳复合材料7倍因此l=r六、碳/碳复合材料的氧化及氧化C/C复合材料存在一个致命的弱点，即在高温氧化性气氛下极易发生氧化反应：2C+O22CO21方法有纤维改性和基体改性两种,纤维表面制备各种涂组成以提高基体的抗氧化能力。-（1）碳/碳改性抗氧化__通过对碳/碳改性可提高抗氧化能力，改性的纤维改性是在基体改性是改变基体的层，23基体改性防氧化不仅寿命有限，而且工作温度一般不超过1000°C，对基体的性能影响也很大。在更高温度下工作的碳/碳必须依靠涂层防氧化，因此涂层是碳/碳最有效的防氧化手段。25这些要求决定了涂层一般都需具有两层以上的复合结构首先涂层必须具有低的氧渗透率和尽可能^2^少的缺陷，以便有效阻止氧扩散。其次涂层必须具有低的挥发速度，以防止'/、高速气流引起的过量冲蚀。__再次涂层与基体必须具有足够的结合强度以防止涂层剥落。最后涂层中的各种界面都必须具有良好的界面物理和化学相容性，以减小热膨胀失配引起的裂纹和界面反应26性能试ftf■均强W保待卞./%S4H)9.3有豫氧化*!傑27s.<&UDI7七、碳/碳复合材料的研究方向和不足

碳/碳复合材料的抗氧化涂层技术已经取得长足进展，1650°C以下抗氧化问题已基本得到解决。但仍有许多问题悬而未决，成为各国研究的重点和热点。28〜•(1)高温长寿命抗氧化涂层体系动机热端部件对涂层碳/碳复合材料的要求是高温1800°C)和长寿命(300h~500只有用新的涂层制备工艺制备的复合梯度涂层才有希^望满足这样的要求。目前还没有1800C以上高温长时间抗氧化涂层体系实际应用的报道。•(2)测试条件与测试技术碳/碳复合材料多用于热结构部件，并且实际应用环境极为苛刻，所以在测试抗氧化涂层性能时，尽量模拟实际环境。目前，一般的测试环境均是在静态空气下测试，这与实际环境相差太大。因此，抗氧化涂层要想真正应用到实际中，还有待于进一步完善测试条件与测试技术。29-(3)涂层系统的再利用1981年带有抗氧化涂层的碳/碳复合材料就已正式用于航天飞机鼻锥帽和机翼前缘。为了保证航天飞机在苛刻太空环境下安全