复合材料与功能材料.ppt

第八章碳 碳复合材料 碳 碳复合材料的发展碳 碳复合材料的成型加工技术碳 碳复合材料的应用 碳 碳 C C 复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳 或石墨化的树脂碳 或沥青 以及化学气相沉积 CVD 碳所形成的复合材料 其组成元素只有一个 即碳元素 C C的发展大致可分为四个阶段 60年代 C C工艺基础研究阶段 70年代 烧蚀C C应用开发阶段 80年代 C C热结构应用开发阶段 90年代 C C新工艺开发和民用应用阶段 C C复合材料具有高比强度 高比模量 高导热性 低热膨胀系数 传热导电 优异的摩擦磨损性 自润滑性 无毒等性能 尤其高温下良好的力学性能 以及耐烧蚀性 加上复合材料的可设计性 从而得到越来越广泛的应用 C C复合材料的最大缺点是耐氧化性能差 目前有两种方式用来提高其抗氧化能力 一是在碳 碳复合材料表面进行耐高温材料的涂层 二是在基体中预先包含氧化抑制剂 表1C C复合材料与宇航级石墨ATJ S性能比较 T 50 221 44为三向正交细编C C复合材料 表1C C与宇航级石墨ATJ S性能比较 续 图2不同材料比强度与温度的关系对比 图1C C复合材料的应力应变曲线 多年来 美国 法国 英国等发达国家都对其进行了研究 目前 C C复合材料已从最初阶段的两向C C复合材料发展为三向 四向等多维C C复合材料 从单功能C C复合材料发展为多功能材料 目前对C C复合材料的扩大应用来说 降低成本和抗氧化问题是主要的问题 C C复合材料的坯体和基体碳 坯体 在制备C C复合材料前 增强碳纤维或其织物应预先成型为一种坯体 C C复合材料的坯体可分为单向 二向和三向 甚至可以是多向方式 大多采用编织方法制备 在制备圆桶 圆锥或圆柱等坯体时需要采用计算机控制来进行编织 图3多维编织的C C复合材料坯体结构 C C复合材料坯体所用碳纤维 碳纤维织物或碳毡等的选择是根据复合材料所制成构件的使用要求来确定的 同时要考虑到坯体与基体碳的界面配合 基体碳 基体碳 热解碳 CVD碳 由烃类气体的气相沉积而成 浸渍碳化碳 合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得 CVD碳 主要来源有甲烷 丙烷 丙烯 乙炔 天然气等碳氢化合物 CH4 g C s 2H2 g 沉积根据不同的沉积温度可获得不同形态的碳 在950 1100 C为热解碳 1750 2700 C为热解石墨 根据温度和压力因素的控制 可分为均热法 热梯度法和压差法三种基本工艺方法 图4C C复合材料的CVD工艺示意图 均热法 将坯体放在恒温的空间里 950 1150 在适当低的压力 1 150mm汞柱 下让烃类气体在坯体表面流 过 其部分含碳气体扩散到坯体孔隙内产生热解碳 沉积速率取决于气体的扩散速率 此法渗透时间长 为防止孔隙过早封闭 应使反应沉积速率低于扩散速率 为得到均匀的沉积 需对温度 压力和气流进行控制 为提高制品致密度 需在沉积一定时间后 对制品机加工 除去已封闭的外表面 此法的优点是可以生产大型构件 并同时可在一炉中装入若干件坯体进行沉积 热梯度法 与均热法类似 其过程也受气体扩散所支配 但因炉压较高 沿坯体厚度方向可形成一定的温差 越向内温度越高 沉积越快 有效地防止了表面沉积快而生成硬壳的现象 此法沉积周期短 制品密度高 性能比均热法更好 缺点是重复性差 不能再同一时间内加工不同的坯体和多个坯体 坯体形状也不能太复杂 压差法 在沿坯体厚度方向造成一定的压力差 反应气体被强行通过多孔坯体 此法沉积速度快 渗透时间较短 沉积的碳也较均匀 适用于处理透气性低的部件 但也存在着表面结壳和内孔隙封闭问题 需多次机加工 并局限于单件构件的生产 脉冲法 脉冲法是一种改进了的均热法 在沉积过程中利用脉冲阀交替地充气和抽真空 抽真空过程有利于气体反应产物的排除 由于可增加渗透深度 故适宜制造不透气的石墨材料 图5化学气相沉积工艺流程图 树脂或沥青碳 碳纤维坯体经过浸渍树脂或沥青等浸渍剂后 经预固化 再经碳化后获得的基体碳 浸渍剂选择原则如下 碳化率 焦化率 碳化率高的浸渍剂可提高效率 减少浸渍次数 粘度 要求粘度适当 易于浸渍剂浸渍到坯体中 热解碳化时能形成张开型的裂缝和空隙 以利于多次浸渍 形成致密的C C复合材料 碳化后收缩不会破坏坯体的结构和形状 形成的显微结构有利于C C复合材料的性能 沥青基混合物把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加热加压条件下浸渍到碳 石墨纤维中 随后进行热解和再浸渍可得C C复合材料 沥青是一种多环芳香碳氢化合物的混合物 在300 500 C温度以上可经历以下碳化过程 低分子量物质的挥发气化 脱氢 缩合 裂化和分子结构的重排 形成平面型芳环结构 各向同性液态沥青在400 C温度以上可形成中间相 中间相畸变变形 聚结固化成层状排列的分子结构 这种层状排列的分子结构在2000 2500 C以上时有利于形成各向异性的碳 石墨结构 高压浸渍碳化工艺 HPIC 图6标准高压浸渍碳化工艺 压力约为100MPa 树脂基体由于工艺低温度和低压力下具有低粘度 且纯度比天然产物高 比较容易得到含碳量高的树脂体系 因此人们广泛采用合成树脂制备C C复合材料 糠醇或酚醛热固性高聚物具有相当的 焦化强度 可用来制备C C复合材料 酚醛树脂是一种C C复合材料基体理想的浸渍剂 可分一步法和二步法两种工艺 主要区别是所用催化剂和参与反应的苯酚与甲醛比例的不同 酚醛树脂 制备溶液 真空 浸渍坯体 预固化 碳化 树脂体积收缩 再浸渍 固化 碳化 致密化 图7树脂浸渍 固化 碳化示意图 图8液相浸渍工艺流程图 在C C复合材料里主要有三种类型的碳 即纤维碳 树脂碳和沉积碳 一般纤维在整个材料中占60 80 若其比例较小 相对的树脂碳所占比例较大 在热处理过程中易在树脂的富集区形成裂纹 导致力学性能下降 导弹鼻锥 导弹 宇航工业的应用 航天飞机表面温度 C C在航天飞机上应用部位 刹车方面的应用法国欧洲动力公司大量生产C C刹车片 用作飞机 如幻影式战斗机 汽车 如赛车 和高速火车的刹车材料 波音747上使用C C刹车装置 大约使机身质量减轻了816 5kg 日本C C用作飞机刹车材料已有10年的历史 日本协和式超音速客机共8个轮 刹车片约用300kgC C复合材料 可使飞机减轻450kg 用作F 1赛车刹车片 可使其减轻11kg 目前 波音747 757 767 777 空客300 310 320 330 340 新型的梦