碳碳复合材料论文

碳 碳复合材料碳 碳复合材料 小组成员 方状 蔡雄 黄凯 徐睿昭 班级 国际学院纺织工程 1103 班 摘要 碳 碳复合材料作为一种先进的复合材料 具有重量轻 模量高 比 强度大 热膨胀系数低 耐高温 耐热冲击 耐腐蚀 吸震性好等一系列优点 在航空航天 汽车领域已有广泛的应用 本文通过对这种复合材料在行业中的广 泛应用及现状分析 对国内市场的问题与前景进行了探讨 关键字 碳纤维 增强体 性能 应用 一 C C复合材料的发展历史 20世纪60年代初日本首先用聚丙烯腈 PAN 原丝制成高性能碳纤维 1963年英国的研究人员发明用牵引法提高纤维结构的取向 进一步提高了碳纤 维的强度和弹性模量 到60年代末 提高碳纤维性能和产生效率的办法日趋完善 高强度 超高强度 高模量和高强中模量的碳纤维形成规模生产并开始商品化 现在C C复合材料不仅在高科技方面应用广泛 而且它也渗透都我们平常生活 的点点滴滴中 二 C C复合材料的定义 C C复合材料是指以碳纤维作为增强体 以碳作为基体的一类复合材料 而碳 纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料 基体为复合材料中起到粘接增强体成为整体并转递载荷到增强体的主要组分之一 作为增强体的碳纤维可用多种形式和种类 既可以用短切纤维 也可以用连续 长纤维及编织物 各种类型的碳纤维都可用于C C复合材料的增强体 碳基体 可以是通过化学气相沉积制备的热解碳 也可以是高分子材料热解形成的固体 碳 C C复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员 具有密度低 高 比强度比模量 高热传导性 低热膨胀系数 断裂韧性好 耐磨 耐烧蚀等特 点 尤其是其强度随着温度的升高 不仅不会降低反而还可能升高 它是所有 已知材料中耐高温性最好的材料 因而它广泛地应用于航天 航空 核能 化 工 医用等各个领域 三 C C复合材料的特征 其主要特征有 1 合材料所具有的可设计性 2 量轻 其密度为1 65 2 0g cm3 仅为钢的四分之一 3 学特性随温度升高而增大 2200 以前 是目前唯一能在2200 以上 保持高温强度的工程材料 4 线膨胀系数小 高温尺寸稳定性好 5 异的耐烧蚀性能 6 损伤容限高 良好的抗热震性能 C C复合材料的性能 1 力学性能 C C复合材料不仅密度小 而且抗拉强度和弹性模量高于一般碳素材料 因此碳纤维的增强效果 十分明显 同时 挠曲强度也高于一般碳素材料 2 热物理性能 C C复合材料具有良好的尺寸稳定性 其热膨胀系数小 仅为金属材料的 1 5 1 10 高温热应力小 热导率高 C C复合材料的比热高 随温度上升而增大 因此能储存大量热能 C C复合材料的抗热震性很大 为各类石墨制品的1倍 40倍 四 C C复合材料的性能 1 力学性能 C C复合材料不仅密度小 而且抗拉强度和弹性模量高于一般 碳素材料 因此碳纤维的增强效果十分明显 同时 挠曲强度也高于一般碳素 材料 2 热物理性能 C C复合材料具有良好的尺寸稳定性 其热膨胀系数小 仅 为金属材料的1 5 1 10 高温热应力小 热导率高 C C复合材料的比热高 随温度上升而增大 因此能储存大量热能 C C复合材料的抗热震性很大 为各类石墨制品的1倍 40倍 3 耐烧蚀性能 C C复合材料有效烧蚀率高 材料烧蚀时能带走大量热 经 高温石墨化后 C C复合材料的烧蚀性能将更加优异 C C复合材料暴露于高温和快速加热环境中 由于蒸发升华和可能的热化学氧 化 使其部分表面可以被烧蚀 但其表面的凹陷浅 良好地保持其外形 且烧 蚀均匀和对称 因此 广泛应用作耐烧 4 化学稳定性 C C复合材料具有和碳一样的化学稳定性 C C复合材料的最大缺点 是耐氧化性能差 易腐蚀材料 五 复合材料的组成结构 主要成分包括 碳纤维骨架和碳基体 而碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料 碳纤 维的微观结构类似人造石墨 是乱层石墨结构 如下图所示 图2 1 1乱层石墨结构 首先我们先要了解碳纤维化学性质 碳纤维是含碳量高于90 的无机高分子纤维 其中含碳量高于99 的称石 墨纤维 目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维 碳纤维的制造包括纤维纺丝 热稳定化 预氧化 碳化 石墨化等4个过程 其间伴随的化学变化包括 脱氢 环化 氧化及脱氧等 基体的作用 基体为复合材料中起到粘接增强体成为整体并转递载荷到增 强体的主要组分之一 碳 石墨 基体使用温度在有抗氧化措施的条件下可超 过2000 C C复合材料的基体材料有热解碳和浸渍碳两种 1 热解碳主要是甲烷 乙烷 丙烷和乙烯以及低分子芳烃等组成 经高温列举 生成碳 2 浸渍碳主要有沥青和树脂组成 热解碳原料来源丰富 质量可靠 品种多 且成本低 选材范围广 六 a C C复合材料的应用 C C复合材料的主要两大应用领域C C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 航空发动机的热端部件等 1 固体火箭发动机喷管上的应用 C C复合材料自20世纪70年代首次作为固体火箭发动机 SRM 喉衬飞行成功 以来 极大地推动了SRM喷管材料的发展 采用C C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 l 3 即可大大提高sRM的比冲 喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基 C C复合材料 增强体多为整体针刺碳毡 多向编织等 并在表面涂覆Sic以提 高抗氧化性和抗冲蚀能力 2 刹车领域的应用 C C复合材料刹车盘的实验性研究于1973年第一次 用于飞机刹车 目前 一半以上的C C复合材料用作飞机刹车装置 高性能刹 车材料 要求高比热容 高熔点以及高温下的强度 C C复合材料正好适应了 这一要求 制作的飞机刹车盘重量轻 耐温高 比热容比钢高2 5倍 同金属 刹车材料相比 可节省40 的结构重量 碳刹车盘的使用寿命是金属基的5 7 倍 刹车力矩平稳 刹车时噪声小 因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料发 展史上的一次重大的技术进步 目前法国欧洲动力 碳工业等公司已批量生产c 妃复合材料刹车片 英国邓禄普公司也已大量生产C C复合材料刹车片 用于 赛车 火车和战斗机的刹车材料 六 b C C复合材料的性能的提高方法 1 耐烧蚀性能的提高针对固体火箭发动机喷管喉衬材料的应用 重点在于 C C复合材料的耐烧蚀性能 目前 常采用C C渗铜 Cu 或C C渗难熔金属碳 化物 Tac HfC z芘 两种方法进行提高C C复合材料的耐烧蚀性能 从而满足 新一代火箭喉衬材料的需求 2 耐摩擦磨损性能研究C C复合材料耐摩擦磨掼陛能优异 其摩擦因6合 成纤维SFC2011 No 1数适当且稳定 飞机刹车用C C复合材料 寿命提高近5 倍 刹车性能也明显高于粉末冶金刹车材料f笠 蠲 70年代中期 英国Dunlop 航空公司的C C复合材料刹车片首次在协和式飞机上试飞成功以来 得到很大 发展 已广泛应用于高速军用飞机和大型高音速民用客机 F16 B737 B757 B767及暴风雪等型号 目前航空刹车用C C复合材料主要由 世界上的五家公司生产 它们是法国的Messier 美国的 Goodrich Bendix Goodyear及英国的Dunlop 七 C C复合材料发展趋势展望 C C复合材料自20世纪60年代发明以来 就受到军事 航空航天 核能以 及许多民用工业领域的极大关注 然而 由于C C复合材料制造工艺复杂 技 术难度大 原材料价格昂贵 产品成本长期居高不下 其用途仍然限制在一些 工作条件苛刻的部位 以及其它材料不能替代的航空航天和军事领域 目前在 C C复合材料研究领域 最需要解决的问题是 研究高效 低成本 快速制备 工艺方法 研究能在1 800 以上长期使用的抗氧化涂层 研究高性能耐烧蚀 C C复合材料并应用于固体火箭喉衬材料 改进C C复合材料的摩擦磨损性能 使之万方数据更加满足于刹车材料的应用 C C复合材料与人体硬组织有优异 的生物相容性 其弹性模量与人体骨接近 在人体承重骨替换领域具有广阔的 应用前景 有关C C复合材料的基本理论问题 如界面结合 断裂行为 高温性能的 研究 仍有待进一步完善 另外一些相关的领域如碳碳复合材料的无损检测 质量评价 力学模型 计算 设计等问题也有待解决 参考文献 l 沈曾民 新型碳材料 M 化学工业出版社 2003 9 470 2 白瑞成 李贺军 李克智等 工艺因素对呲复合材料IcVI致密化的影 响 材料科学与工程学报 2008 26 6 827 831 3 陈少杰 张教强 郭银明 榭碳复合材料高温抗氧化涂层的研