碳纤维预制体优秀课件

InstituteofMetalResearch ChineseAcademyofSciences 航天材料一朵奇葩 热结构复合材料 庞生洋专用材料与器件研究部热结构复合材料组2012年5月22日 1 热结构复合材料简介热结构复合材料性能 应用和主要研究机构金属研究所热结构复合材料发展历程两种典型热结构复合材料的制备 结构 性能 C C复合材料 C SiC复合材料 内容简介 2 提纲 热结构复合材料简介 典型热结构复合材料的制备 结构 性能 3 热结构复合材料 C C复合材料 C SiC复合材料 SiC SiC复合材料 基体相 增强相 复合材料 纤维颗粒增强 碳基陶瓷基 UHTC复合材料 热结构复合材料 C C SiC C C UHTCC C coating 4 C C复合材料性能特点及应用 密度低 比强度大 热导率大 膨胀系数小 抗热震优异 抗氧化性差 再入热防护 喷管大型扩散段 飞机刹车片 使用温度可达2800 C 5 C C复合材料性能特点及应用 6 C C复合材料在核反应堆中重大应用 7 C C复合材料民用重大应用 8 C C复合材料民用重大应用 炉床风扇加热体炉体承重板保温材保护用异形板螺栓 螺母 垫片 9 C C复合材料民用重大应用 料架料盒夹具弹簧玻璃生产线用部件 10 密度低 比强度大 热导率大 膨胀系数小 抗热震优异 抗氧化性好 耐磨性突出 C SiC复合材料性能特点及应用 再入热防护 发动机鱼鳞片涡轮火焰稳定器 装甲板防弹衣 空间反射镜 使用温度可达1650 C 11 国内外主要研究和生产机构 C C复合材料 Messier Bugatti Inc SGLGroup Inc HitcoCarbonComposites Inc 中南大学 SandiaNationalLaboratories OakRidgeNationalLaboratories 514厂 43所 703所 金属研究所 12 国内外主要研究和生产机构 C SiC复合材料 NASA USA DLRInstitute Germany ONERA France 西北工业大学 SEP France BordeauxUniversity France 金属研究所 UHTC复合材料 UniversityofMissouri Rolla USA InstituteofScienceandTechnologyforCeramics Italy 哈尔滨工业大学 金属研究所 13 金属所热结构复合材料发展历程 1972年 在国内首先开展CVIC C复合材料研究 1990年 在国内首先开展CVIC SiC复合材料研究 863计划 1991年 化学气相渗及制备新材料 获得国家科技进步二等奖 1999年 发明快速CVI制备C C材料技术 获国家发明专利授权 2003年 采用快速CVI制备出C SiC复合材料 2004年 开展C C掺杂超高温陶瓷复合材料研究 2005年 开展C SiC ZrB2复合材料研究 制成构件 通过电弧风动试验 2007年 建立热结构复合材料生产体系 低成本民品C C走向市场 08年以后 开展了1700 以上 长期抗氧化复合材料研究 目前研究重点是 采用多种工艺结合 制备低成本短周期的防热构件 包括喷管 防热盖板 端头等形状各异的热结构部件 14 金属所热结构复合材料发展历程 设计 纤维类型与增强骨架结构 基体 纤维与基体的结合工艺 均热法 热梯度法 压差温度梯度法 直热法CVI性能 力学 热物理 化学 摩擦磨损及其它特殊物理性能应用 航天防热 固体火箭喷管 飞机刹车盘 生物工程 冶金化工 核工业 15 提纲 热结构复合材料简介 典型热结构复合材料的制备 结构 性能 16 制备过程 碳纤维预制体碳纤维布针刺或碳纤维编织而成 传统化学气相渗 聚合物浸渍裂解 制备工艺碳或碳化硅基体 前驱体浸渍裂解 液态硅浸渍 C C或C SiC复合材料 快速化学气相渗 平纹布 4缎纹布 5缎纹布 SiC SiC复合材料制备具有工艺基础和开发能力 金属所专利技术 C C C SiC 17 传统CVI和快速CVI 均热法 快速CVI 工艺比较成熟同炉内可放置不同样品可实现净尺寸制备 沉积效率高 沉积时间短可制备大厚度样品对设备腐蚀小克服了传统CVI的两大瓶颈 质量传输和反应动力学 18 快速CVI制备C C材料 0 90 无纬布C C复合材料材料致密度较高 1 7g cm3残留有少量层间孔和束间孔基本填满了纤维间的孔隙碳基体为粗糙层和光滑层的混合 19 C C复合材料快速沉积机理 自由基磁吸引作用自由基电沉积作用自由基脱氢聚合过程 20 1 9g cm3 2 0g cm3 2 3 2 4g cm3 2 3 2 4g cm3 H2 MTS 0 H2 MTS 0 5 H2 MTS 1 0 H2 MTS 1 5 在35小时内成功制备出大尺寸高密度C SiC板材 500 200 9mm 2 3 2 4g cm3 快速CVI制备C SiC材料 21 小分子沉积机理 CH3SiCl3 CH3 SiCl3 G 292kJ mol CH3 CH2 H G 550kJ mol SiCl3 SiCl2 Cl G 402kJ mol SiCl2 e Si 2Cl CH2 e C 2H Cl Si Cl H C Si Cl Cl H Cl Cl Si Cl Si Cl H C Cl Si C Si C Si C C Si C Si C Si a Magneticattraction c I I I e e e b Electricdeposition c Dehydrogen polymerizationreaction Si原子面 C原子面 快速CVI制备C SiC材料沉积机理 22 C C C SiC材料性能对比 23 预制体对C C力学性能的影响 24 碳毡C C 0 90 无纬布C C 0 45 无纬布C C 0 45 斜纹布C C 400 m 400 m 400 m 400 m 纤维预制体对C C材料烧蚀性能的影响 小发动机烧蚀试验热流12MW m22000 左右10s富氧煤油火焰 0 45 无纬布C C表现出最好的抗烧蚀性能 另外这四种材料在针刺纤维束和束间孔附件均形成了较大的烧蚀孔 25 C C材料烧蚀过程的结构演变 15 m 纤维横向 10 m 纤维纵向 烧蚀机理 烧蚀优先发生在表面孔洞及针刺纤维附近 材料的烧蚀主要受氧化 扩散控制 和机械剥蚀影响 针刺纤维极易氧化 形成这种热解碳的薄壳结构 从而发生机械剥蚀 束间孔则提供了氧气向内扩散的通道 导致非均匀烧蚀 26 C ZrB2 SiC材料微观结构 C SiC UHTCC ZrB2 SiC 27 提高了中温区抗氧化能力 C SiC C ZrB2 SiC TangSF etal JAmCeramSoc90 2008 3320 C ZrB2 SiC在1000 C依赖于B2O3C ZrB2 SiC在1200 C依赖于硅酸盐C ZrB2 SiC在1400 C依赖于SiO2 C SiC和C ZrB2 SiC氧化性能 28 C SiC和C ZrB2 SiC烧蚀性能 t 20st 300st 650s烧蚀后 C ZrB2 SiC C SiC 29 5 m 5 m 30 m 30 m C SiC C ZrB2 SiC 烧蚀温度2000 C 烧蚀率10 4mm s量级 零烧蚀 主要依赖于SiO2 硅酸盐等玻璃相物质 含有低熔点相ZrB2的引入有效的降低了材料的表面温度 C SiC和C ZrB2 SiC烧蚀机理 C ZrB2 SiC C SiC 30 碳纤维是一种以聚丙烯腈 PAN 沥青 粘胶纤维等为原料 经预氧化 碳化 石墨化而制得的含碳量大于90 的高强 高模 耐高温特种纤维 碳纤维预制体是一种以碳纤维为原料 通过某种机械的编制或者针刺方式而形成的一种形状特定的物品 碳纤维有通用型 GP 高强型 HT 高模型 HM 高强高模 HP 等多种规格 注 碳纤维及其预制体 31 注 碳纤维及其预制体 聚丙烯腈 PAN 基碳纤维是20世纪60年代迅速发展起来的新型材料 既具有碳材料的固有本性 又具有纺织纤维的柔软可加工性 是新一代军民两用新材料 因其具有质量轻 强度高 模量高 耐高温 耐腐蚀 耐磨 耐疲劳 抗蠕变 导电 导热 热膨胀系数小等优异性能 被广泛应用于卫星 运载火箭 战术导弹 飞机 宇宙飞船等尖端领域 已成为航天航空工业中不可缺少的材料 而且广泛应用于民用领域 如体育器材 建筑材料 医疗器械 运输车辆 机械工