碳基复合材料在机械工程中的应用.ppt

摘要：碳基复合材料在机械工程中的应用，碳基复合材料及其性能和应用，碳基复合材料在各个领域的应用，碳基复合材料的发展趋势和前景。顾名思义，碳基复合材料是以碳纤维(织物)或陶瓷纤维(织物)如碳化硅为增强材料，碳为基体的复合材料。碳基复合材料的定义碳基复合材料简介碳基复合材料是20世纪60年代发展起来的一种新型耐高温材料。它们是由增强碳和基体碳组成的多相材料。增强碳可以是不同类型的碳(或石墨)纤维及其织物。它在碳/碳复合材料中起着骨架和增强剂的作用。基体碳起粘结作用，目前的基体碳可以是树脂碳、沥青碳和沉积碳。目前，碳/碳复合材料已被公认为国外先进装载飞机前锥和固体火箭发动机喷管营地等关键部件最理想的耐烧蚀和耐热材料。碳/碳复合材料的工程应用也日益成熟。现在它已被用于美国民兵III洲际导弹弹头，全碳/碳化火箭发动机喷嘴也已成功通过测试。碳基复合材料的性能，比重小；高化学稳定性；良好的耐热性(非氧化性气氛)；良好的导电性和导热性；良好的耐腐蚀性。碳基复合材料的优点和缺点、碳基复合材料的应用和空间技术，由于在航天飞机的机翼和尾翼的前缘使用了碳/碳材料，大大减轻了航天飞机的重量。全碳/碳化固体火箭发动机喷管是未来的发展方向。碳/碳材料也可以用来制造液体火箭发动机的喷喉。大量的碳/碳材料也被用于制造卫星和宇宙飞船的隔热屏。在航空工业中，英国、美国、法国和其他国家制造的碳/碳制动盘为飞机提供摩擦制动，并能控制飞机在地面上运动的方向和速度。碳/碳刹车盘不仅用于高性能军用飞机，而且已经在民用航线上投入使用，如协和式飞机。该制动盘比钢制制动盘具有更高的强度和更好的刚性，可节省约50%的重量，操作安静，可增加着陆次数5-6倍。在医疗应用中，人造心脏瓣膜由碳/碳复合材料制成。碳基复合材料在各个领域的应用。碳/碳复合材料是一种新型高温材料，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、吸振性好等一系列优异性能。该材料的密度小于2.0g/cm3，仅为镍基高温合金的1/4和陶瓷材料的1/2。特别是，这种材料的强度不会随着温度的升高而降低(高达2200)，甚至高于室温。这是其他材料无法比拟的独特性能。碳/碳复合材料的发展可以追溯到20世纪60年代初。1961年，高性能碳纤维在日本首次由聚丙烯腈原丝制成。1963年，英国研究人员发明了牵引法来改善纤维结构的取向，进一步提高碳纤维的强度和弹性模量。到20世纪60年代末，提高碳纤维性能和生产效率的方法已经越来越完善。高强度、超高强度、高模量、高强度和中模量碳纤维大规模生产并商业化。碳纤维的年消耗量(德国汉堡国际碳纤维会议，2004年10月)。近年来，美国、俄罗斯、法国等国家开发了许多新的碳/碳材料与其他材料混合，以满足不同的特殊应用要求：将Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC等粉末混合到碳/碳材料中，以提高碳/碳材料的抗颗粒侵蚀性。最新弹头头锥保暖材料是一种添加复合物的针刺针织面料例如，复合材料的气动切割技术可以显著提高结构效率。整体成型技术可以有效减少连接，提高结构可靠性，降低成本。复合材料的耐腐蚀性和耐疲劳性可以降低维护成本。随着新一代飞行器向高超音速方向发展，恶劣的超高温服役环境对材料和结构的承载和热防护提出了严峻的考验。碳/碳复合材料是满足这一需求的重要候选材料。碳/碳复合材料从碳纤维增强相结构上可分为碳毡碳/碳复合材料和多向编织碳/碳复合材料。作为一种新型战略物资，在美国、俄罗斯、法国、英国、日本等国家，其研发主要由空军、海军或政府预算支持。因此，碳/碳复合材料的国防特殊性和强大的军事背景使其研究和使用高度机密。碳基热防护复合材料主要用于烧蚀和防止热结构，较好地解决了轻质、抗热震、抗侵蚀等技术问题。复合材料在民用飞机中的应用，国外自1980年以来的F-18军用飞机、最新研究的战斗机都使用复合材料机翼，而且机身上还大量使用先进的复合材料，占结构重量的25% 50%。例如，F22复合材料在第四代飞机中占结构重量的25%，法国的阵风占40%，瑞典的JAS39占30%，欧洲的EF2000占40%以上，美国杀手B2轰炸机占50%。民用飞机上使用的复合材料的数量也大大增加。波音B777共享9.9吨复合材料，占结构总重量的11%；“梦想飞机”B787复合材料将达到50%；A380大型客机可容纳500-650名乘客，仅碳纤维复合材料就约占32吨，加上各种其他复合材料，总使用量约为25%，开创了大型民用飞机大量使用复合材料的先例。1.1碳/碳复合制动盘，重量减轻：从宏观角度来看，碳/碳复合制动盘的优势主要在于其低密度和耐高温性。由于密度低，使用碳/碳圆盘可以大大减轻每架飞机的重量。例如，空客A310损失了499公斤，A300-600损失了590公斤，A330和A340损失了998公斤，MD-11损失了900公斤。优异的高温性能：飞机刹车摩擦引起的温升高达500以上，特别是最剧烈的起飞紧急刹车引起的温升超过1000，波音747-400刹车系统在起飞紧急刹车时将产生1.75108公斤功，部分刹车元件将达到熔点。此时，碳/碳材料的耐高温性显示出极大的优势。在微观结构上，石墨晶体属于层状结构，碳原子排列在一系列相距很远(0.3414nm)的原子平面上，每个平面上的碳原子呈正六边形排列，同一层原子的结合力远大于层间结合力，相邻层之间的结合能明显较低，滑动容易，摩擦阻力小，而薄层中的碳原子在滑动时不塌陷，具有较大的承载能力。同时，碳/碳材料不属于纯石墨结构，碳/碳复合材料中碳纤维和热解碳的微观结构属于无序石墨结构，因此摩擦系数高于石墨。一方面，碳纤维起到增强基体的作用，使制动盘具有足够的强度和刚度。同时，由于石墨化程度低，摩擦系数提高。因此，通过调整碳/碳材料碳纤维的体积含量，可以获得具有足够强度和适中摩擦系数的碳/碳圆盘。通过改变基体中热解碳的石墨化程度，可以进一步提高摩擦磨损性能。因此，碳/碳制动盘具有合适的摩擦系数和良好的耐磨性。采用碳/碳盘后，更换周期I日本从事碳/碳刹车材料的研发：宣昌工业公司、东邦别斯兰公司和东京工业材料研究所。主要开发和生产碳/碳刹车的英国公司：邓禄普公司等。目前，中国自20世纪70年代初以来一直在开发碳/碳刹车装置。兰州炭素厂、514厂、上海炭素厂、烟台冶金新材料研究所、西北工业大学等。先后参与了这项工作。其中，采用的主要工艺方法是化学气相沉积法，并在致密化工艺、增强体制备、性能控制等方面取得了一些成果。某型飞机的碳/碳盘样品、BAe146碳/碳盘样品和碳/碳盘比例部件已经研制出来。此外，还研究了材料的性能和结构，特别是摩擦磨损机理、石墨化度的影响以及提高石墨化度的方法。提出了一种高摩擦性能碳/碳材料模型。随着航空工业的发展，炭/炭复合材料发动机的热点对航空发动机的推重比要求越来越高。提高新发动机推重比的关键是提高热效率。其实现方法是提高空气压缩比，提高涡轮进口温度。因此，航空涡轮发动机和工业涡轮发动机的涡轮进口温度将大大提高，这就对发动机热端部件的材料提出了越来越高的要求。只有碳/碳复合材料才能在1600-2000的高温下正常工作。特殊功能：(1)仍能保持其强度在1600以上。(2)减轻发动机重量，增加推重比；(3)降低冷空气消耗，提高发动机效率；(4)提高工作温度，提高发动机热效率。近年来，世界发达国家逐渐将碳/碳复合材料应用于发动机部件。美国已经将这种材料应用于F100飞机发动机喷嘴和加力燃烧室喷嘴。Hitco制造了鱼鳞；LTV公司制造涡轮叶片和轮盘整体零件，并在1760进行地面过转试验。通用电气公司JID验证机的低压涡轮部分使用碳/碳材料制造涡轮叶片和圆盘整体部件。运行温度比一般汽轮机高1649，555，不需要空气冷却。测试成功了。法国、德国和俄罗斯也分别制造了燃烧室喷油杆和涡轮转子外环等零件。近年来，西北工业大学开展了一些研究工作。主要进展如下：(1)为解决碳/碳复合材料生产周期长、工艺难度大、成本高的问题，开发了两种新的成型工艺，即超高压成型工艺和快速气相沉积工艺，(2)为解决碳/碳材料氧化问题，研制了二氧化硅、氧化锆、氧化铝等。被添加到矩阵中。研究了基体改性对抗氧化性的影响。(3)在超高温性能测试和评价方面，研究了单向碳/碳复合材料在1900 2300下的持久强度和蠕变特性。(4)在应用研究方面，微型发动机喷嘴、叶片样品、高温保护套等。并对各零件的成形工艺方法进行了研究。碳纤维复合材料制成的火箭发动机和壳体具有强度高、刚度大、尺寸稳定的特点。因此，碳纤维复合材料可用于新型陆基机动均质洲际导弹的一、二、三级发动机壳体和新一代中程地对地战术导弹的发动机壳体。碳纤维增强复合材料主要用作火箭发动机的推力室喷管材料。一个用作固定喷嘴延伸部，另一个用作活动喷嘴延伸部(可延伸喷嘴)。此外，小推力室也可以由这种材料整体制成。固体发动机喷嘴属于非冷却型，工作环境极其恶劣。特别是喉部高温高压两相流气体的机械腐蚀、化学腐蚀和热冲击非常严重。材料选择是一个重要因素自20世纪80年代以来，发展高性能固体发动机的主要方向已经从“高能”转向“轻质可控”。高性能发动机喷管的推重比已超过150000牛顿/千克。正是性能优异的多向编织碳/碳材料的出现，从根本上解决了这一矛盾，实现了喷嘴技术的飞跃。随着航天飞行器各项性能的不断提高，对结构部件所用材料的要求越来越高。目前，国外发动机壳体的主要应用方向是使用碳纤维缠绕壳体，这大大提高了发动机的质量比。目前，我国还没有碳纤维缠绕的固体发动机壳体，所用树脂基体的耐热性不高。外壳外层的热保护涂层也增加了外壳的负面质量。因此，应尽快给予资金支持，开展高性能耐热基体材料和高性能碳纤维在固体发动机壳体中的应用研究，尽快实现碳纤维增强复合材料在均质发动机白色耐热壳体中的应用，提高武器系统的综合性能。(1)鱼竿年产量约1200万条，碳纤维年消耗量1200吨；(2)高尔夫球杆现在占碳纤维体育用品使用量的50%，碳纤维年消耗量为2000吨，要求重量轻、尺寸长。(3)网球拍年市场规模约为450万只，年碳纤维消耗量约为500吨；(4)卫星结构、太阳能电池板和天线应由高模量碳纤维制成，先进运载火箭和导弹外壳及发射器应由800H和T300碳纤维等制成。(5)在民用建筑领域，它已用于修理和加工板材、建筑部件、钢筋材料、屋顶框架材料等。在能源领域，已用于压缩天然气罐、汽车风车叶片(长达30-40米)、海底油田管道、电梯等。在运输方面，已应用于赛车、汽车传动轴、大型卡车车身等。在电子电器领域，已应用于增强热塑性树脂挤出制品，如抗静电集成电路盘、笔记本电脑外壳等，具有电磁波屏蔽作用。还有x光箱、医用床板、各种印刷、制膜、造纸用滚筒等。用于空气或氧气呼吸的压力容器等。碳基复合材料的发展趋势和前景，航空领域电化学电子器件的概况，航空领域的发展和前景。随着航空、航天和国防的发展，对材料的要求不断提高，使用条件也越来越苛刻。极端环境下材料行为的研究对先进军事材料的发展和武器装备性能的提高也产生了越来越显著的影响。碳基复合材料具有一系列优异的综合性能，如轻质、高比强度、高比模量和超高温性能，这使得这些材料在航空航天领域具有优势地位。目前，美国、俄罗斯等国已将以碳基复合材料为代表的先进功能结构材料应用于导弹、航天飞机、火箭发动机和飞机刹车。随着现代无线电技术和雷达探测技术的飞速发展，军事防御系统对武器装备的隐身能力提出了越来越高的要求。微波吸收材料作为一种重要的军事隐身功能材料，已经引起了广泛的关注。由于传统吸波材料的高密度和窄吸收带，限制了其应用。因此，开发新型吸波材料成为主要研究方向。碳纤维复合材料主要是为满足航空航天对高性能材料的要求而开发的。随着碳纤维复合材料的优异性能越来越被人们所认可和接受，其在能源、交通、汽车、海洋、建筑等工业领域的应用近年来发展迅速。伴奏电化学石墨烯因其极高的电导率和高比表面积，在传感器、催化剂材料和载体、超级电