5.1-5复合材料碳碳.11课件

预习内容,5.7神出鬼没的隐身功能材料（P195207）,歼20,F-35,5新型复合材料博采众长,2012.11.,5.1复合材料，1+125.2新型复合材料的增强体5.3新型高分子基复合材料，遍地开花5.4金属基复合材料5.5新型陶瓷基复合材料5.6性能优异的C/C复合材料5.7神出鬼没的隐身功能材料,5新型复合材料博采众长,人类发展到今天，已经开发利用了种类繁多的材料，但是单一材料的性能已远远不能满足人类进一步发展的需要，因此将多种材料用适当的方法组合起来，得到一种性能优于单一材料的复合材料，是历史发展的必然。伴随着科学技术的发展和复合材料的大量使用，新型复合材料博采众长，适应了社会的发展和科技的进步，得到长足的发展。新型复合材料不仅在高技术领域（如航空航天、交通运输、信息产业等）获得应用，而且在民用工业中（如交通、建筑工业、化工设备和日用品等）也取得广泛应用。新型复合材料已经发展到一个更高的水平。,引言,5.1复合材料，1+12,5.1.1复合材料的概念与分类5.1.2复合材料的基本特征5.1.3复合材料的性能特点5.1.4复合材料的制备方法简介5.1.5复合材料的发展与新型复合材料,5.1.1复合材料的概念与分类,1.何谓复合材料？从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相体材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。因此，复合材料定义为：用经过选择的一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合，组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确提出复合材料是“通过人工复合的”和“有特殊性能的”材料，而且还指明了复合材料的组分、结构特点及与其它种材料（如简单混合物、化合物、合金）的特征区别。,2.复合材料的特点,（1）复合材料的组分和其相对含量是经人工选择和设计的。（2）复合材料是经人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料特征的天然物质）。（3）组成复合材料的某些组分复合后仍保持其固有物理和化学性质（区别于化合物和合金）。（4）复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的。（5）复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。根据上述特点，复合材料应不包括自然形成具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。,3.复合材料的组成,复合材料由两种以上组分以及它们之间的界面构成。组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的增强相和基体相。增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。（1）增强相（增强体）其形态可以是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，故称为增强相或增强体。它们在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作分散相。（2）基体相其包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为基体相。如高分子材料（聚合物或树脂）基体，金属基体和无机非金属材料基体。不同的基体材料和增强体材料可组合成品种繁多的复合材料。,4.复合材料的分类,复合材料的种类繁多，目前尚无统一分类方法，以下主要依据构成复合材料的三要素(即基体、增强材料状态与复合方式)来进行分类:（1）按基体材料类型分类有金属基（主要有铝、镁、钛、铜等及其合金）复合材料、高分子基（主要有合成树脂、橡胶等）复合材料及无机非金属材料(主要有陶瓷、水泥、碳、石墨等)基复合材料等。,4.复合材料的分类,（2）按增强体类型（种类和形态）分类复合材料按增强相的性质和形态，可分为细颗粒增强复合材料、长纤维或连续纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强复合材料、层状或层叠增强复合材料以及填充骨架增强型复合材料等。主要的复合结构如图5.1所示。,图5.1复合材料及其增强相的各种形态示意图,增强相三种类型,（3）按复合材料的性能特征分类可分为普通和新型复合材料。普通复合材料是指利用普通玻璃纤维、合成或天然纤维等增强的树脂基（普通树脂）复合材料，大多用于要求不高而用量较大的场合。新型复合材料特点是比强度、比模量高、密度低等。它包括用碳、芳纶、陶瓷等纤维和晶须等高性能增强体与耐热性好的热固（塑）性树脂基所构成的高性能高分子基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料、碳（石墨）基复合材料，包括使用其它力学性能的结构复合材料和其它性能的功能复合材料等。,（4）按主要用途分类功能复合材料一般有功能体组元和基体组元组成。基体不仅起构成整体的作用，且能产生协同或加强功能作用。根据其功能不同，又可分为导电、磁性、阻尼等。结构复合材料基本上由能承受载荷的增强体组元与能联结增强体成为整体材料、同时又起传递力作用的基体组元构成。其特点是可根据材料在使用中的受力要求进行组元选材设计，更重要的是可进行复合设计，能合理地满足需要并节约用材。智能复合材料指的是将具有模仿生命功能的材料融合于基体材料或复合材料中，使之具有所期望的智能功能的材料。,4.复合材料的分类,复合材料常见的分类方法可归纳如图5.2所示。,图5.2复合材料的分类,粒子增强复合材料及实例,粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。,卫星用颗粒增强铝基复合材料零件,粒子增强SiC陶瓷基复合材料,颗粒增强铝基泡沫复合材料,碳黑增强橡胶,聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成木材)等。陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。,金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具材料已广泛应用，称作硬质合金。其通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。,硬质合金模具,硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。,层状复合材料层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。,有TiN涂层的高尔夫球头,层状复合,铝合金蜂窝夹层板,双金属、表面涂层等也是层状复合材料。结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。,纤维增强复合材料,是指以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。,在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。,纤维在基体中的不同分布方式,芳纶刹车片,碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件,美国F/A-18歼击机,美UH60A型直升飞机,纤维增强金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。,作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。,MMC的SEM照片,航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC应用范围。,纤维增强陶瓷复合材料陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。,用晶须作为增强相可显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现发现，晶须(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。,5.1.2复合材料的基本特征,复合材料是应现代科学技术发展而涌现出的一大类具有极大生命力的新材料,它们均由两种或两种以上物理和化学性质不同物质组合起来而得到的一种多相固体材料。复合材料区别于单一材料的显著特征是材料性能的可设计性，即经过选择性设计和加工，通过各组分性能间的相互补充，可获得新的优良性能。如图所示，由A、B两种材料进行复合以后，可能出现图中所示的四种情况。由于组分A、B各有优缺点，如果通过材料优化设计和合理的工艺，使最终的材料尽可能达到、各优点的组合状态，这也就是开发复合材料的目的。,纤维增强高分子复合材料,1.复合材料的性能具有可设计性,相补效应和相抵相应,5.1.2复合材料的基本特征,所谓复合材料，它不是一般材料的简单混合，而是利用适当的工艺方法，将两种或几种在物理性能和化学性能不同的物质组合而制成的多相固体材料，它们既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的优良性能，即此材料的性能比组成材料的性能好，具有复合效果，具有组成材料相互取长补短的良好综合性能。例如，由一黄铜片和铁片组成的双金属片复合材料，就具有可控制温度开关的功能（见左下图）。由两层塑料和中间夹一层铜片组成的复合材料，能在同一时间里在不同方向上具有导电和隔热的双重功能（如右下图示），而这些功能是单一材料所无法实现的。,双金属片控制开关示意图,2.叠加效应,5.1.2复合材料的基本特征,复合材料的另一特征是材料与结构一次成型，即形成复合材料同时也得到了结构件。这一特点使构件零件数目减少，整体化程度提高；同时由于减少甚至取消了接头，避免或减少铆、焊等工艺，从而减轻构件质量，改善并提高构件耐疲劳和稳定性等。采用高性能增强体（如碳纤维、芳纶等）和耐温性良好的高聚物基体构成复合材料，及金属基、碳基、陶瓷基复合材料等，可总称为新型复合材料（先进复合材料）。复合材料直到20世纪40年代初才成为一门独立的学科，特别是50年代以来伴随着科学技术和现代工业的快速发展而获得迅猛发展。科学家们将复合材料划分为三个时代。第一代复合材料的代表是玻璃钢，即玻璃纤维增强塑料；第二代复合材料的代表是碳纤维强化树脂（CFRP）以及硼纤维强化树脂（BFRP）；现在又进入第三代，即深入研制金属基、陶瓷基、碳/碳基复合材料。这些新型复合材料具有广阔的应用前景。科学家们预言，21世纪是复合材料的时代，它是材料革命的方向之一。我国的“九五”计划和“2010”远景规划都把发展复合材料列为重要内容，研究和开发新型复合材料以及改善通用复合材料性能，仍是材料科学工作者的重要任务。,3.材料与构件制造的一致性,5.1.3复合材料的性能1.比强度、比模量高,复合材料的比强度(强度极限/比重)与比模量(弹性模量/比重)比其它材料高得多。这表明复合材料具有较高的承载能力。它不仅强度高，而且重量轻。例如碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度为钢的8倍，比模量为钢的35倍，详见下页表及图所示。因此，将此类材料用于动力设备，可大大提高动力设备的效率。,复合材料与其它材料的比强度、比模量对比图,2.抗疲劳性能好,复合材料有高疲劳强度。例如，碳纤维增强聚脂树脂的疲劳强度为其抗拉强度的70%80%，而大多数金属材料只有其抗拉强度的40%50%。下页左图示出几种材料的疲劳曲线，可见复合材料抗疲劳性能较好。首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，能消除或减少应力集中区的大小和数量，使疲劳源（纤维和基体中的缺陷处，界面上的薄弱点）难以萌生出微裂纹；即使微裂纹形成（右图a所示），塑性变形也能使裂纹尖端钝化，减缓其扩展。在裂纹缓慢扩展过程中，基体的纵向拉压会引起其横向的缩涨，而在裂纹尖端的前缘造成基体与纤维的分离见下页右图（b），所以经过一定的应力循环之后，裂纹由横向改沿纤维-基体界面纵向扩展见下页右图（c）。由于基体中密布着大量纤维，疲劳断裂时，裂纹的扩展常要经历非常曲折和复杂的路径，因此复合材料的疲劳强度都很高。,图5-7几种材料的疲劳曲线图5-8疲劳裂纹扩展示意图,阻止裂纹的扩展,3.破损安全性好,纤维增强复合材料是由大量单根纤维合成，受载后即使有少量纤维断裂，载荷会迅速重新分布，由未断裂的纤维承担，这样可使构件丧失承载能力的过程延长，表明断裂安全性能较好。,4.减振性能好,工程结构、机械及设备的自振频率除本身的质量和形状有关外，还与材料的比模量的平方根呈正比。复合材料具有高比模量，因此也具有高自振频率，这样可以有效地防止在工作状态下产生共振及由此引起的早期破坏。同时，复合材料中纤维和基体间的界面有较强的吸振能力，表明它有较高的振动阻尼，故振动衰减比其它材料快，如右图示。,两种材料振动衰减特性比较表,各种纤维材料的融点表,树脂基复合材料耐热性要比相应的塑料明显提高。金属基复合材料的耐热性更显出其优异性。例如，铝合金在400时强度仅为室温时的0.060.1倍，而弹性模量几乎降为零。而用碳或硼纤维增强铝，400时强度和弹性模量几乎与室温下保持同一水平。上表为各种纤维的融点（软化点），一般都在2000以上，用这些纤维与金属基体组成的复合材料，高温下强度和弹性模量均有提高，因此复合材料具有更高高温强度、弹性模量以及良好的抗蠕变性能。,5.耐热性能好,6.减摩耐磨和自润滑性好塑料和钢的复合材料可用作轴承。7.化学稳定性优良具有优良的耐化学药品侵蚀的能力。例如，纤维增强塑料制品可以在含Cl-离子的酸性介质中长期使用。8.其它特殊性能不少复合材料具有高韧性、导电、导热、以及耐烧蚀、抗辐射等性能中的某些优异性能，使它们得到了广泛的应用。,5.1.4复合材料的现状与发展前景,目前世界上复合材料的总产量约为300万吨，年增长率为3左右。其中绝大部分为常用复合材料，如玻璃纤维增强树脂等，新型复合材料只占23。中国目前复合材料年产量约为8万吨，其中新型复合材料很少。还属起步阶段。常用复合材料主要用于建筑、交通运输、船舶、化工、电力与电信、机械、医疗和体育用品等方面。新型复合材料主要用于高技术方面，如航空航天技术与所需要的飞机的主承力结构以及卫星、导弹、航天飞机的结构和防热部件，目前也向民用工业发展，如制造汽车零件、精密机械零件、机器人运动件、高级假肢等。复合材料科学是一门综合性很强的交叉学科，它以许多其他学科，如固体物理、合成化学、高分子科学、金属学、陶瓷学、结晶学、力学、热力学与动力学等为基础。复合材料的一些新的基础学科和课题正在研究发展之中，如复合材料混杂效应、复合材料破坏过程和复合材料复合效应等，理论研究也在不断深入。,5.1.4复合材料的现状与发展前景,复合材料有其独特的制造工艺，而且对于不同的基体也有不同的工艺方法。高聚物复合材料成型工艺有手糊法、喷射法及模压、层压、缠绕、拉挤等。金属基复合材料成型有粉未冶金法、挤压铸造法、真空压力浸渗法等。陶瓷基复合材料成型工艺目前已应用的有化学气相渗透法、热压烧结法、反应复合法和原位生长法等。在复合材料的加工工艺方面还存在许多问题，如打孔损伤比均质材料严重，常用的铆接、螺栓连接等方法都不合适。对树脂基复合材料只能采用可靠性差的粘接剂连接工艺；金属基复合材料的焊接强度也还未解决，因此要尽量避免连接，而利用复合材料能整体成型的特点来解决部分问题，但这又增加了设计和施工的难度。另外，对复合材料可靠性的无损质量评价尚有待于进一步提高。目前复合材料在基础理论和工艺方面也有许多问题有待解决。最根本的问题是目前尚未建立一整套适合复合材料的基础理沦，对复合材料的一些特殊行为认识还不深透，现在使用的许多理论是从均质材料中套用过来的。尽管如此，从复合材料的可设计性特点和容易实现对材料的综合性要求等来看，复合材料具有宽广的自由度，有巨大潜力，因此发展前景远大。,5.1.4复合材料的现状与发展前景,未来的复合材料,特别是新型复合材料的研制和开发将具有如下的新发展：(1)由宏观复合状态进入微观复合状态即增强体和功能体组元尺寸可小到纳米级或分子尺寸，可出现纳米、高分子自增强复合材料、高分子原位复合材料和分子复合材料等。（2）由二元混杂发展到多元混杂或超混杂形式已出现铝片-芳纶纤维-环氧树脂的迭层超混杂材料。其他还有多元基体混杂、纤维与颗粒多元混杂、增强体与功能体多元混杂等。（3）智能复合材料的发展指具有感知、识别及处理能力的复合材料。在技术上是通过传感器、驱动器、控制器来实现复合构料的上述能力。例如，当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时，可由埋入的传感器在线检测到该损伤，通过控制器决策后，控制埋入的形状记忆合金动作，在损伤周围产生压应力，从而防止损伤的继续发展，大大提高了飞机的安全性能。（4）进一步发展具有综合功能和梯度功能的复合材料，以适应各种复杂环境和苛刻要求在体积、重量受严格限制的条件下，实现一种材料具有综合功能是十分重要的。(5)借助生物结构的启示，研制仿生复合材料是参考生命系统的结构规律而设计制造的复合材料。自然界的生物材料经过亿万年的自然选择与进化，形成了大量天然合理的复合结构，这些复合结构都可作为仿生设计的参考。复合材料仿生的发展方向是要向更深的层次发展，除了结构仿生外，还应进行功能仿生、智能仿生和环境适应仿生的研究和开发。（6）积极开发、使用环保型复合材料从环境保护的角度考虑，要求废弃的复合材料可以回收利用，以节约资源和减少污染。因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，是复合材料今后的发展方向之一。,5.2复合材料用增强材料,5.2.1纤维增强体1.碳纤维的起源;2.碳纤维简介;3.碳纤维的生产技术;4.碳纤维的性能5.2.2颗粒增强体5.2.3片状增强体5.2.4织物增强体5.2.5毡状增强体,5.2.1纤维增强体,1860年，英国人瑟夫斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝，以此制作电灯的灯丝。大约在1879年，他把棉纱浸入硫酸，焦干处理，然后碳化，或将硝化纤维素从膜孔中挤出成丝，然后再碳化，并获得专利。由于当时解决不了灯泡的真空问题，所以没有实用化意义。但是，碳丝的起源或溯源点应该是从他开始的。此外，硝化纤维素的膜孔成丝为今后发明合成纤维做了有益的工作和启迪。碳纤维是由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在10003000高温的惰性气体下制成的。其结果是除碳以外所有元素都予以去除。碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异的新材料，比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为2300043000MPa亦高于钢。因此CFRP的比强度可达2000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢仅为59左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大。此意义上已预示碳纤维在工程广阔应用前景，人类在材料应用上正从钢铁时代进入复合材料广泛应用时代。,1.碳纤维的起源,视频播放,3.碳纤维的生产技术,以下主要介绍聚丙烯晴基碳纤维的生产方法。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维为人造合成纤维，俗称人造羊毛。生产碳纤维不采用民用腈纶，而是采用特殊组分且性能优良的专用PAN基纤维。PAN原丝经一系列热处理后，由有机合成纤维转化为含碳量在92以上的无机碳纤维。下图所示为由聚丙烯晴纤维制备碳纤维的工序。,碳纤维材料制备基本工艺流程图,4.碳纤维的性能,(1)密度小,耐酸,热膨胀系数小、甚至为负值；具有良好高温蠕变性能,直至1900以上才呈现塑性变形。(2)摩擦系数小,润滑性及导电性良好；但脆性大,冲击韧度差。(3)其强度随处理温度升高,在13001700范围内,强度出现最大值.(4)弹性模量随碳化过程处理温度的提高而提高,经2500高温处理后,称高模量碳纤维.,碳纤维复合材料自行车(吉林化纤),车展上的碳纤维超级跑车,碳纤维复合材料应用实例,北京奥运会撑杆跳冠军,视频播放,碳纤维增强复合材料在民用飞机及赛车中的应用,伊辛巴耶娃破纪录蝉联女子撑杆跳冠军,5.6性能优异的C/C复合材料,5.6.1C/C复合材料的发展和性能特点5.6.2C/C复合材料的制备工艺简介5.6.3C/C复合材料的应用,耐高温陶瓷基复合材料,5.6.1C/C复合材料的发展和特点,1.何谓碳/碳（C/C）复合材料？指用碳或石墨纤维增强碳或石墨基体制成的特种复合材料，即利用碳的优良物理和抗化学腐蚀性能制成的纤维增强碳基复合材料。C/C复合材料在耐高温、耐腐蚀、耐磨损和耐海水等方面，具有优异的特性。2.C/C复合材料的发展1961年日本首先用聚丙烯腈(PAN)原丝制成高性能碳纤维,1963年英国研究者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,至60年代末,提高碳纤维性能和生产效率的办法日趋完善.高强度、高模量、超高强度和高强中模量的碳纤维形成规模生产并开始商品化。C/C复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响，因其具有高烧蚀热、低烧蚀率、超热环境下高强度等一系列优点，被认为是航天环境中高性能的烧蚀材料。它还具有优异的耐磨擦性能和高导热率，使其在飞机、汽车刹车片、导弹弹头等高科技技术领域等诸多方面得到广泛应用。,3.C/C复合材料的特点,（1）基本物理、化学性能CC复合材料具有碳的优良性能，包括耐高温、抗腐蚀、较低的热膨胀系数和较好的抗热冲击性。C在石墨状态下，只有加热到4000才会熔化(在压力超过12GPa的条件下)；只有加热到2500以上才能测出其塑性变形；在常压下加热到3000，碳才开始升华。其体积密度和气孔率随制造工艺的不同而变化较大，密度最高的CC复合材料可达2.0gcm3，开口气孔率只有23。树脂碳作基体的CC复合材料体积密度为15gcm3。CC复合材料与石墨一样具有化学稳定性，它与一般的酸、碱、盐的溶液不起反应，与有机溶剂不起作用，只是与浓度高的氧化性酸溶液起反应。其在常温下不与氧作用，开始氧化的温度为400(特别是当有微量K、Na、Ca等金属杂质存在时)，当温度高于600将会发生严重氧化。,（2）优异的力学性能,图5.1.1各种碳素材料力学性能比较图5.1.2碳素材料挠曲强度的比较及随温度变化,CC复合材料的强度和刚度都相当高，而且能承受极高的温度和极高的加热速度。尤其是当温度升高时，其强度不但不降低，反而升高，其高温力学性能比低温时还要好（如图5.1.1、5.1.2所示）。而一般超耐热不锈钢在室温时的强度比碳碳复合材料高，但当温度升至接近1000时，强度就会迅速下降至零。CC复合材料是目前唯一可用于2800高温的复合材料。,（3）具有碳材料所特有的耐烧蚀、抗热震、高导热率和低热膨胀系数等优异的热性能,CC复合材料的导热性在常温下甚至可以和铝或铝合金相比拟，其热膨胀系数远比金属材料低。由于碳碳复合材料都是由碳元素组成的，而碳元素在所有材料中具有最好的生物相容性，因此碳碳复合材料可以作为生物材料使用。CC复合材料的有效烧蚀热高，材料烧蚀时能带走大量热。表5.5.1为几种耐烧蚀材料的有效烧蚀热。显然，碳碳复合材料的有效烧蚀热比高硅氧/酚醛高12倍，比耐纶/酚醛高23倍。,表5.5.1不同材料的有效烧蚀热的比较,（4）具有优异的摩擦磨损性能,良好的高温性能，可在高速、高能量条件下，当摩擦升温高达1000以上时，其摩擦性能仍保持平稳，这是其它摩擦材料所不具有的。因此，作为军用和民用飞机刹车盘材料，已越来越广为应用。（5）具有良好的化学稳定性,因碳元素是耐腐蚀性最好的材料之一，它对酸、碱、盐溶液及有机溶剂都是惰性的，因而可用于化工，如做各种反应器，代替石墨做热交换管，还可用作与高温腐蚀性气体相接触喷气发动机的进气部件及火箭推进系统。但由于其造价高，主要用于一般复合材料不能胜任场合。由于抗氧化性能较差，需对其表面进行抗氧化处理，使复合材料表面形成抗氧化的碳化物。,表5.5.2碳/碳复合材料的主要优缺点,5.6.2碳碳复合材料的制备简介,根据碳碳复合材料使用的工况条件、环境条件和所要制备的具体构件，可以设计和制备不同结构的碳碳复合材料。它们的增强材料可以采用不同类型的碳纤维和编织方式等组成的预成型体。碳碳复合材料的基体碳可以通过化学气相沉积或浸渍高分子聚合物碳化来获得。碳碳复合材料制造的基本过程如图5.5.3所示。碳纤维用树脂(酚醛或环氧)或沥青浸渍，固化成型后进行热裂解(无氧条件下)，形成多孔的预成型体，再经多次液体浸渍或化学气相沉积（CVD）工艺，达到所需制件的质量要求。它主要包括：作为增强体的碳纤维及其织物的选择，作为基体碳先驱物的选择，碳碳复合材料预成型体的成型工艺，形成碳基体的致密化工艺以及工序间和最终产品的加工、检测等。,图5.15.C/C复合材料制备工艺流程,（1）碳纤维的选择,碳纤维纱束的选择和纤维织物结构的设计是制造碳碳复合材料的基础。通过合理选择纤维种类和织物的编织参数，如纱束的排列取向、纱束间距、纱束体积含量等，可以改变碳碳复合材料的力学和热物理性能，从而满足产品性能方面的设计要求。可以选用的碳纤维种类有黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青(pitch)基碳纤维。目前，最常用的聚丙烯腈基高强碳纤维(如T-300)具有所需要的强度、模量和适中的价格。另外还要注意碳纤维的表面活化处理和上胶问题。采用表面处理后活性过高的碳纤维会使得纤维与基体的界面结合过好，反而使碳碳复合材料呈现脆性断裂，使强度降低。所以，要注意选择合适的上胶胶料和纤维织物的预处理温度(一般大于1400)，以保证碳纤维表面具有适中的活性。,（2）预成型体成型工艺,预成型体是指按产品的形状和性能要求，先把碳纤维或其织物成型为一种坯体，以便进一步进行碳碳复合材料致密化工艺。按增强方式可分为单向(1D)纤维增强、双向(2D)织物和多向织物增强，或分为短纤维增强和连续纤维增强。短纤维增强的预成型体，常采用压滤法、浇注法、喷涂法、热压法。连续长丝增强的预成型体，其成型方法有：一是采用传统的增强塑料的成型方法，如预浸布、层压、铺层、缠绕等方法作成层压板、回旋体和异型薄壁结构；另一种方法是近年得到迅速发展的纺织技术多向编织技术，如三向(3D)编织、4D、5D、6D、7D以至llD编织、极向编织等。,此即基体碳形成过程，实质是用高质量碳填满碳纤维周围的空隙以获结构、性能优良的CC复合材料。最常用有两种基本工艺是化学气相沉积和液相浸渍工艺。把碳纤维织物预成型体放入专用化学气相沉积炉中，加热至所要求的温度，通入碳氢气体，这些气体分解并在织物的碳纤维周围和空隙中沉积碳(称作热解碳)。这种工艺适合于在大容积沉积炉中，生产形状简单的碳碳复合材料制品。液相浸渍工艺是制造石墨材料的传统工艺，目前已成为制造碳碳复合材料的一种主要工艺。将织物预成型体置于浸渍罐中，在真空状态下用树脂浸没织物，再充气加压使树脂浸透织物。树脂固化之后，将样品放入碳化炉中，在氮气或氩气保护下进行碳化，升温速率控制在1030h，最终碳化温度1000，保温1h。,（3）碳碳复合材料的致密化工艺,（4）石墨化,根据使用要求，常常需要对致密化的碳碳复合材料进行高温热处理，常用温度为24002800，在这一温度下，N、H、O、K、Na、Ca等杂质元素逸出，碳发生晶格结构的转变，这一过程叫石墨化。石墨化对碳碳复合材料的热物理性能和机械性能有着明显的影响。经石墨化处理的碳碳复合材料，其强度、热膨胀系数均降低，热导率、热稳定性、抗氧化以及纯度都有所提高。,（5）碳碳复合材料的机械加工和检测,需要采用金刚石丝锯或金刚石刀具进行下料和加工。为了保证产品质量和降低成本，在碳碳复合材料制造过程中每道工序都应进行严格的工艺控制，同时，在重要的工序之间，要对织物、预成型体、半成品以至成品进行无损检测，检查制品中是否有断丝、纤维纱束折皱、裂纹等缺陷发生。,5.6.3碳碳复合材料的应用,碳碳复合材料因具有高比强度、高比模量、耐烧蚀性，还有传热导电、自润滑性、本身无毒性等特点而广泛用于宇航及民用部门。1.在宇航方面的应用主要用作烧蚀材料的热结构材料。如导弹鼻锥帽是采用烧蚀型CC复合材料，利用其质量轻、高温强度高、抗烧蚀、抗侵蚀、抗热震性好的优点，使导弹弹头再入大气层时免遭损毁。又如航天飞机的鼻锥帽和机翼前缘则要求重复使用，采用非烧蚀型的抗氧化CC复合材料，又称热结构碳碳复合材料，美国、前苏联已经成功地在航天飞机上应用。,左图为阿波罗指挥舱的表面温度分布，最苛刻部位高达2760。而中图为烧蚀材料的发展情况，CC又是烧蚀材料中姣姣者。所谓烧蚀防热是利用材料的分解、解聚、蒸发、汽化及离子化等化学和物理过程带走大量热能，并利用消耗材料本身来换取隔热效果。同时，也可利用在一系列变化过程中形成隔热层，使物体内部温度不致升高。右图为烧蚀过程中的示意图。在防热材料表面，由于物质相变吸收大量热能，挥发产物又带走大量热能，残留的多孔碳化层也起到隔热作用，阻止热量向内部传递，从而起到隔热作用，阻止热量向内部传递，从而起到防热作用。,1冲击波；2烧蚀后的气态产物；3多孔碳化层；4内部固体物；5熔融层；6气固交界层,复合材料在航空领域应用,图5.16*火箭及导弹所用烧蚀材料部位示意图（粗线）,2.飞机刹车盘,碳碳复合材料质轻、耐高温、吸收能量大、摩擦性能好，20世纪70年代以来，已广泛用于高速军用飞机和大型高超音速民用客机作为飞机的刹车盘。飞机使用了碳碳复合材料刹车盘后，其刹车系统比常规钢刹车装置的质量减轻680kg。碳碳复合材料刹车片不仅轻，而且特别耐磨，操作平稳，当起飞遇到紧急情况需要及时刹车时，碳碳复合材料刹车片能够经受住摩擦产生的高温。而到600时，钢刹车片的制动效果就急剧下降。,图为黄伯云展示用电子显微镜拍摄的碳纤维原子照片,图为炭炭复合材料航空刹车副的成品,2005.3.28上午，作为2004年国家科技奖励惟一的发言代表，黄伯云登上了人民大会堂高高的讲台。中南大学黄伯云课题组在新材料领域刻苦攻关，顽强拼搏，使我国成为世界上第四个掌握CC高性能制动材料的国家。回首20年“问鼎”之路，获奖后的黄伯云只用两个字形容“过瘾！”,2.飞机刹车盘,黄伯云院士是我国高新技术材料科学研究领域的知名专家、我国粉末冶金学科带头人，在航空航天高温复合材料及其它关键新材料的研究与产业化方面作出了突出贡献。他主持研究的高性能炭/炭复合材料获2004年国家技术发明一等奖。现任国家863高技术材料领域专家委员会主任、中南大学校长。,一般说来，C/C复合材料刹车盘的使用寿命可达15003000个起落，是其他刹车盘寿命的56倍。据测算，全球每年70%的C/C复合材料用作刹车盘。,长期以来，CC复合材料航空刹车副只有美、英、法三国能生产，垄断了国际市场，并实行严密的技术封锁，我国每年需进口数亿元CC刹车副。与国外同类产品相比，我国科学家不仅依靠独特技术路径制备生产出了CC复合材料航空刹车副，而且性能指标“一路攀高”：使用强度提高，耐磨性提高，寿命提高，价格降低，生产效率提高，高能制动性能超过。即米能刹住的飞机，用我们的米就能刹住。中国民航总局颁发的第一个大型飞机CC刹车副零部件制造人批准书的获得，标志着我国实现了高性能航空制动材料国产化，具有显著社会和经济效益。第一，解决了我国高性能航空制动装置用材问题，确保国家航空战略安全；第二，其产品已应用于国内航线的大型飞机等，并已和俄罗斯签订合同为新型俄制图-、图-大型飞机提供CC刹车副；第三，利用该技术发的复合材料，已成功应用于航天火箭，获得了航天产品工艺定型书。飞机减重是以克来计算的，越重越耗油。全部采用我国CC复合材料刹车副的中型飞机，要比使用金属刹车副时轻公斤以上，使用寿命更是倍，飞机降落时刹车距离可大幅缩短。科研成果已经转化为现实生产力。中南大学粉末冶金研究院为此组建了湖南博云新材料有限公司，年年产CC刹车副多盘，包括其他刹车材料在内总产值达万。目前，年产值可达亿元的示范基地已建成。,2.刹车片（盘）,炭刹车盘是航天四院充分发挥航天技术优势自主研发成功的，填补了我国民用飞机炭刹车盘制造技术的空白，实现了大型民机炭刹车盘国产化的跨越式发展和我国航天新材料技术拓展应用的历史性突破，为装备国产大飞机刹车系统提供了保证。,2009年2月25日，特区珠海。航天四院研制生产的A320飞机炭刹车盘一举通过了功能性着陆、地面滑行刹车、中止起飞刹车等7个科目的飞行考核，首飞成功.通过机载数据、检验结果及飞行员感受三方面应用实践证明，航天四院研制生产的炭刹车盘（如下图所示）在刹车系统的匹配性及协调性、滑行刹车的机动性与操纵性、刹车力矩和热力学性能等方面完全可以与国外产品相媲美，且与飞机的刹车液压和防滑系统具良好兼容性，无需更改飞行手册给定的起飞和着陆参数，即可保证飞机的正常起降。预计产品使用寿命在3000次以上，比国外原装机炭盘的2100次起落水平提高了42%。,张立同摘取年度国家技术发明奖一等奖,张立同，中国工程院院士，西北工业大学教授，国防科技工业战线的杰出专家，长期致力于材料科学领域研究，她领导的课题组所完成的“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”摘取年度国家技术发明奖一等奖。这种摔不碎的新型陶瓷复合材料(连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料)是经过十年科技攻关研制出来的，它不但克服了陶瓷易碎的缺点，而且还可经受极高温度考验，用在航天领域，将能大大改善火箭等航天器的性能。该项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料，在国际上被公认为是反映一个国家先进航空航天器制造能力的新型热结构材料。它比铝还轻、比钢还强、比碳化硅陶瓷更耐高温、抗氧化烧蚀，而且克服了陶瓷的脆性，不会发生突发灾难性破坏。替代金属材料可解决目前航空航天器燃料至浪费的问题，以满足其向高速度、高精度、高搭载和长寿命发展的需求。产品价格与传统金属相当，解