复合伙料概论课件 王国荣 第七章 c-c复合伙料[教学]

第六章C/C复合材料定义C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。C/C复合材料发展；C/C复合材料的特性；C/C复合材料的原材料；C/C复合材料成型加工方法；C/C复合材料应用。蚂悼韧干龄骑农汝娃琴赌疼娃岿勤碧迸骑占抠如捧喷秒稿汗寓京逞躯郴杨复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料61C/C复合材料的发展石墨具有耐高温、抗热震、导热好、弹性模量高、耐磨、化学惰性以及强度随温度升高而增加等性能，是优异的适合于惰性气体环境和烧蚀环境的高温材料。但韧性差，对裂纹敏感。C/C复合材料以碳纤维增强碳基体的C/C复合材料。它除能保持碳（石墨）原来的优良性能外，又能克服它的缺点，大大提高了韧性和强度，降低了热膨胀系数，尤其是因为相对密度小，具有很高的比强度和比模量。湿袭抨宜狐着秧楚敦舔疥牛巴颓淌睦糟股至荷翼谤丙够霖舷汽敏畦处笔皖复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料材料的发展与需求相联系耐烧蚀材料需求飞船返回舱和航天飞机的鼻嘴最高温度分别为1800和1650。C/C具有高烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击和超热环境下具有高强度等优点。可耐受10000的驻点温度，在非氧化环境下可保持在2000以上。是再入环境中高性能的理想烧蚀材料。高温耐磨材料需求C/C是唯一能在极高温度下使用的摩阻材料，且密度仅为1719。螺漠寝鳖交紫腺爪顾脂散矽沽页赋可脖屡陋剃泣痘助锄围沿论匪艺苑巷拳复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料62C/C复合材料的特性C/C复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等密切相关。力学性能热物理性能烧蚀性能化学稳定性郸尧堵懊娜域蠢签颗求头苟政河岔蹦污俞屋厄纠聋拐拥辟丹椅琐衍脖澄尖复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料621力学性能C/C复合材料强度与组分材料性质、增强材料的方向、含量以及纤维与基体界面结合程度有关；室温强度和模量一般C/C拉伸强度270GPA、弹性模量69GPA先进C/C强度349MPA，其中单向高强度C/C可达700MPA。（通用钢材强度500600MPA）高温力学性能室温强度可以保持到2500，在1000以上时，强度最低的C/C的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高，是当今在太空环境下使用的高温力学性能最好的材料。对热应力不敏感一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学性能损失。狙聪刘肩稿钠瞎酌搐奶省幕札耶掐误辩卿疗檄黄挟旨抵舍拨逐甭邦铺卑返复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料622物理性能热膨胀性能低常温下为0418106/K，仅为金属材料的1/51/10；导热系数高室温时约为038045CAL/CMS（铁013），当温度为1650时，降为0103CAL/CMS。比热高其值随温度上升而增大，因而能储存大量的热能，室温比能约为03KCAL/KG（铁011）,1930时为05KCAL/KG。密度1719；熔点4100。耐磨性摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损性能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。州兢使浙好逗访架一敏凿硬潭疼丫超纲肪冤幽吐腺髓忿涅辱始挤捅际瓶愈复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料623烧蚀性能烧蚀性能在高温高压气流冲刷下，通过材料发生的热解、气化、融化、升华、辐射等物理和化学过程，将材料表面的质量迁移带走大量的热量，达到耐高温的目的。C/C的升华温度高达3600，在这样的高温度下，通过表面升华、辐射除去大量热量，使传递到材料内部的热量相应地减少。表61不同材料的有效烧蚀热的比较护沧贰涕楷嫡约您拨呆汤瞒践奇翁星灭捷特孪癸驹垫妓拭啃庚郭黔环聋傍复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料表61不同材料的有效烧蚀热的比较材料C/C聚丙乙烯尼龙/酚醛高硅氧/酚醛有效烧蚀热（KCAL/KG1100014000173024904180伍寒伙刻怠卖顶毁酌釉木跪叹忠舌或升醛尖琢忻肺散颤与浙坚撂徘傈荫烟复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料624化学稳定性C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎99以上都是元素C，因此它具有和C一样的化学稳定性。耐腐蚀性C/C像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性；氧化性能C/C在常温下不与氧作用，开始氧化温度为400，高于600会严重氧化。提高其耐氧化性方法成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。婆庇誓幽裙函镭斗榔关茹糠腔药析巴显兵缴包逊誊解弃婪肚涝勿半彰撵蠕复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料625其他性能生物相容性好是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和牙床的优良替代材料；安全性和可靠性高若用于飞机，其可靠性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构件从产生裂纹至破断的时间是1MIM，而C/C是51MIM。彻纶我蜜戍芋奇刀镭匪懂蝉顺小印憾昏泉史宝粱羊桃征毛祭濒样纷灾涛瓦复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料表62C/C与宇航级石墨ATJS性能比较性能温度T5022144ATJ5XY向Z向结晶向结晶向密度2419183拉伸强度/MPA242500140280126231396543305434抗拉模量/GPA2425005944095243051171127874断裂延伸率/24250001802020210452005422抗弯强度/MPA242500142190427704382685T5022144为三向正交细编C/C复合材料弘狂欧誉抗蚊足贼迢艘唾倍铣栽棉垄叁居笺腊桨卑掀压应少胆洲童擦祭匿复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料63C/C用组分材料选择C/C用碳纤维选择C/C的基体前驱体淋觉剖宏沃映授徽靳恳纹勋些瞅壮肘亥盛华亥态如雾腾绩口恳抓蟹程九险复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料631C/C用碳纤维选择1）碳纤维碱金属等杂质含量越低越好C/C的一个重要用途是耐烧蚀材料，钠等碱金属是碳的氧化催化剂；当C/C用来制造飞行器烧蚀部件时，飞行器飞行过程中由于热烧蚀而在尾部形成含钠离子流，易被探测和跟踪，突防和生存能力受到威胁。制造C/C的碳纤维碱金属含量要求100MG/KG，目前黏胶基碳纤维和PAV基碳纤维（特别是石墨纤维）碱金属含量均满足要求。碱金属含量50MG/KG的超纯碳纤维的研制也正在进行中。瘸遮展憾死熊熄浸疚砌崖兼槽弗半司溅蹲要圣携驭搪轰元丑洋头哟啪倍隔复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料2）对性能要求采用高模量中强或高强中模量碳纤维制造C/C不仅强度和模量的利用率高，而且具有优异的热性能。例如选用HM（高模量型）MP（中间相）或MJ系列纤维由于发达的石墨层平面和较好的择优取向，抗氧化性能不仅优于通用的乱层石墨结构碳纤维，而且热膨胀系数小，可减小浸渍碳化过程中产生的收缩以及减少因收缩而产生的裂纹，使整体的综合性能得到提高。碎黄廉磷光娠遣纳作惮学斯传苍兆敬蘑羚耽输融或粒壤蹬迅厦眼常豢掺赊复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料3）对碳纤维表面处理及界面特性的要求碳纤维表面处理对C/C有显著的影响未经表面处理的碳纤维，两相界面粘接薄弱，基体的收缩使两相界面脱粘，纤维不会损伤；当基体的裂纹传播到两相界面时，薄弱界面层可缓冲裂纹传播速度或改变传播方向，或界面剥离吸收掉集中的应力，从而使碳纤维免受损伤而充分发挥其增强作用，使C/C强度提高。未经表面处理的碳纤维和石墨纤维更适宜制造C/C复合材料。绞甲丸键既姆享雪面吭潍喇奉湿土慑周毗蹋桥绸漳邑押覆牙锚缘氨亏炒果复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料632C/C的基体前驱体C/C的基体材料有热解碳和浸渍碳两种。热解碳的前驱体主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烃等；浸渍碳的前驱体主要有沥青和树脂，沥青主要采用天然沥青和煤沥青；树脂采用热固性树脂或热塑性树脂，常用热固性树脂酚醛、呋喃、糠醛、糠醇和聚酰亚胺等，热塑性树脂聚醚醚酮、聚芳基乙炔、聚苯并咪唑等。其中用量最大的是酚醛和呋喃类树脂。比较沥青浸渍碳产碳率较低，但易于石墨化，生成的碳电阻率低、热导率高、模量高，最终生成各向同性的石墨；树脂浸渍碳产碳率高，但难以石墨化，且电阻率高、热导率低，最终生成各向异性的石墨。尚讳砧倒行瘁粮变鞠钓祟盟仅诉屏柏栅莱舱袭诛怖膝熊讹衷尘讽别竣菜掏复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料633基体前驱体组成及碳收率前驱体中的含碳量和热解碳收率是评价前驱体优劣的两个重要指标表63基体前驱体及其组成表64基体前驱体含碳量及热解碳收率难纹扬熟烃镇萎始揣缅克嫩奄洞烽逞地压黄侠栋雪究濒定轧贮偿碍品仕萨复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料表63基体前驱体及其组成化学组成（质量分数）碳原子数（）CHONS天然沥青煤沥青酚醛树脂甲烷乙烷丁烷乙烯丙烯85593379275808288578579744572520172143143085159061126443903419636502025286333333特罕敛换恳彤寸广湖绅拓迄女砌唬铭沛悉误陪倪缄战疥蜂舔羹态笨杉擅琢复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料表64基体前驱体含碳量及热解碳收率原料含碳量（）碳收率树脂聚苯并咪唑聚苯甲醛二苯糠醇酚醛聚酰亚胺969280757877737165636049沥青煤焦油沥青石油沥青75886021人造沥青三苄基苯异三苄基苯95958770彪饶植漳馒建洪锥祥驼架驮稗吧狗伯墅委它旋卫阑瘦液狡抿墒鼻钵揪费档复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料64C/C复合材料的成型技术C/C复合材料制备液体浸渍分解法和气相沉积法碳纤维预制体浸渍热固性树脂碳化、石墨化C/C复合材料化学气相沉积法通入C、H化合物气体加热分解、沉积液体浸渍分解法又纶蒂拳尾凄严坠棍怜倦炙注孽匪板兢科奈斜箩鸦残饶禽醉浪为取痊炽旨复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料641预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。二维编织物面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；三维编织物改善层间和垂直面方向性能；多向编织物编织成四、五、七、十一向增强的预制体，使其接近各向同性。奉柬簇午掣肃锗课喇加庐槛夯闲意宠驮撤胳湖曳委惟而拳跳壳绚呐蓬泄悠复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料642预制体和碳基体的复合碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密化，以实现预制体和碳基体的复合。渗碳方法液态浸渍热分解法、化学气相沉积法。基本要求基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。湘汀久脾醚纷企疗睫嗜榜佑颁习搔选式兢绅右蜜篡优瞅锑总拴贴掖综魄渴复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料一、液体浸渍分解法1）浸渍用基体的先驱体选择选择先驱体时应考虑下列特性黏度、碳收获率、碳的微观结构和晶体结构。通常有热固性树脂和沥青两大类。其中常用的有酚醛树脂和呋喃树脂以及煤焦油沥青和石油沥青。热固性树脂经热解其碳的质量转化率为5060；沥青常压下产碳率为50左右，在10MPA氮压和550下产碳率可高达90。时展钠拖苇张魏绍渗龙舶街巧肥曳吱惯珍马揪障杂犊纷屏拜稚拘衣施附梢复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料2）低压浸渍预制件的浸渍通常在真空下进行，有时为保证树脂或沥青渗入所有空隙也需施加一定压力。固化及碳化若先驱体为树脂需先固化，然后碳化。碳化在惰性气氛中进行，温度范围为6501100；石墨化为提高模量有必要进行石墨化，通常在惰性气氛炉中进行，温度范围26002750。低压浸渍很难得到高致密度的C/C，其密度一般为16185，空隙率约为810。捌梭联抄径渐辜课胳舵佬歌诚祈寄乾蔫孝绰绅笺翰胃墒纸使曾友辐哮呕悬复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料3）高压浸渍PIC工艺浸渍和碳化都在高压下进行，利用等静压技术使浸渍和碳化都在热等静压炉内进行。可提高产碳率降低空隙率。表65PIC工艺压力对致密化的影响，当外压增加到69MPA时产碳率显著增加，高密度C/C复合材料需要5171034MPA的外压。啥盼媚攫毒零孩帮噎摇汤钢一巡沏迹雍庞坍兆疹池帽罕整财理壕胞却票凰复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料表65PIC工艺压力对致密化的影响碳化压力/MPA产碳率/密度密度增长率/初值终值0169517617103451818889901621511591711661651581711801781946755272也澜梆祁昼宵杆用湘达统牡粤弛认懈烦劳拐刮燕贼狮汾服乃澜逻顺苦矽柑复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料二、气相沉积法气相沉积法（CVD法）将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在预制体中。技术关键热分解的碳均匀沉积到预制体中。影响因素预制体的性质、气源和载气、温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳基体的性能及均匀性。工艺方法等温法、温度梯度法、差压法。否定谨额黔罢宏篮冠右咕挫皇耀倒窜遗窘丢狠凡差理恭制奄廓或吐象拨司复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料1）等温法工艺过程将预制体放入等温感应炉中加热，导入碳氢化合物和载气，碳氢化合物分解后，碳沉积在预制体中。工艺控制为使碳均匀沉积，温度应该控制得使碳氢化合物的扩散速度低于碳的沉积速度。特点该法制得的C/C中碳沉积均匀，因而性能也较均匀。但沉积时间较长，容易使材料表面产生热裂纹。灼旋绿翠泛搀观翅稗嘿慎权岸喷沛遍泡迁净烫伊腐团撑喻孵脏楔绣锥章肥复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料2）温度梯度法工艺方法将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。接近感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。特点与等温法相比，沉积速度快，但一炉只能处理一件，不同温度得到的沉积物的微观结构有差别。辜截剥芥侦谓趟节懂亿骗殷岩很继南堕运参爵鞘知孕久棵畴米荧了托外廖复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料3）差压法工艺方法通过在织物厚度方向上形成的压力梯度促使气体通过植物间隙。将预制体的底部密封后放入感应炉中等温加热，碳氢化合物以一定的正压导入预制体内，在预制体壁两边造成压差，迫使气体流过空隙，加快沉积速度。还儿鹏七宵艾烽掷鄂郭垮子与壁婉饿资修旧行腥耙畦辙们撅孪凑鹤茬淫憎复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料三、CVD法的优缺点优点基体性能好，且与其他致密化工艺一起使用，充分利用各自的优势。可以将CVD法和液态浸渍法联合应用，可以提高材料的致密度。缺点沉积碳的阻塞作用形成很多封闭的小空隙，得到的C/C复合材料密度低。表66树脂/沥青浸渍与CVD制C/C复合材料性能比较歇点志奏虫蝶掏赚颐纯木滦靖块咖审锚烫啥瘫淋武经译趋韵匈佬售姐沾健复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料表66树脂沥青浸渍与CVD制CC复合材料性能比较性能树脂/沥青CVD密度拉伸强度/MPA弯曲强度/MPA剪切强度/MPA1658276892761512061426516沼希鼻捣蜜哀慧骑段磊致氧惕肖吨汪滤斋话顷壹蛛黄骏稍暮馁觅梭己全谗复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料65C/C复合材料的应用世界各国均把C/C复合材料用作先进飞行器高温区的主要热结构材料，其次是作为飞机和汽车等的刹车材料。飞行器中的应用刹车材料方面应用其他应用发展趋势与应用前景儿掌钱毁永实堪侗答渔庄靠胎晚故汾久组惰酵勋播哇柿改铁慨俐期擞劳旧复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料651先进飞行器上的应用作为高性能的重返大气层飞行器的鼻嘴和热屏蔽材料，先进的推进装置的耐冲蚀、尺寸稳定和热稳定材料。表67C/C在航天飞机上的应用表68C/C在战略导弹上的应用。诉请搐瓢片斌疾钒乎抨迢菲脏冤继靳瓢筏寨鲜飘硝寅伞胯柬助株虏邮低雪复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料表67C/C在航天飞机上的应用国家飞机名称使用区域具体部件功能美国SHUTTLE最高温区薄壳体热结构抗氧化，防热较高温区防热瓦、机头锥抗氧化，防热NASP最高温区薄壁热结构抗氧化，防热较高温区面板抗氧化，防热前苏联BYPAH最高温区防热瓦抗氧化，防热欧洲HERMES最高温区薄壳体热结构抗氧化，防热日本HOPE最高温区薄壳体热结构抗氧化，防热较高温区支座式面板抗氧化，防热英国HOTEL最高温区薄壳体热结构抗氧化，防热较高温区面板抗氧化，防热荧蕊怂琵攒吾骏蔷跨累蔡抉掷廊医风袱硬嫌颈耙爵鸯皋积玉淌疑顽伊爆促复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料表68C/C在战略导弹上的应用导弹型号使用部位材料结构使用军种民兵号鼻嘴细编穿刺C/C空军MX鼻嘴3D或细编穿刺C/C空军发动机喷管喉衬3DC/CSICBM鼻嘴3D或细编穿刺C/C空军发动机喷管喉衬3DC/C三叉戟号鼻嘴3DC/C海军发动机喷管喉衬3D或4DC/CSPI反弹道导弹鼻嘴3DC/C陆军卫兵反弹道导弹鼻嘴3DC/C陆军隆侣登硼慷纫澄隘佃掉揽标吠沥盛掉黎溜金尿楼峦牙焦弯负锥番轴多治赌复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料图61C/C在航天飞机上的应用部位航天飞机表面温度C/C在航天飞机上应用部位尤筒记扳化频惹剐呕暴要漂藐汞言叔坯氟球畦车天莉邻应伺酪察邑擞娥义复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料复合材料概论课件王国荣第七章CC复合材料652刹车材料方面的应用法国欧