非金属基复合材料

1、非金属基复合材料非金属基复合材料碳碳/碳碳 小组成员：黄凯，蔡雄，徐睿昭，方状小组成员：黄凯，蔡雄，徐睿昭，方状 班级：班级： 纺织工程纺织工程1103班班 国际学院国际学院 主要内容和要求主要内容和要求 1 了解 C/C复合材料的发展历史 2 掌握C/C复合材料的定义 3 掌握C/C复合材料的特征 4 掌握C/C复合材料的组成结构 5 掌握C/C复合材料的性能 6 了解C/C复合材料的应用 7 了解C/C复合材料的发展趋势展望 第一节第一节 C/C复合材料的发展历史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

2、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 现代飞机的平尾主要采用碳碳复合现代飞机的平尾主要采用碳碳复合 材料制造材料制造 C/C复合材料板材复合材料板材 C/C材料制成的椅子材料制成的椅子 第二节第二节C/C复合材料的定义复合材料的定义 C/C复合材料是以碳或石墨纤维为增强体， 碳或石墨为基体复合而成的材料。 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

3、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。 第三节第三节C/C复合材料的特征复合材料的特征 其主要特征为： 1.合材料所具有的可设计性； 2.量轻，其密度为1.652.0g/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； 7摩擦特性好，摩擦系数稳定，并可在0.2 0.45范围内调整； 8承载水平高，过载能力强，高温下不会熔化， 也不会发生粘接现象； 9使用寿命长，在同等条件下的磨损量

4、约为粉 末冶金刹车材料的1/31/7； 10热系数高、比热容大，是热库的优良材料； 11异的抗疲劳能力； 12有一定的韧性；维修方便 第第4节节C/C复合材料的组成结构复合材料的组成结构 主要成分包括：碳纤维骨架和碳基体主要成分包括：碳纤维骨架和碳基体 碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理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，如下图所示似人造石墨，是乱层石墨结构，如下图所示 图图2-1-1乱层石墨结构乱层石墨结构 学习此复合材料之前，首先我们先要了解碳纤 维化学性质 碳纤维是含碳量高于

5、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

6、多， 且成本低，选材范围广。 第五节第五节C/C复合材料的性能复合材料的性能 1.力学性能力学性能 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，

7、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， 广泛应用作耐烧蚀材料。 4.化学稳定性化学稳定性 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。 所以我们可以提高其抗氧化性，方法有所以我们可以提高其抗氧化性，方法有： 1.在浸渍树脂时加入抗氧化物质或在气相沉积时 加入其他抗氧化元素 2.用碳化硅涂层来提高其抗氧化能力 即将C/C复合材料制品埋在混合好的硅、碳化硅和氧化铝的粉末中， 在氩气保护下加热到17

8、10C并保持2h，可得到完整的碳化硅涂层。 第六节第六节C/C复合材料的应用复合材料的应用 1.C/C复合材料在先进飞行器上的应用复合材料在先进飞行器上的应用 C/C复合材料主要是受先进飞 行器的要求所推动，因此首先 在这些领域开始试用，战略导 弹，载人飞船以高速返回地球 通过大气层时，由于绝热压缩 空气阻力产生冲击波，使飞行 器表面温度急剧升高，最苛刻 的部位温度高达2760度。C/C 复合材料具有优良的耐烧蚀性 神六神六 伟大航天员杨 利伟和神六 神七载人飞船 2.C/C复合材料在刹车材料方面的应用复合材料在刹车材料方面的应用 由于C/C料不仅具有良好的耐高 温性， 而且还具有优异的耐磨损

9、性。 法国欧洲动力公司大量生产C/C材料刹车片， 用做飞机， 汽车和高速火车的刹车材料。 法国碳工业公司1994年开始批量生产汽车用 c/c复合材 料刹车片，并于当年使用C/C材料刹车片的 汽车出厂， 并批量生产。 日本将C/C材料用做飞机刹车材料已有10多 年的历史。 各种汽车刹车片 MP4-12C车身和底盘则选择单片式碳纤维及复合材 料打造，这样以来MP4-12C的将拥有更出色的动力 性和安全表现。 雪铁龙DS3 Racing限量版碳纤维四活塞刹 车卡钳 3、在固体火箭发动机喷管上的应用、在固体火箭发动机喷管上的应用 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

10、和良好的烧蚀轮廓，可提高喷管 效率1 %3%,即可大大提高了 SRM 的比冲。 C/ C 复合材料自上世纪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。 火箭发射场面 该复合材料还被应用在车身、内饰、座椅和车轮上，整车重量减少了 100 kilos。 这样做的结果就是0-62mph加速为3.2秒，极速351 kph(217mph)。安全性和底盘硬度得到加强，同时利用结合了 FIA规定的三角滚柱罩，轻质的碳纤维座椅和附加的4pt 赛车专 用安全带。 第第7节节C/C复合材料的发展趋势展望复合材料的发展趋势展望 C/C复合材料是耐温最高的材料，

11、其强度随 温度升高而增加，在2500C达到最大值， 同时它有良好的抗烧蚀性能和抗热震性能。 鉴于该材料独特的性能，在高温长寿命的 应用场合，它具有其他材料无可比拟的优 越性能，是今后高温材料发展的最主要趋 势。 C/C复合材料的发展主要受航空航天工业发展 的影响，因为它具有高的耐烧蚀性、耐热冲 击和超热环境下具有高强度等一系列优点， 被认为是载人环境中高性能的烧蚀材料。 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。 可以说哪个国家能够完全解决碳碳复合材料的问题 哪个国家就享有了发展高性能发动机的主动权。但 是C/C复合材料的

12、最大问题仍是抗氧化性能与制备 成本，因此目前还没有作为一般性的工业材料使用， 而其进一步的推广应用的出路也在减低成本，提高减低成本，提高 抗氧化能力抗氧化能力 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 参考文献参考文献 1陈华辉，邓海金，李明，等.现代复合材料M.北京:中国 物资出版社，1997 2赵宗桂，碳纤维及其复合材料的发展与应用J.甘肃科技， 2002（5）：12 3张晓虎，孟宇，张炜.碳纤维增强复合材料技术发展现状 及趋势J.纤维复合材料,2004,21(1):50 4郑子樵,封孝信,方鹏飞,等.新材料概论M.长沙:中南大学出 版社,2009.5 5曹晓明,武建军,温鸣,等.现金结构材料M.北京:化学工业出 版社,2005.4 6Zhang XD.Progress and trends of biomedical materials.Advanced materials industry,2000,12