{JZ}炭炭复合材料231

1、炭炭复合材料一、综述炭炭复合材料 () 是由炭纤维及其制品 ( 炭毡或炭布 ) 增强的炭 纤维复合材料。的组成元素只有一个，即碳元素，因而具有许多炭和 石墨材料的优点，如密度低 ( 石墨的理论密度为 )和优异的热性能， 即高的导热性、 低热膨胀系数以及对热冲击不敏感等特性。 作为新型 结构材料，还具有优异的力学性能，如高温下的高强度和模量，尤其 是其随温度的升高， 强度不但不降低， 反而升高的特性以及高断裂韧 性、低蠕变等性能。这些特性，使复合材料成为目前唯一可用于高温 达 c的高温复合材料。复合材料在航空航天、核能、军事以及许多 工业领域受到极大关注。二、复合材料的应用世界各国均把复合材料用

2、作导弹及先进飞行器高温区的主要 热结构材料，随着材料性能的不断改进，其应用领域逐渐拓宽。 、航空航天领域的应用包括先进飞行器上的应用、 固体火箭发动机喷 管上的应用、刹车领域的应用等。、生物学上的应用骨修复上复合材料能控制孔隙的形态， 这是很重要 的特性，因为多孔结构经处理后，可使天然骨骼融入材料之中，目前 复合材料在临床上已有骨盘骨夹板和骨针的应用 ; 人工心脏瓣膜中耳 修复材料也有研究报道 ;人工齿根已取得了很好的临床应用效果。三、性能() 物理性能有耐酸、碱和盐的化学稳定性，其比热容大，热导率随石墨化程度的 提高而增大，线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等优越性能。() 力学性能炭纤维长

3、度方向的力学性能比垂直方向高出几十倍， 复合材料的拉伸 强度大于 ，单向高强度复合材料可达 以上。() 热学及烧蚀性能 复合材料导热性能好、热膨胀系数低，因而热冲击能力很强，不仅可 用于高温环境，而且适合温度急剧变化的场合。其比热容高，这对于 飞机刹车等需要吸收大量能量的应用场合非常有利。四、制备()液相浸渍工艺 液相浸渍工艺是制备复合材料的一种主要工艺。 它是采用含炭有机物 对坯体进行浸溃，然后在惰性气氛下炭化、石墨化，从而得到复合材 料。所需的工艺周期要短，成本要低，缺点是纤维与基体结合不好。 ()化学气相渗积工艺 沉积炭的过程是气相碳氢分子在加热的纤维表面上 “裂解”沉积出炭， 副产物氢

4、排掉。为炭填充的是纤维骨架中的空洞，整体不缩小，集体 不收缩，不会产生像浸渍树脂和沥青方法中基体出现的裂纹， 材料性 能特别优异。() 等温法该工艺是将纤维预制体置于等温反应室内， 在一定的反应压力下， 让 前驱体气体不断从预制体表面流过， 靠气体的扩散作用， 气体进入样 品孔隙内发生热解反应并发生沉积。五、复合材料的结构 ()基体炭的结构随着炭材料研究领域的拓展与表征方法的不同， 研究者对热解炭 微观组织结构进行不同层次的划分。 等率先利用偏光显微镜对不同微 观组织的热解炭进行分类， 他们把热解炭分为三种基本类型： 各向同 性、层状、粒状或柱状结构。该分类方法被广泛用于表征流化床中不 同条件

5、下沉积在球形颗粒表面的热解炭结构。 也有通过深入研究化学 气相渗积法沉积在炭毡上的热解炭结构， 根据热解炭在偏光显微镜下 显示的消光十字，提出三种典型结构：各向同性结构，几乎没有消光 十字。光滑层具有十分规则的消光十字。 粗糙层具有大量不规则的消 光十字。() 炭纤维的结构炭纤维是纤维状的炭材料，由有机纤维原丝在 C以上的高温下 炭化形成， 且含碳量在以上的高性能纤维材料。 通常采用的预制体是 由聚丙烯腈 () 基炭纤维编织而成的。 基炭纤维是各项异性石墨微晶沿 纤维轴向择优取向的同质多晶型复合材料体系。但有人认为： 石墨微晶的层平面在皮层沿纤维轴向排列有序， 芯 部呈现褶皱的紊乱形态， 并在

6、石墨层片之间存在错综复杂的空洞系统。 也有人提出的微原纤维模型认为， 微原纤维是炭纤维的基体结构单元， 有个基体炭网面构成微原纤维，再由它沿轴向择优取向排列，堆叠 成条带结构。炭纤维表面上有沟槽，沟槽宽度和深度不等，平行于纤维轴向排列。()桌面结构对于复合材料来说， 桌面层起着把施加在整体材料上的力由基体 传递给炭纤维的作用。 与其它纤维复合材料相比， 复合材料的桌面结 构具有以下几个特点： () 结构多层次： 复合材料中存在不同层次的桌 面层，如炭纤维束内以及束间的纤维基体桌面， 基体内不同微观结 构之间的桌面，基体与孔隙之间的桌面等。 () 形成过程逐步完成。 () 结构强烈地依赖于原材料和工艺条件。() 孔