碳碳复合材料

1、第6章碳/碳复合材料，1，主要内容，1，碳/碳复合材料简介2，碳/碳复合材料性质3，碳/碳复合材料应用4，碳值得注意的是C/C的发现是偶然的。1958年，美国一家航空公司研究所在进行Cf增强裴秀智基复合材料实验时，偶然碳酸化树脂，获得了一种碳材料。研究人员没有处理，而是用新材料Cf/C进行了研究，开发了一系列C/C复合材料。C/C复合材料出现后不久就受到重视，并应用于航天、火箭、导弹、航空等技术领域，也应用于其他领域。3，c/c是碳基体的碳基复合材料，由Cf或Cf产品(布、毡、织物)加强。C/C组件只有C，因此具有碳材料(包括石墨)的优点。密度低。高导热系数；低热膨胀系数(cte)；超高温机械

2、性能；对热冲击等不敏感等c材料的最大弱点是容易氧化，一般从375以上开始出现明显的氧化现象。因此，C/C在高温下使用必须经过抗氧化处理。4，碳/碳复合材料首先通过碳纤维预铸多孔预制、浸渍裴秀智(或沥青)碳化或化学气相沉积/渗透(CVD/CVI)填充多孔预制材料的孔隙率获得。根据实际应用构件的外观和使用要求设计预制构件的配置，可以获得徐璐其他结构的碳/碳复合物。例如，二维、三维(三维正交、三维编织)等碳/碳复合构件。形成碳/碳复合表面的SiC可获得梯度“陶瓷碳/碳复合材料”。5，2，碳/碳复合材料特性，1，常温机械特性，高性能单向增强和正交强化C/C的性能，典型三维正交C/C的性能，6，1，机械

3、性能高温性能，未氧化气氛中的碳/在高温下，碳/碳复合材料的强度进一步提高。7，8，1，机械性能和碳材料的比较，C/C复合材料的机械性能在室温和高温下明显高于基体中的碳材料。9，2，摩擦特性，碳/碳的高温摩擦特性稳定；在制动过程中，高吸收动能能大大提高飞机的制动性能。密度低，可以大大减轻飞机刹车装置的重量。摩擦系数：在0.2-0.3高温下稳定。在飞机制动过程中，制动盘的整体温度可达500，表面最高温度可达1500以上。动能吸收：10-1050 kj/kg使用过去钢/金属陶瓷制动盘吸收动能300-500kJ/kg，飞机起飞次数：1500-3000次钢/金属陶瓷制动盘800-1000次飞机刹车；A-

4、320减重550公斤，10，11，3，应用碳/碳复合材料，(1)摩擦和抗磨损材料，(2)切削材料，(3)隔热，导热材料，(4) 大大提高喷嘴的可靠性，c/c喷嘴轻量，大大降低喷嘴结构的质量，3050%，固体火箭发动机喷嘴，18，C/C复合轻质，高温，稳定性和可靠性，导弹，航天飞机头锥和法兰，19， (5)生物材料，人工心脏瓣膜人工骨骼顾颉刚还原材料，25，4，碳/碳复合材料准备，26，在碳/碳复合材料准备过程中的几个重要环节：预制基质碳裴秀智(沥青)浸渍碳化工艺CVD 自由形式(Preform或自由形式)是二维、三维或多维的，由具有3070孔的碳纤维层、板、体等形式编织而成。也可以直接用浸渍树

5、脂或沥青的碳纤维挤出。有的用挤出的层(二维)或毡堆起来，在z方向做碳纤维制成的预制材料。总之，C/C复合材料的性质、外观取决于预制件的造型和碳纤维的分布方式。28，用各种编织方法制作的预制，29，用三维正交碳纤维增强的C/C及其微结构，三维正交预制，30，5维预制，31，飞机制动盘预制，32，C/C复合浸渍剂的选择原理：碳化比：希望碳化比高，效率高；粘度：容易渗入碳纤维，容易流入预制空位。碳化后能否形成开口裂纹或气孔？碳化后强度：碳化后收缩是否破坏预制体的结构；微结构：对C/C复合材料的性能价格有利吗？越符合上述条件，价格就越便宜。裴秀智(沥青)浸渍-浸渍剂的碳化要求，37，裴秀智和沥青特性，

6、38，裴秀智和沥青碳化特性，苯酚和呋喃裴秀智碳化特性苯酚和呋喃裴秀智高温热解后碳化，结果碳为无定形碳微晶结构，卵层结构。偏振显示出各向同性，没有偏振的效果。一般来说，裴秀智碳是硬质碳或石墨化碳。39，沥青碳化特性沥青由多种多环芳烃组成。热固性沥青烯(BS):不溶于石油醚，但溶于苯和甲苯。裴秀智：不溶于苯和甲苯，但溶于喹啉或吡啶。裴秀智(QI):对喹啉或吡啶不溶、高分子量的芳香化合物。沥青碳化速度0.95QI0.85(BI-QI) (0.3-0.5)BS因此，沥青的碳化速度随高分子量芳香族化合物含量的增加而增加。最高碳化比率达90，但与碳化时的压力有关。随着碳化压力的提高，低分子量物质被挥发，气

7、化，在压力下热分解，产生固体沥青碳。裴秀智和沥青炭化特性，40，沥青炭化特性，41，沥青炭化特性，沥青的压力炭化特性，(1)低分子量材料的挥发性气化，脱氢，缩合，分解和分子重排，以及平面芳环分子的形成；(2)各向同性液体沥青形成400多个液晶中间相。(3)中间相扭曲变形、聚集和层状分子结构的碳硬化；(4)这种分层排列的分子结构中的碳在2002500容易形成各向异性碳(石墨化的可能性)。42，沉积碳(CVD碳)是含碳烷烃、日元、炔有机化合物前驱体，是热解后在预制碳纤维中沉积的碳。CVD碳的前驱体主要是甲烷、丙烷、乙烷、丙烷、乙炔或乙炔，如果将CVD /CVI工艺用于C/C复合体，则还可以使用天然

8、气作为前驱体。液态气化CVD(CLVD)使用煤油和其他含碳的前驱体。沉积碳，43，沉积碳，沉积碳通过CVD/CVI在预制碳纤维表面沉积热分解碳，并持续增厚。CVD/CVI工艺原理可以有以下过程：反应气体通过层流渗入预制孔(孔)，沿碳纤维表面(沉积基板)的边界层扩散；在纤维表面吸附反应气体时，反应气体在沉积基板上的热分解反应，如甲烷，CH4(g)c(s)2 H2(g)；反应产生的固体碳沉积在碳纤维表面(沉积基板)。结果气体H2吸附在沉积基底上，沿边界层区域扩散到气孔开口。产生的反应产生的气体排放。44，沉积碳，沉积碳在沉积过程中受温度和压力的影响。事实上，热分解碳的沉积过程非常复杂，目前还没有完

9、全清楚碳原子在纤维表面是如何沉积的，后来又是如何沉积碳的。关于沉积碳的沉积原理，欢迎感兴趣的学生作为“小论文”的研究主题标题阅读文献，然后写为“小论文”。45，46，47，3，裴秀智(沥青)浸渍炭化工艺，48，裴秀智液体浸渍-炭化工艺，裴秀智液体浸渍-炭化工艺作为浸渍剂介绍：49以轻微的交联和溶剂中溶解的长链为特点。浸渍前用有机溶剂稀释酚醛树脂，降低其粘度，溶剂可在固化、碳化过程中挥发；一般液体酚醛树脂浸渍在预制件的气孔，使树脂完全交联，交联产生的水分在碳化前排出；预固化预制件的碳化温度约为6001000，酚醛树脂的碳化速度与压力无关，大气压力下的碳化，碳化速度为5060；树脂碳化后产生大收缩

10、。常规浸渍碳化必须通过56次，才能达到预制体的致密要求(1.71.8g/cm3)。50，碳化工艺的热处理温度对体积收缩的影响浸渍-碳化循环次数对致密化的影响，裴秀智液体浸渍-碳化工艺，51，裴秀智液体浸渍-碳化工艺，收缩曲线反映苯酚裴秀智碳化的体积收缩特性：温度低于500时主要收缩，形成水蒸气，体积收缩约40在600700之间，树脂再加热甲烷和CO，体积收缩到50。之后，随着温度的增加，树脂经历脱氢，体积收缩几乎没有变化，趋于稳定；温度高于2000(碳化后热处理)时，裴秀智碳层结构的网状阵列湍流程度减弱(倾向于石墨结构)，出现裂纹，体积略有增加。裴秀智碳由于树脂的化学结构重排，比石墨化难，主要

11、是各向同性裴秀智碳。，52，53，周期浸渍炭化曲线反映浸渍炭化工艺特性。在13号浸渍碳化过程中，复合材料的密度快速增加，从预制密度(约1.21.3g/cm3)增加到1.6g/cm3以上。从第四循环浸渍碳化开始，每个复合材料的密度增加相对较慢。为了减少浸渍碳化次数，提高浸渍碳化效率，提高复合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺形成压力浸渍碳化工艺(pic，pressure impregnation carbonization)。也应用于沥青液体浸渍碳化过程。54，图示工艺在1大气压力下浸渍炭化工艺对复合材料密度的影响，55，沥青液体浸渍-炭化工艺，沥青液体浸渍炭化工艺和树脂相似，但根据沥青的特性

12、有所不同。主要是沥青软化点低。熔化后粘度低，容易浸渍。分子量大的芳香族分子在压力下可以热分解，转化为碳。碳化后基体沥青碳石墨化等。图示工艺沥青液体压力浸渍炭化工艺在大气压力下，250下首先浸水，然后在此温度下从压力到100MPa压力浸渍后，650碳化继续进行。/C复合材料需要多次PIC过程。56，HIPIC工艺，HIPIC工艺是在差压浸渍碳化工艺，即常压炉中执行PIC工艺。该工艺进一步减少了浸渍碳化次数，以高密度获得了性能优良的沥青碳基体的C/C复合材料。57，HIPIC工艺，58，HIPIC工艺：将压力浸渍沥青放入石墨罐中，并用沥青填充；密封石墨罐、排气(真空)和放置HIP furnace的

13、工作区；按照工艺规范加热、加压；低温(180)时，沥青被压缩成预制形式。在高温和HIP下，沥青的挥发性被碳化，同时沥青防止自由形式的泄漏。街舞每次需要13天。59，4，CVD/CVI过程，processing of carbon/carbon composite by chemical vapor deposition(CVD)过程，60，等温：压力拔模方法；温度梯度法；温度梯度法；研究；温度梯度法；温度梯度法；温度梯度法；温度梯度法；温度梯度法；温度梯度法；温度梯度法；温度梯度法；温度梯度法；温度梯度法。化学液体气相沉积法(Chemical Liquid Vapour Deposition，

14、CLVD)，62，等温CVD方法，等温过程是目前C/C复合材料制备中最常用的方法。等温方法意味着当预制体填充CVD碳时，整个预制体处于相同的温度。等温法的特点是可以生产大型C/C复合零件，可以在同一高炉生产多个零件。63，两者的区别是CVD炉压。真空等温法首先将预制主体所在的CVD炉置于真空(低真空)，使用预制主体置于真空中，反应气体更容易渗透预制主体扩散的空隙。压力等温法，CVD火炉不提前抽真空，而是利用反应气体的压力渗透预制气孔。等温法一般分为真空等温压力等温法。64，真空等温过程：反应气体，例如丙烷(C3H8)，以H2，N2，He或Ar气体作为负载，作为CVD炉，反应气体流100-500ml/min；炉压为1-150 Torr(mmHg柱)，炉(装配)温度约为950-1150；沉积速度约为1-2.5m/h；CVD沉积时间：石墨化约60-1