碳碳复合材料的研究进展

1、碳碳复合材料的研究进展材料科学与工程学院 11n091820030 许明阳碳/ 碳(c/ c) 复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料, 具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能, 是一种新型的超高温复合材料。c/c 复合材料作为优异的热结构、功能一体化工程材料, 自 1958 年诞生以来 ,在军工方面得到了长足的发展, 其中最重要的用途是用于制造导弹的弹头部件。由于其耐高温、摩擦性好, 目前已广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件、飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机的热端部件、高功率电子装置的散热装置和撑

2、杆等方面。c/ c 复合材料种类多、性能各异, 为此人们针对特定的用途来设计合适的c/ c 复合材料。由于碳 / 碳复合材料具有以上特征, 自 20 世纪50 年代末问世起就引起了全世界的关注, 各发达国家纷纷投入这方面的研究。到 60 年代末至70 年代初 , 美国就将其用于火箭喷管, 英国用于协和号飞机刹车盘。自此碳/ 碳复合材料在欧美得到了很大发展。80 年代以后, 更多国家进入了这一研究领域, 在提高性能、 快速致密化工艺研究及扩大应用等方面取得很大进展。近两年, 我国中南大学、航天科技集团公司和西北工业大学科研人员分别用clvd( 化学液气相沉积) 法和clvi( 化学液相气化渗透)

3、 工艺制备出碳/ 碳复合材料 , 济南大学用rcld( 快速化学液相沉积) 制备出 1d 和 2d 碳 / 碳复合材料。 碳 / 碳复合材料由于制备周期长、 工艺复杂、 成本高等因素 , 其应用范围仅限于军事、高科技等领域, 而在民用领域远远尚未开发。1、碳/ 碳复合材料的制备工艺1.1 碳/ 碳复合材料的预成型体和基体碳在进行预制体成型前, 根据所设计复合材料的应用和工作环境来选择纤维种类和编织方式，预成型体是一个多孔体系，含有大量空隙。如三维碳/ 碳复合材料中常用的结构的预成型体中的纤维含量仅有40% ，也就是说其中空隙就占60% 。碳 / 碳复合材料的预成型体可分为单向、二维和三维，甚至

4、可以是多维方式，用短纤维增强: (1) 压滤法 ; (2) 喷涂法 ; (3) 热压法 ; (4) 浇注法。用连续长纤维增强: (1) 预浸布层压、铺压、缠绕等做成层压板、回转体和异形薄壁结构; (2) 编织技术 . 大多采用编织方法制备。在制备圆桶、圆锥或圆柱等预成型体时需要采用计算机控制来进行编织。碳/ 碳复合材料预成型体所用碳纤维、碳纤维织物或碳毡等的选择是根据复合材料所制成构件的使用要求来确定的，同时要考虑到预成型体与基体碳的界面配合。如选择刹车片材料， 一般多采用非连续的短纤维或碳毡来作增强相，以提高刹车片的抗震性；而一些受力构件则多采用连续纤维；在三维编织预成型体时，一般要求选择适

5、于编织、便于紧实并能提供复合材料所需的物理和力学性能的连续纤维。典型的基体碳有热解碳（cvd碳）和浸渍碳化碳。前者是由烃类气体的气相沉积而成；后者是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得。1.2 致密化处理1）cvd （cvi）工艺原理一般认为， cvd （cvi）经历以下过程：1）反应气体通过层流向沉积基体的边界层扩散；2）沉积基体表面吸附反应气体，反应气体产生反应并形成固态和气体产物；3）所产生的气体产物解吸附，并沿边界层区域扩散；4）产生的气体产物排除。cvd （cvi）过程受反应温度及压力影响较大。一般低温低压下受反应动力学控制；而在高温高压下则是扩散为主。工艺参量温度、压力、反应气体流量及

6、载气的流量、分压都会影响到 cvd过程的扩散 / 沉积平衡， 从而影响碳 / 碳复合材料的致密度和性能。控制好 cvd（cvi）过程沉积和扩散达到合理平衡是保证碳/ 碳复合材料密度和性能的关键。影响主要因素是温度和压力。将预成型体置于均温cvd （cvi）炉中，导入碳氢化合物气体，控制炉温和气体的流量和分压以控制反应气体和生成气体在孔隙中的扩散，以便得到均匀的沉积。为了防止孔隙的过早封闭， 应使反应沉积速率低于扩散速率。这样沉积速率将非常缓慢。为了提高制品的致密度，需要在沉积一定时间后，对制品机加工，除去已封闭的外表面，然后再进行沉积。如此循环，整个工艺需要长达数百上千小时的时间。2）化学液气

7、相沉积法将预制在整个沉积周期内始终完全浸泡在液体先驱体( 煤油 ) 里 , 预制体围绕在发热体上, 加热时由内向外产生温度梯度, 温度高处的煤油先气化, 沉炭 , 逐渐向外推移。 法国、美国已用clvd 法成功制备了碳/ 碳复合材料飞机刹车盘。不能持续供料, 中间需待炉体冷却才可加料 , 且需反复多次, 故时间长 , 效率低 . 另外 , 先驱体不能完全在炉内冷却, 而且这种方法距实际生产要求还相差甚远, 有待于进一步发展。 综上各种方法比较, 化学气相沉积(cvi) 法是制备高性能碳/ 碳复合材料的一种很有前途的方法, 但是 , 制备周期长 , 成本高 , 工序复杂是其不足之处 . 1.3

8、最终高温热处理常用温度： 1650-2800 ，目的在于使碳碳复合材料中的n、h、o 、 k等杂质元素逸出；使碳发生晶格结构变化，调节和改善某些性质，环境沉积过程中形成的应力。2. 碳/ 碳复合材料的性能特点2. 1 物理性能c/ c 复合材料在高温热处理后的化学成分, 碳元素高于 99 %,像石墨一样 , 具有耐酸、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。2. 2 力学性能c/ c 复合材料的力学性能主要取决于碳纤维的种类、取向、含量和制备工艺等。单向增强的 c/ c 复合材料 , 沿碳纤维长度方向的力学性能比垂直方向高出几

9、十倍。c/ c 复合材料的高强高模特性来自碳纤维, 随着温度的升高,c/ c 复合材料的强度不仅不会降低, 而且比室温下的强度还要高。一般的c/c 复合材料的拉伸强度大于270mpa ,单向高强度c/ c 复合材料可达700mpa 以上。在1000 以上 , 强度最低的c/ c 复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高. 2. 3 热学及烧蚀性能c/ c 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。 c/ c 复合材料是一种升华2 辐射型烧蚀材料, 且烧蚀均匀。通过

10、表层材料的烧蚀带走大量的热, 可阻止热流传入飞行器内部。因此该材料被广泛用作宇航领域中的烧蚀防热材料。2. 4 摩擦磨损性能c/ c 复合材料中碳纤维的微观组织为乱层石墨结构, 其摩擦系数比石墨高, 特别是它的高温性能特点 ,在高速高能量条件下摩擦升温高达1000 以上时 , 其摩擦性能仍然保持平稳, 这是其它材料所不具备的。因此,c/ c 复合材料作为军用和民用飞机的刹车盘材料越来越广泛。3. 碳/ 碳复合材料应用范围碳/ 碳复合材料自20 世纪 60 年代问世之初, 就受到航空航天、核能、军事以及许多民用工业领域的极大关注, 但直到今日 , 其仅仅主要在航空航天和军事领域中得到一定的应用,

11、 且 60 % - 70 % 是用作飞机刹车盘. 这主要是由于其制备工艺周期长、成本高昂( 比如制造一个飞机刹车盘需月余时间, 成本约达3 000 美元 ) , 以及抗氧化处理没有达到相应的水平. 因此 , 在广阔的民用领域中, 目前应用还极少, 但这毕竟是碳/ 碳复合材料未来应用上的必然发展趋势 . (1) 因其良好的生物相容性, 在生物医学方面, 可作人体骨骼的替代材料, 比如人工髋关节、膝关节、牙根等. (2) 汽车、赛车、飞机的制动系统. (3) 用碳 / 碳复合材料代替石棉制造熔融玻璃的滑道, 其寿命可提高100 倍以上(4) 制作高温紧固件. 在 700 以上 , 金属紧固件强度很低, 而碳 / 碳复合材料在高温下呈现优异承载能力, 可作高温下使用的螺栓、螺母、垫片等. (5) 制作热压模具和超塑性加工模具. 在陶瓷和粉未冶金生产中采用碳/ 碳复合材料制作热压模具 , 可减少模具厚度, 缩短加热周期, 节约能源和提高产量; 用碳 / 碳复合材料制作钛合金超塑性加工模具, 因其低膨胀性和钛合金的相容性, 可提高成型效率, 并减少成型时钛合金的折叠缺陷. (6) 制作加热元件. 与传统的石墨发热体强度低、脆, 加工与运输困难相比, 碳/ 碳复合材料的强度高 , 韧性好 , 可减少发热体体积, 扩大