碳碳复合材料的制备方法学习教案

1、会计学1碳碳复合材料碳碳复合材料(f h ci lio)的制备方法的制备方法第一页，共36页。第2页/共36页第二页，共36页。v碳/碳复合材料由三种不同组分构成，即树脂碳、碳纤维和热解碳。由于它几乎完全是由元素碳组成，故能承受极高的温度(wnd)和极大的加热速率。v通过碳纤维适当的取向增强，可得到力学性能优良的材料，通过碳纤维适当的取向增强，可得到力学性能优良的材料，在高温时这种性能保持在高温时这种性能保持(boch)(boch)不变甚至某些性能指标有所不变甚至某些性能指标有所提高。提高。 v碳碳/ /碳复合材料碳复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)抗热冲击和抗热导抗热冲

2、击和抗热导能力极强，且具有一定的化学惰性。能力极强，且具有一定的化学惰性。 第3页/共36页第三页，共36页。v 碳/碳复合材料的发展主要(zhyo)受宇航工业发展的影响。它具有高的烧灼热、低的烧蚀率，抗热冲击和超热环境下具有高强度等一些列优点，被认为是一种高性能的烧蚀材料。碳/碳复合材料可以(ky)作为导弹的鼻锥，烧蚀率低且烧蚀均匀，从而提高导弹的突防能力和命中率。第4页/共36页第四页，共36页。v 碳/碳复合材料还具有优异的耐磨擦性能(xngnng)和高的热导率，使其在飞机刹车片和轴承等方面得到了应用；它也可以作为飞机的刹车盘。C/C在航天领域(ln y)中的应用C/C作为(zuwi)刹

3、车盘第5页/共36页第五页，共36页。v 碳与生物体之间的相容性极好，再加上碳/碳复合材料的优异(yuy)力学性能，使之适宜制成生物构件插入到活的生物机体内作整形材料，如人造骨骼、心脏瓣膜等。人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜(bnm)人造人造(rnzo)骨骼关节骨骼关节第6页/共36页第六页，共36页。v鉴于碳/碳复合材料具有系列优异性能，它们在宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一般工业部门中得到(d do)了日益广泛的应用。v今后，随着生产技术的革新，产量进一步扩大，廉价沥青(lqng)基碳纤维的开发及复合工艺的改进，碳/碳复合材料将会有更大的发展。第7页/共36页第七页，共36页

4、。v碳/碳复合材料的成型加工方法很多，其各种工艺过程大致(dzh)可归纳为下图几种方法：第8页/共36页第八页，共36页。在沉碳和浸渍树脂(shzh)或沥青之前，增强碳纤维或其织物应预先成型为一种坯体。坯体可通过长纤维（或带）缠绕、碳毡、短纤维模压或喷射成型、石墨布叠层的方向石墨纤维针刺增强以及多向织物等方法制得。v 碳纤维长丝或带缠绕方法碳纤维长丝或带缠绕方法(fngf)，可根据不同的要求，可根据不同的要求和用途选择适宜的缠绕方法和用途选择适宜的缠绕方法(fngf)。第9页/共36页第九页，共36页。v 碳毡可由人造丝毡碳化或聚丙烯腈预氧化、碳化后碳毡可由人造丝毡碳化或聚丙烯腈预氧化、碳化后

5、制得。碳毡叠层后，可以制得。碳毡叠层后，可以(ky)碳纤维在碳纤维在X、Y、Z的方向三向增强，制得三向增强毡，如下图所示。的方向三向增强，制得三向增强毡，如下图所示。第10页/共36页第十页，共36页。v 喷射成型喷射成型(chngxng)是把切断的碳纤维是把切断的碳纤维 (约为约为0.025mm) 配制成碳纤维配制成碳纤维-树脂树脂-稀释剂的混合物，然稀释剂的混合物，然后用喷枪将此混合物喷涂到芯模上使其成型后用喷枪将此混合物喷涂到芯模上使其成型(chngxng)。第11页/共36页第十一页，共36页。v 用碳布或石墨纤维布叠层后进行针刺，可用空心细用碳布或石墨纤维布叠层后进行针刺，可用空心细

6、颈金属棒引纱。下图是颈金属棒引纱。下图是AVCD公司公司(n s)编织的编织的坯体。坯体。第12页/共36页第十二页，共36页。v 在坯体的研制在坯体的研制(ynzh)中，发展的重点是多向织物，如中，发展的重点是多向织物，如三向、四向、五向或七向等，目前是以三向织物为主三向、四向、五向或七向等，目前是以三向织物为主。 碳纤维从X、Y、Z三个方向互成90正交排列，三个方向的纱线并不交织，X和Y方向的纱线交替的叠层，Z方向的纱线起增强作用(zuyng)。因此XYZ方向的纱线并没有交织点，只有重合点，可充分发挥织物里每个纤维的力学性能。v 三维织物研究的重点在细编织三维织物研究的重点在细编织(bin

7、zh)及其工艺、各向及其工艺、各向纤维的排列对材料的影响等方面。纤维的排列对材料的影响等方面。第13页/共36页第十三页，共36页。v 三向织物的细编程度越高，碳/碳复合材料的性能越好，尤其是作为耐烧蚀材料更是如此。细编程度常用织物的正向间距(jin j)大小来衡量。v 正向间距(jin j)越小，编织程度越高，线的烧蚀率越低。v 在三向编织的基础上，对四向和七向编织物也进行了研在三向编织的基础上，对四向和七向编织物也进行了研究，四向织物是在相应于立方体的四个长对角线方向上究，四向织物是在相应于立方体的四个长对角线方向上进行编织，由于编织方向增多进行编织，由于编织方向增多(zn du)，改善了

8、三向织，改善了三向织物的非轴线方向的性能，使材料的各部分性能超于平衡物的非轴线方向的性能，使材料的各部分性能超于平衡，提高了强度（主要是剪切强度），降低了材料的热膨，提高了强度（主要是剪切强度），降低了材料的热膨胀系数。胀系数。第14页/共36页第十四页，共36页。碳/碳复合材料的碳基体有：树碳-合成树脂(h chn sh zh)或沥青经碳化和石墨化而得热解碳-由烃类气体的气相沉积而成两种碳的混合物 基体(j t)碳可通过化学气相沉积或浸渍高分子聚合物碳化来获得。第15页/共36页第十五页，共36页。（1）把来源于煤焦油和石油的熔融沥青）把来源于煤焦油和石油的熔融沥青(lqng)在加热条件下在

9、加热条件下浸渍到碳浸渍到碳/石墨纤维结构中去，随后进行热解和再浸渍。石墨纤维结构中去，随后进行热解和再浸渍。（2）已知有些树脂基体在热解后具有很高的焦化强度，热解）已知有些树脂基体在热解后具有很高的焦化强度，热解后的产物能够很有效后的产物能够很有效(yuxio)地渗入较厚的纤维结构，热解地渗入较厚的纤维结构，热解后必须进行再浸渍再热解，如此反复若干次。后必须进行再浸渍再热解，如此反复若干次。（3）通过气相（通常是用烷和氧气，有时还有少量氢气）通过气相（通常是用烷和氧气，有时还有少量氢气）化学沉淀法在热的基质材料（如碳化学沉淀法在热的基质材料（如碳/石墨纤维）上形成高石墨纤维）上形成高强度热解石

10、墨。也可以把气相化学沉积法和上述两种工强度热解石墨。也可以把气相化学沉积法和上述两种工艺结合起来以提高碳艺结合起来以提高碳/碳复合材料的物料性能。碳复合材料的物料性能。第16页/共36页第十六页，共36页。（4）把由上述方法制备）把由上述方法制备(zhbi)的但仍然是多孔状的碳的但仍然是多孔状的碳/碳复合材料在能够形成耐热结构的液态单体中浸渍，是碳复合材料在能够形成耐热结构的液态单体中浸渍，是又一种精制方法，可选用的这类单体很有限，但是由四又一种精制方法，可选用的这类单体很有限，但是由四乙烯基硅酸盐和强无机酸盐催化剂组成的渗透液将会产乙烯基硅酸盐和强无机酸盐催化剂组成的渗透液将会产生具有良好耐

11、热性的硅生具有良好耐热性的硅-氧网路。硅树脂也可以起到同样氧网路。硅树脂也可以起到同样的作用。的作用。第17页/共36页第十七页，共36页。v 用煤焦油沥青浸渍碳/石墨纤维可得碳/碳复合材料。目前已设计了一种高压浸渍碳化工艺（简称HPIC）来提高(t go)碳/碳复合材料的致密程度。v 工艺要点是：在热压罐中以大约工艺要点是：在热压罐中以大约100MPa压力下浸渍复压力下浸渍复合材料，工艺周期如下图所示：合材料，工艺周期如下图所示：第18页/共36页第十八页，共36页。第19页/共36页第十九页，共36页。第20页/共36页第二十页，共36页。在碳在碳/石墨纤维结构中浸渍石墨纤维结构中浸渍(j

12、nz)热解后的树脂基体，碳热解后的树脂基体，碳/石墨纤维增强树脂在随后的再浸渍石墨纤维增强树脂在随后的再浸渍(jnz)和再热解中会和再热解中会流下越来越多的焦化沉淀物。这样石墨纤维周围会出现流下越来越多的焦化沉淀物。这样石墨纤维周围会出现一层碳素物质，从而形成碳一层碳素物质，从而形成碳/碳复合材料。碳复合材料。第21页/共36页第二十一页，共36页。v采用合成树脂制备碳采用合成树脂制备碳/碳复合材料的原因：碳复合材料的原因：v在工艺低温度和低压力下具有低粘度这点上，合成树脂在工艺低温度和低压力下具有低粘度这点上，合成树脂比石油或煤焦油沥青强比石油或煤焦油沥青强v合成树脂的纯度比天然产物高，化学

13、结构更容易鉴定合成树脂的纯度比天然产物高，化学结构更容易鉴定(jindng)，沥青的成分常随产地和提炼方法而异。，沥青的成分常随产地和提炼方法而异。v比较容易得到含碳量高的树脂体系，并可能转化为耐高比较容易得到含碳量高的树脂体系，并可能转化为耐高温的碳素产物。温的碳素产物。第22页/共36页第二十二页，共36页。CVD可以可以(ky)用来代替碳用来代替碳/石墨纤维浸渍沥青或合成树脂基石墨纤维浸渍沥青或合成树脂基体的工艺过程，也可以体的工艺过程，也可以(ky)在碳在碳/石墨纤维浸渍基体之外再石墨纤维浸渍基体之外再用用CVD处理。处理。第23页/共36页第二十三页，共36页。v将甲烷之类的烃类气体

14、混合氢、氩之类的载气于将甲烷之类的烃类气体混合氢、氩之类的载气于10001100C进行进行(jnxng)热分解，在坯体的空隙中沉碳（热分解，在坯体的空隙中沉碳（如图所示）。如图所示）。第24页/共36页第二十四页，共36页。v在沉碳之前，含碳气体中先生成一些活性基团，然后在沉碳之前，含碳气体中先生成一些活性基团，然后与胚体纤维的表面接触进行沉碳。与胚体纤维的表面接触进行沉碳。v为 了 得 到 致 密 的 碳为 了 得 到 致 密 的 碳 / 碳 复 合 材 料 ， 在 沉 积 过 程碳 复 合 材 料 ， 在 沉 积 过 程(guchng)中必须让这些活性集团扩散到坯体的空隙内部中必须让这些活

15、性集团扩散到坯体的空隙内部，如果含碳量气体在通过坯体之前生成的活性基团的速，如果含碳量气体在通过坯体之前生成的活性基团的速度太快，则容易形成表面涂层，这对进一步渗透到内部度太快，则容易形成表面涂层，这对进一步渗透到内部不利，有碍于内部沉碳。不利，有碍于内部沉碳。第25页/共36页第二十五页，共36页。vCVD技术的通用性是显而易见的，这反映在多种多样技术的通用性是显而易见的，这反映在多种多样(du zhn du yn)的产物上面，例如，除了热解石墨以外，还的产物上面，例如，除了热解石墨以外，还有钛、硅和硼的碳化物。硅和钛的硼化物，都能利用有钛、硅和硼的碳化物。硅和钛的硼化物，都能利用CVD技技

16、术来大幅度地提高碳术来大幅度地提高碳/碳复合材料的物理性能。碳复合材料的物理性能。第26页/共36页第二十六页，共36页。根据实际操作情况，目前化学气相沉积基体碳主要采用四种方法(fngf)，即均热法、热梯度法、压差法和脉冲法：第27页/共36页第二十七页，共36页。此法渗透时间长，每一周需50120h，由于靠近(kojn)坯体表面的孔优先被填充，生成硬壳，故在渗透过程中要进行机械加工将其硬壳层除去，然后再继续沉碳。图4-47表示材料的密度和结构与沉积温度和压力之间有一定的关系。第28页/共36页第二十八页，共36页。温度、压力、气流和炉子的几何形状(xngzhun)都会影响热解碳和热解石墨的沉积速率。此外，还要采用适当的工艺措施以避免造成乌黑多灰的各向同性碳，因为这种碳不易石墨化。第29页/共36页第二十九页，共36页。此法沉积周期短，制品(zhpn)密度高，性能比均热法更好。存在的问题是重复性差，不能在同一时间内加工不同的坯体和多个坯体，坯体的形状也不能太复杂。第30页/共36页第三十页，共36页。此法沉积速度(sd)快，渗透时间较短，沉积的碳也较均匀，适用于外部透气