碳碳共混材料

复合材料谢苹苹20104181041碳/碳复合材料碳/碳复合材料碳/碳复合材料的定义碳/碳复合材料的性能碳/碳复合材料的成型加工技术碳/碳复合材料的应用碳/碳复合材料的定义碳/碳复合材料是指以炭纤维或其织物为增强相，以化学气相渗透的热解炭或液相浸渍－炭化的树脂炭、沥青炭为基体组成的一种纯炭多相结构

简单来说:碳/碳复合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料碳/碳复合材料的性能性质：密度低、高比强度，比模量高、热传导性低、热膨胀系数断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀。对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能，是所有已知材料中耐高温性最好的材料2023/1/15碳/碳复合材料的性能物理性能热膨胀性能低：常温下为-0.4～1.8×10-6/K，仅为金属材料的1/5～1/10；导热系数高：室温时约为0.38～0.45cal/cm·s·℃（铁：0.13），当温度为1650℃时，降为0.103cal/cm·s·℃。比热高：其值随温度上升而增大，因而能储存大量的热能，室温比能约为0.3kcal/kg·℃（铁：0.11）,1930℃时为0.5kcal/kg·℃。密度：<1.7～1.9；熔点：4100℃。2023/1/15碳/碳复合材料的性能热学及烧蚀性能碳/碳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。因此可以被用作航天航空材料和刹车片材料。2023/1/15碳/碳复合材料的性能摩擦磨损性能碳/碳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1000C以上时,其摩擦性能仍然保持平稳,因此可用作刹车片材料。2023/1/15碳/碳复合材料的性能力学性能C/C复合材料强度与组分材料性质、增强材料的方向、含量以及纤维与基体界面结合程度有关；室温强度和模量一般C/C：拉伸强度>270GPa、弹性模量>69GPa

先进C/C：强度>349MPa，其中单向高强度C/C可达700MPa。（通用钢材强度500～600MPa）高温力学性能：室温强度可以保持到2500℃，在1000℃以上时，强度最低的C/C的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高，是当今在太空环境下使用的高温力学性能最好的材料。对热应力不敏感：一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学性能损失。碳/碳复合材料的性能化学稳定性C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎99%以上都是元素C，因此它具有和C一样的化学稳定性。耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性；氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始氧化温度为400℃，高于600℃会严重氧化。提高其耐氧化性方法—成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。碳/碳复合材料的性能其他性能生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和牙床的优良替代材料；安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构件从产生裂纹至破断的时间是1mim，而C/C是51mim。2023/1/15碳/碳复合材料成型加工方法碳化短纤维与沥青或树脂混合物预浸物CVD渗透石墨化碳/碳复合材料热压成型浸渍树脂戍沥青碳纤维成型物.碳纤维成型物石墨化的碳/碳复合材料碳/碳复合材料成型加工技术2023/1/15碳化（carbonization）将上述成形物在隔绝空气下热分解为碳和其他产物。石墨化：利用热活化将热力学不稳定的炭原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化。石墨化原因

碳元素其外部电子结构有两种:一种是Sp3杂化轨道，金刚石结构,C一C间为σ键。一种是SP2杂化,形成石墨片状结构,同一层中C一C为σ键层与层之间是π键。σ键很短很强，键长约0.142nm结合力很强，π键相对较弱。2023/1/15由上可知：σ键很短很强，π键相对较弱。因而导致了石墨碳具有各向异性，但沿层面方向具有优异的电、热和力学性能，通常情况下由于π键较弱,往往导致层与层间的堆垛不规则或无序，形成多晶碳。由于石墨碳的优异性能源于其有序的结构,因而将无序结构转变为有序结构是碳/碳复合材料制造与应用中非常关键。往往采用热处理等他能量输入的方法进行石墨化转变。2023/1/152023/1/15一.增强体(碳纤维)和基体的选择

碳纤维的选择常基于所设计材料的用途和使用环境。现在常用的碳纤维有三种，人造丝碳纤维,聚丙烯腈(PAN)碳纤维和沥青碳纤维。碳基体可以从很多碳源采用不同的方法获得，典型的基体有树脂碳和热解碳，前者是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得，后者由烃类气体的气相沉积而成。碳/碳复合材料成型加工技术2023/1/15二.碳/碳复合材料坯体的成型

在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，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多向织物是研究的的重点，目前以三向织物为主，三向织物的细编程度越高，碳/碳复合材料的性能也就越好碳/碳复合材料成型加工技术2023/1/152D生产成本低在平行于布层的方向拉伸强度较高容易制成大尺寸形状复杂的部件3D及多向编织具有更好的结构完整性和各向同性碳/碳复合材料成型加工技术2023/1/15三.坯体的致密化工艺

碳/碳复合材料坯体致密化是向坯体中引入碳基体的过程，实质是用高质量的碳填满碳纤维周围的空隙。以获得结构、性能优良的碳/碳复合材料。主要包括：化学气相法（CVD）

液相浸渍碳化法碳/碳复合材料成型加工技术2023/1/15化学气相法（CVD）

化学气相法是直接在坯体孔内沉积碳，以达到填孔和增密的目的。化学气相法包括脉冲法，等温法、热梯度法、压差法、等离子体辅助CVD法等。优点是沉碳易石墨化，且与纤维之间的物理兼容性好，易于获得性能良好的碳/碳复合材料。缺点是制备周期太长，生产效率低，对于厚制品，此法也存在着一定的困难。2023/1/15液相浸渍碳化法

液相浸渍法设备比较简单，适用性广泛，它是将碳纤制成的预成型体浸入液态的浸渍剂中，通过加压使浸渍剂充分渗入到预成型体的空隙中，再通过固化碳化石墨化等一系列过程的循环，最终得到复合材料。缺点是要经过反复多次浸渍碳化的循环才能达到密度要求。优点是技术简单，容易制得尺寸稳定的制品。2023/1/15热梯度法与均热流类似，其过程也受气体扩散所支配，但因炉压较高，铅坯体厚度方向可形成一定的温差沉积周期短，制品密度高，性能比均热法更好。但重复性差热梯度法2023/1/15压差法沿坯体厚度方向造成一定的压力差，反应气体被强行通过多孔坯体沉积速度快，渗透时间较短，沉积的碳也较均匀，适用于外部透气性低的部件C/C复合材料的应用世界各国均把C/C复合材料用作先进飞行器高温区的主要热结构材料，其次是作为飞机和汽车等的刹车材料。飞行器中的应用刹车材料方面应用其他应用先进飞行器上的应用作为高性能的重返大气层飞行器的鼻嘴和热屏蔽材料，先进的推进装置的耐冲蚀、尺寸稳定和热稳定材料。例如:碳/碳复合材料作导弹的鼻锥时,烧蚀率低且烧蚀均匀,从而可提高导弹的突防能力和命中率C/C在航天飞机上的应用部位航天飞机表面温度C/C在航天飞机上应用部位航天应用2023/1/15刹车材料方面的应用法国欧洲动力公司大量生产C/C刹车片，用作飞机（如幻影式战斗机）、汽车（如赛车）和高速火车的刹车材料。波音747上使用C/C刹车装置，大约使机身质量减轻了816.5kg。日本C/C用作飞机刹车材料已有10年的历史。日本协和式超音速客机共8个轮，刹车片约用300kgC/C复合材料，可使飞机减轻450kg。用作F-1赛车刹车片，可使其减轻11kg。其他方面的应用医疗：C/C与人体组织生理上相容，弹性模量和密度可以设计得与人骨相近，并且强度高，可做人工骨。工业生产：美国用作玻璃工业中的热端、高温模具、高温真空炉内衬材料；核反应堆零件、电触头、热密封垫和