碳-碳复合材料

先进材料的制备及加工技术江苏大学材料科学与工程学院1第五讲纳米复合材料5.1概述5.2聚合物基纳米复合材料5.3陶瓷基纳米复合材料5.4金属基纳米复合材料5.5纳米复合材料的应用2第六讲碳/碳复合材料6.1概述6.2制造工艺6.3性能特点6.4应用36.1概述碳/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。4碳纤维的分类

当前，国内外巳商品化的碳纤维种类很多，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和碳纤维的用途等三种方法进行分类。5(1)聚丙烯腈基纤维；(2)粘胶基碳纤维；(3)沥青基碳纤维；(4)木质素纤维基碳纤维；(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。根据原丝类型分类6(1)高性能碳纤维在高性能碳纤维中，有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。(2)低性能碳纤维这类碳纤维中，有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。根据碳纤维的性能分类7受力结构用碳纤维，耐焰碳纤维，活性碳纤维(吸附活性)，导电用碳纤维，润滑用碳纤维，耐磨用碳纤维。根据碳纤维用途分类8碳纤维制备过程概述9提高碳纤维性能的方法10碳纤维致密化的主要措施111213146.2制造工艺二向增强——三维增强。碳纤维预制件——在预制件中渗入碳基体，浸渍—固化—炭化。纤维、织物的选择——基体先驱体的选择——预成型体成型——基体致密化——产品加工、检测。15炭纤维预制体是一种非均匀多孔介质,其内部孔隙结构呈现不规则性,使得反应气体在预制体孔隙网络中的扩散和沉积速率难以控制,成为制备性能优良的C/C复合材料的关键影响因素。石墨化是炭/炭(C/C)复合材料制备过程中最重要的工序之一，石墨化度是决定该材料性能的重要结构参数。利用XRD所测得的石墨层间距d002与理想石墨的层间距(0.3354nm)的相对差异来表示材料的石墨化度。16氧化保护抗高温氧化涂层抑制剂法17在不牺牲碳/碳复合材料良好的材料学性能的同时，尽可能地提高涂层抗氧化温度。延长碳/碳复合材料使用寿命，并降低涂层制备成本，简化涂层制备工艺，缩短制备周期是近年来碳/碳复合材料高温抗氧化涂层研究的主要方向。18炭化后的微观形貌19图(a)中1所示为炭毡的针刺纤维束；图(b)中2表明树脂炭与炭纤维之间存在脱粘现象；图(c)中3所示为炭纤维的断裂现象，这可能是在炭化过程中产生的；图(d)中4表明包覆住两根炭纤维的树脂炭产生了裂纹。206.3性能特点理化性能C/C复合材料比热容大，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。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。21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。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。22C/C复合材料的断裂韧性较碳材料有极大的提高，其破坏方式是逐渐破坏，而不是突然破坏，因为基体碳的断裂应力和断裂应变低于碳纤维。经表面处理的碳纤维与基体碳之间的化学键与机械键结合强度强，拉伸应力引起基体中的裂纹扩展越过纤维/基体界面，使纤维断裂，形成脆性断裂。未经表面处理的碳纤维与基体碳之间结合强度低，裂纹尖端的能量消耗在碳纤维的周围区域，碳纤维仍能继续承受载荷，从而呈现非脆性断裂方式。23热学及烧蚀性能抗热冲击能力很强，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-辐射型烧蚀材料，且烧蚀均匀。通过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。C/C复合材料被广泛用作宇航领域中的烧蚀防热材料。24多向编织复合材料轴向和径向试件烧蚀表面显微形貌25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。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。266.4应用碳/碳复合材料具有高比强度、比模量，耐烧蚀，热导率高，热膨胀低以及对热冲击不敏感等优异的性能。首先在航空航天和军事领域得到了应用。随着技术进步和制造成本的降低，逐渐在很多民用工业领域得到了应用。2728293031航天四院43所飞机炭刹车盘达到国际一流

32洲际导弹鼻锥、固体火箭发动机喷管、飞机刹车盘、航空发动机的燃烧室等。为了提高抗氧化和抗磨损能力，往往要用陶瓷（如SiC）涂覆。在民用上，为了实现汽车的轻量化，从发动机部件直到车顶内外衬、侧门等。另外，还用于高温发热元件、热压模具和超塑性成型模具等。333435超塑性363738碳与人体骨骼、血液、软组织的生物相容性是已知材料中最佳的材料。碳/碳复合材料可以作为人体骨骼的替代材料，如人工髋关节、膝关节、牙根植入体等。目前使用比较多的不锈钢或钛合金人工关节，寿命为7~10年。3940碳/碳复合材料的连接碳/碳复合材料汽化温度超过3000℃，不能采用传统的熔化方法进行焊接。最简单的连接方法就是机械连接，即采用螺栓、螺钉等机械紧固的方式实现碳/碳复合材料的连接。由于机械连接需要在碳/碳复合材料上打孔，势必对材料的微观结构造成损伤；同时螺栓和孔洞等边角位置容易产生应力集中，往往会导致构件低应力破