碳碳復(fù)合材料

1、我的工作展望My job perspective碳/碳復(fù)合材料戴凡12206030405應(yīng)化四班2022-4-7碳碳碳碳/ /碳復(fù)合材料簡(jiǎn)介碳復(fù)合材料簡(jiǎn)介碳碳/碳復(fù)合材料存在的不足碳復(fù)合材料存在的不足碳碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用及展望碳復(fù)合材料應(yīng)用及展望主要內(nèi)容主要內(nèi)容碳碳/碳復(fù)合材料制備工藝碳復(fù)合材料制備工藝2022-4-71. 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 定義：碳定義：碳/碳復(fù)合材料是指以碳纖維作為增碳復(fù)合材料是指以碳纖維作為增強(qiáng)體，以碳作為基體的一類(lèi)復(fù)合材料。強(qiáng)體，以碳作為基體的一類(lèi)復(fù)合材料。 性質(zhì)：密度低、高比強(qiáng)度，比模量高、熱性質(zhì)：密度低、高比強(qiáng)度，比模量高、熱傳導(dǎo)性低、熱膨脹系數(shù)斷裂韌性好、耐磨、傳導(dǎo)性低、

2、熱膨脹系數(shù)斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕。對(duì)宇宙輻射不敏感及在核輻射下耐燒蝕。對(duì)宇宙輻射不敏感及在核輻射下強(qiáng)度增加等性能，是所有已知材料中耐高強(qiáng)度增加等性能，是所有已知材料中耐高溫性最好的材料。溫性最好的材料。2022-4-7 物理性能物理性能 碳碳/碳復(fù)合材料在高溫?zé)崽幚砗蟮幕瘜W(xué)成分碳復(fù)合材料在高溫?zé)崽幚砗蟮幕瘜W(xué)成分, 碳元素高于碳元素高于99%, 像石墨一樣像石墨一樣, 具有耐酸、堿具有耐酸、堿和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性。其比熱容大和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性。其比熱容大, 熱導(dǎo)率隨熱導(dǎo)率隨石墨化程度的提高而增大石墨化程度的提高而增大, 線膨脹系數(shù)隨石線膨脹系數(shù)隨石墨化程度的提高而降低等墨化程度的提高而降低等。202

3、2-4-7 熱學(xué)及燒蝕性能熱學(xué)及燒蝕性能 碳碳/碳復(fù)合材料導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)低碳復(fù)合材料導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)低, 因而熱沖擊能力很強(qiáng)因而熱沖擊能力很強(qiáng), 不僅可用于高溫環(huán)境不僅可用于高溫環(huán)境, 而且適合溫度急劇變化的場(chǎng)合。其比熱容而且適合溫度急劇變化的場(chǎng)合。其比熱容高高, 這對(duì)于飛機(jī)剎車(chē)等需要吸收大量能量的這對(duì)于飛機(jī)剎車(chē)等需要吸收大量能量的應(yīng)用場(chǎng)合非常有利。因此可以被用作航天應(yīng)用場(chǎng)合非常有利。因此可以被用作航天航空材料和剎車(chē)片材料。航空材料和剎車(chē)片材料。2022-4-7 摩擦磨損性能摩擦磨損性能 碳碳/碳復(fù)合材料中碳纖維的微觀組織為亂層碳復(fù)合材料中碳纖維的微觀組織為亂層石墨結(jié)構(gòu)石墨結(jié)構(gòu),

4、 其摩擦系數(shù)比石墨高其摩擦系數(shù)比石墨高, 特別是它特別是它的高溫性能特點(diǎn)的高溫性能特點(diǎn), 在高速高能量條件下摩擦在高速高能量條件下摩擦升溫高達(dá)升溫高達(dá)1000 C 以上時(shí)以上時(shí), 其摩擦性能仍然保其摩擦性能仍然保持平穩(wěn)持平穩(wěn), 因此可用作剎車(chē)片材料。因此可用作剎車(chē)片材料。2022-4-7力學(xué)性能力學(xué)性能 碳碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于碳纖碳復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于碳纖維的種類(lèi)、取向、含量和制備工藝等。單維的種類(lèi)、取向、含量和制備工藝等。單向增強(qiáng)的碳向增強(qiáng)的碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料, 沿碳纖維長(zhǎng)度方沿碳纖維長(zhǎng)度方向的力學(xué)性能比垂直方向高出幾十倍。碳向的力學(xué)性能比垂直方向高出幾十倍。碳/

5、碳復(fù)合材料的高強(qiáng)高模特性來(lái)自碳纖維碳復(fù)合材料的高強(qiáng)高模特性來(lái)自碳纖維, 隨隨著溫度的升高著溫度的升高, 碳碳/碳復(fù)合材料的強(qiáng)度不僅碳復(fù)合材料的強(qiáng)度不僅不會(huì)降低不會(huì)降低, 而且比室溫下的強(qiáng)度還要高。而且比室溫下的強(qiáng)度還要高。2022-4-72.1碳/碳復(fù)合材料成型加工方法碳化碳化短纖維與瀝短纖維與瀝青或青或 樹(shù)脂樹(shù)脂混合物混合物預(yù)浸物預(yù)浸物CVD滲透滲透石墨化石墨化碳碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料熱壓成型熱壓成型浸漬樹(shù)脂戍浸漬樹(shù)脂戍瀝青瀝青碳纖維成型物碳纖維成型物.碳纖維成碳纖維成型物型物石墨化的碳石墨化的碳/碳碳復(fù)合材料復(fù)合材料2.制備工藝制備工藝2022-4-7 碳化（carbonization）

6、 將上述成形物在隔絕空氣下熱分解為碳和其他產(chǎn)物。 石墨化：利用熱活化將熱力學(xué)不穩(wěn)定的炭原子實(shí)現(xiàn)由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)的有 序轉(zhuǎn)化。 碳元素其外部電子結(jié)構(gòu)有兩種:一種是Sp3雜化軌道，金剛石結(jié)構(gòu) ,C一C 間為 鍵。一種是SP2雜化,形成石墨片狀結(jié)構(gòu),同一層中C一C 為鍵層與層之間是鍵。 鍵很短很強(qiáng)，鍵長(zhǎng)約0.142nm 結(jié)合力很強(qiáng)，鍵相對(duì)較弱。2022-4-7由上可知：由上可知： 鍵很短很強(qiáng)，鍵相對(duì)較弱。因而導(dǎo)致了石墨碳具有各向異性，但沿層面方向具有優(yōu)異的電、熱和力學(xué)性能，通常情況下由于鍵較弱,往往導(dǎo)致層與層間的堆垛不規(guī)則或無(wú)序，形成多晶碳。 由于石墨碳的優(yōu)異性能源于其有序的結(jié)構(gòu),因而將無(wú)序

7、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚪Y(jié)構(gòu)是碳/ 碳復(fù)合材料制造與應(yīng)用中非常關(guān)鍵。往往采用熱處理等他能量輸入的方法進(jìn)行石墨化轉(zhuǎn)變。2022-4-72022-4-72.1.1碳纖維和基體先驅(qū)物的選擇碳纖維和基體先驅(qū)物的選擇 碳纖維的選擇常基于所設(shè)計(jì)材料的用途和使用環(huán)境。現(xiàn)在常用的碳纖維有三種，人造絲碳纖維,聚丙烯腈(PAN) 碳纖維和瀝青碳纖維。 碳基體可以從很多碳源采用不同的方法獲得，典型的基體有樹(shù)脂碳和熱解碳，前者是合成樹(shù)脂或?yàn)r青經(jīng)碳化和石墨化而得，后者由烴類(lèi)氣體的氣相沉積而成。2022-4-72.2.2碳碳/碳復(fù)合材料坯體的成型碳復(fù)合材料坯體的成型 在沉碳和浸漬樹(shù)脂或?yàn)r青之前，增強(qiáng)碳纖在沉碳和浸漬樹(shù)脂或?yàn)r青之前，

8、增強(qiáng)碳纖維或其織物應(yīng)預(yù)先成型為一種坯體。坯體維或其織物應(yīng)預(yù)先成型為一種坯體。坯體可通過(guò)可通過(guò)長(zhǎng)纖維（或帶）纏繞、碳?xì)?、短纖長(zhǎng)纖維（或帶）纏繞、碳?xì)?、短纖維模壓或噴射成型、石墨布疊層的方向石維模壓或噴射成型、石墨布疊層的方向石墨纖維針刺增強(qiáng)墨纖維針刺增強(qiáng)以及以及多向織物多向織物等方法制得等方法制得 多向織物多向織物是研究的的重點(diǎn)，目前以是研究的的重點(diǎn)，目前以三向三向織織物為主，三向織物的細(xì)編程度越高，碳物為主，三向織物的細(xì)編程度越高，碳/碳碳復(fù)合材料的性能也就越好復(fù)合材料的性能也就越好2022-4-72D 生產(chǎn)成本低生產(chǎn)成本低在平行于布層的方在平行于布層的方向拉伸強(qiáng)度較高容向拉伸強(qiáng)度較高容易制成

9、大尺寸形狀易制成大尺寸形狀復(fù)雜的部件復(fù)雜的部件3D 及多向編織及多向編織具具有更好的結(jié)構(gòu)完整有更好的結(jié)構(gòu)完整性和各向同性性和各向同性2022-4-72.3 坯體的致密化工藝坯體的致密化工藝 碳碳/碳復(fù)合材料坯體致密化是向坯體中引入碳復(fù)合材料坯體致密化是向坯體中引入碳基體的過(guò)程，實(shí)質(zhì)是用高質(zhì)量的碳填滿(mǎn)碳基體的過(guò)程，實(shí)質(zhì)是用高質(zhì)量的碳填滿(mǎn)碳纖維周?chē)目障?。以獲得結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)碳纖維周?chē)目障?。以獲得結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)良的碳良的碳/碳復(fù)合材料。碳復(fù)合材料。 主要包括：化學(xué)氣相法（主要包括：化學(xué)氣相法（CVD） 液相浸漬碳化法液相浸漬碳化法2022-4-7化學(xué)氣相法（CVD） 化學(xué)氣相法化學(xué)氣相法是直接在坯體

10、孔內(nèi)沉積碳，以是直接在坯體孔內(nèi)沉積碳，以達(dá)到填孔和增密的目的。達(dá)到填孔和增密的目的。 化學(xué)氣相法包括化學(xué)氣相法包括脈沖法，等溫法、熱梯度脈沖法，等溫法、熱梯度法、壓差法、等離子體輔助法、壓差法、等離子體輔助CVD法法等。等。 優(yōu)點(diǎn)是沉碳易石墨化，且與纖維之間的物優(yōu)點(diǎn)是沉碳易石墨化，且與纖維之間的物理兼容性好，易于獲得性能良好的碳理兼容性好，易于獲得性能良好的碳/碳復(fù)碳復(fù)合材料。缺點(diǎn)是制備周期太長(zhǎng)，生產(chǎn)效率合材料。缺點(diǎn)是制備周期太長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，對(duì)于厚制品，低，對(duì)于厚制品， 此法也存在著一定的困此法也存在著一定的困難。難。2022-4-7 熱梯度法與均熱流熱梯度法與均熱流類(lèi)似，其過(guò)程也受類(lèi)似，其

11、過(guò)程也受氣體擴(kuò)散所支配，氣體擴(kuò)散所支配，但因爐壓較高，鉛但因爐壓較高，鉛坯體厚度方向可形坯體厚度方向可形成一定的溫差成一定的溫差 沉積周期短，制品沉積周期短，制品密度高，性能比均密度高，性能比均熱法更好。但重復(fù)熱法更好。但重復(fù)性差性差熱梯度法2022-4-7壓差法壓差法沿坯體厚度方向造沿坯體厚度方向造成一定的壓力差，成一定的壓力差，反應(yīng)氣體被強(qiáng)行通反應(yīng)氣體被強(qiáng)行通過(guò)多孔坯體過(guò)多孔坯體沉積速度快，滲透沉積速度快，滲透時(shí)間較短，沉積的時(shí)間較短，沉積的碳也較均勻，適用碳也較均勻，適用于外部透氣性低的于外部透氣性低的部件部件2022-4-7液相浸漬碳化法液相浸漬碳化法 液相浸漬法設(shè)備比較簡(jiǎn)單，適用性廣泛，它是將碳纖制成的預(yù)成型體浸入液態(tài)的浸漬劑中，通過(guò)加壓使浸漬劑充分滲入到預(yù)成型體的空隙中，再通過(guò)固化 碳化石墨化等一系列過(guò)程的循環(huán)，最終得到復(fù)合材料。 缺點(diǎn)是要經(jīng)過(guò)反復(fù)多次浸漬碳化的循環(huán)才能達(dá)到密度要求。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單，容易制得尺寸穩(wěn)定的制品。2022-4-73.碳碳/碳復(fù)合材料存在的不足碳復(fù)合材料存在的不足 高溫氧化性氣氛下極易氧化高溫氧化性氣氛下極易氧化 碳復(fù)合材料生產(chǎn)的成本較高大碳復(fù)合材料生產(chǎn)的成本較高大 尺寸制造工藝也有待提高尺寸制造工藝也有待提高2022-4-74.碳碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用碳復(fù)