碳碳復(fù)合材料課件

1、第七章 碳碳復(fù)合材料,點(diǎn)擊進(jìn)入,碳碳復(fù)合材料航空剎車成品,直拉硅單晶爐,人造骨,C/C復(fù)合材料的誕生源自偶然,1958年美國chance一vought航空公司科研人員在測(cè)定C纖維增強(qiáng)酚醛樹脂基復(fù)合材料中的C纖維含量時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)過程中的操作失誤，聚合物基體沒有被氧化，反而被熱解，意外地得到了C/C復(fù)合材料。 在美國空軍的宇宙飛船Dyna一Soar計(jì)劃和NASA的阿波羅計(jì)劃中得到了發(fā)展。,返回,碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展,第一階段，從C/C復(fù)合材料的發(fā)明到上世紀(jì)六十年代中期為開發(fā)階段。 1958年，美國Union Carbide公司用人造絲(再生纖維素)及其織物進(jìn)行了碳纖維及碳織物的工業(yè)生產(chǎn)，并以商品形

2、式出售產(chǎn)品。 1959年，進(jìn)藤昭男用純聚PAN纖維制得了CF。 1964年英國皇家航空研究所(RAE)，在預(yù)氧化過程中對(duì)纖維施加張力，為制取高強(qiáng)度和高模量CF開辟了新的途徑。 在應(yīng)用方面，美法等國制定了“運(yùn)載火箭材料計(jì)劃”、“為C/C噴管尋找機(jī)會(huì)計(jì)劃”等一系列以C/C復(fù)合材料為基礎(chǔ)的應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃。,第二階段，六十年代中期到七十年代中期，隨著C/C復(fù)合材料開發(fā)研究的逐步深入，進(jìn)入了工程研究階段。 1966年，LVT空間公司己將C/C復(fù)合材料用于阿波羅宇宙飛船控制艙光學(xué)儀器的熱防護(hù)罩和x一20飛行器的鼻錐。 1969年，日本東麗公司研究成功特殊的共聚PAN纖維，并結(jié)合美國Union Carbide

3、公司的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高模量的CF，有力地推動(dòng)了C/C復(fù)合材料的發(fā)展。 1971年桑迪亞試驗(yàn)室制備的C/C復(fù)合材料飛行器再入頭錐已成功地獲得應(yīng)用。 1974年英國Dunlpo公司的航空分公司首次研制出了C/C復(fù)合材料飛機(jī)剎車盤，并在協(xié)和號(hào)超音速飛機(jī)上試飛成功，使每架飛機(jī)重量可以減輕544kg，剎車盤的使用壽命提高了5一6倍。,第三階段，七十年代中期到八十年代中期為先進(jìn)的C/C復(fù)合材料時(shí)期。 C/C復(fù)合材料的各項(xiàng)研究進(jìn)一步深入開展，坯體織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及多向織物加工技術(shù)的成熟，成功地解決了C/C復(fù)合材料的各向異性問題，并通過正確選取和設(shè)計(jì)增強(qiáng)織物來滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需要。 對(duì)C/C復(fù)合材料的力

4、學(xué)性能、物理性能、抗氧化性能及制備工藝進(jìn)行了大量細(xì)致的研究，建立了豐富的數(shù)據(jù)庫，開始將C/C復(fù)合材料用于多元噴管及新一代高推比渦輪發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)一步拓寬了C/C復(fù)合材料飛機(jī)剎車盤的應(yīng)用，先后在數(shù)十種軍、民用飛機(jī)中采用碳剎車盤，并將C/C復(fù)合材料的應(yīng)用從宇航擴(kuò)展到了民用。 由于C/C復(fù)合材料具有良好的生物相容性，八十年代初期，國內(nèi)外還開展了C/C復(fù)合材料在生物應(yīng)用上的開發(fā)，諸如人造心臟瓣膜、人造骨關(guān)節(jié)等陸續(xù)投入使用。,第四階段，八十年代中期到現(xiàn)在，為C/C復(fù)合材料全面推廣應(yīng)用時(shí)期。 主要目標(biāo)是提高C/C復(fù)合材料性能，降低成本，為此人們對(duì)其致密化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。 美國達(dá)信特種材料快速致密化(RD

5、)工藝，使制備C/C復(fù)合材料剎車盤的時(shí)間減少了100倍，這項(xiàng)專利能夠在8h內(nèi)生產(chǎn)出直徑33cm的剎車盤。 美國佐治亞理工大學(xué)在美國空軍的支持下改進(jìn)制備C/C復(fù)合材料的方法，研究了強(qiáng)制氣體流動(dòng)/熱梯度氣體滲入法，使C/C復(fù)合材料的沉積速率提高了30倍。,返回,C/C復(fù)合材料組成,碳/ 碳(C/ C) 復(fù)合材料：是炭纖維增強(qiáng)炭基體復(fù)合 材料的簡稱，結(jié)合了復(fù)合材料良好的力學(xué)性能、可設(shè)計(jì)性及炭質(zhì)材料優(yōu)異的高溫性能, 兼有結(jié)構(gòu)材料與功能材料的特性； 基體：可分為熱解炭(CVD 炭) 和浸漬炭兩種 增強(qiáng)材料：C纖維或者石墨纖維；,一、熱解碳結(jié)構(gòu),熱解碳：是通過使甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯等碳?xì)浠衔锪呀?/p>

6、得到，其的微觀結(jié)構(gòu)可分為光學(xué)粗糙層結(jié)構(gòu)(RL) 、光滑層結(jié)構(gòu)(SL) 和各向同性結(jié)構(gòu)( ISO) 等3 種類型。,二、浸漬碳,浸漬碳主要由瀝青和樹脂組成。其中瀝青主要采用天然瀝青和煤瀝青，而樹脂則可采用熱固性樹脂，也可采用熱塑性樹脂。 常用的熱固性樹脂有：酚醛、呋喃、糠醛、糠酮和聚酰亞胺等；熱塑性樹脂有：聚醚醚（PEEK）、聚芳基乙炔、聚苯并咪唑等。其中用量最多的是酚醛和呋喃類樹脂。,纖維的增強(qiáng)織物結(jié)構(gòu),化學(xué)氣相沉積（CVD）chemical vapor deposition,CVD法始于20世紀(jì)60年代，它是利用烴類如，甲烷、丙烷、苯及其低分子量的碳?xì)浠衔?，在高溫下熱解產(chǎn)生碳沉積在預(yù)成型體

7、孔內(nèi)，從而制備C/C復(fù)合材料。 CVD工藝過程包括很多方法，如等溫CVD法、壓力梯度法、溫度梯度CVD法、脈沖CVD法及等離子增強(qiáng)CVD法等。,CVD 工藝流程,碳纖維預(yù)成型體,置于高溫化學(xué)氣相沉積爐中,氣態(tài)碳?xì)浠衔锴膀?qū)體通過擴(kuò)散、 流動(dòng)等方式進(jìn)入預(yù)成型體內(nèi)部,氣體在高溫下裂解生成熱解炭并沉積在炭纖維的表面,熱解炭層增厚，預(yù)成型體內(nèi)的孔隙變小，最終熱解炭重疊毗連構(gòu)成連續(xù)相基體炭。,C/C復(fù)合材料的性能,能載水平高；為粉末冶金金屬基剎車材料的三倍左右 密度小；1.9g/cm3 ，為鋼鐵的1/ 4 耐高溫；能在1650 下長期工作,且不變形、無粘結(jié) 摩擦磨損性能好；經(jīng)適當(dāng)?shù)氖幚砗缶哂辛己玫?/p>

8、自潤滑性能，磨損率僅為金屬基/ 鋼摩擦偶的1/ 5 使用中不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染； 剎車過程平穩(wěn)； 其它；導(dǎo)熱系數(shù)、熱容高，散熱快，熱膨脹小，抗熱震性好，可超載使用，抗熱沖擊性能好、耐燒蝕性好，高溫強(qiáng)度穩(wěn)定,返回,碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用,由于C/C復(fù)合材料具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)度和比模量及耐腐蝕等諸多優(yōu)異的性能，并且兼具結(jié)構(gòu)材料和功能材料的雙重特性，因而自其被發(fā)明以來，就得到了各國軍方的高度重視，首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，在航天、航空等領(lǐng)域得到了迅速的應(yīng)用與發(fā)展。近年來，隨著C/C復(fù)合技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，其成本逐年下降，使其向民用領(lǐng)域的推廣應(yīng)用逐漸成為現(xiàn)實(shí)。,一、C/C復(fù)合材料在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用,C

9、/C復(fù)合材料是耐溫最高的材料，其強(qiáng)度隨溫度的升高而增加，在2500左右達(dá)到最大值，同時(shí)它具有良好的抗燒蝕性能和抗熱震性能，可耐受高達(dá)10000的駐點(diǎn)溫度，在非氧化氣氛下其溫度可保持到2000以上。所以C/C復(fù)合材料已成功的用在導(dǎo)彈鼻錐，航天飛機(jī)頭錐和機(jī)翼前緣，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯等部位。,實(shí)例火箭噴管,噴管材料必須經(jīng)受?。?1)2000一3500的高溫； 2)灼熱表面的超高速加熱的熱沖擊； 3)高熱梯度引起的熱應(yīng)力； 4)高壓力； 5)連續(xù)數(shù)分鐘暴露在高速腐蝕性氣體中。,作為火箭噴管材料，高熔點(diǎn)金屬的突出弱點(diǎn)是承受高溫能力差而且笨重； 高性能合成石墨材料廣泛應(yīng)用于火箭噴管，如美國的ATJ石墨和我

10、國的T705石墨等石墨材料是由于它們具有高溫穩(wěn)定性好、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。為了彌補(bǔ)其機(jī)械性能的缺欠，還需要用鋼或鋁合金之類的結(jié)構(gòu)材料給予支撐，而鋼和鋁又無能力經(jīng)受住高溫，所有這些又增加了噴管的重量。 C/C復(fù)合材料全是炭，可以耐高溫;其強(qiáng)度是優(yōu)質(zhì)合成石墨材料的1020倍，甚至更高;重量只有鋼的四分之一。用C/C復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造火箭噴管可節(jié)約重量達(dá)30%一50%。因此，CC/復(fù)合材料成為更具潛力的理想的火箭噴管材料。,二、C/C復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用,飛機(jī)的重量直接關(guān)系到飛機(jī)的飛行性能如飛行速度、飛行距離、燃料消耗、凈載重量等。在確保材料具有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能輕一些是飛機(jī)設(shè)計(jì)制造者追求的重

11、要目標(biāo)。 C/C復(fù)合材料具備飛機(jī)用結(jié)構(gòu)材料要求的高強(qiáng)度、高剛度和重量輕的綜合性能.成為現(xiàn)代高性能飛機(jī)重要的新型結(jié)構(gòu)材料。,飛機(jī)的控制翼面、橫尾翼、機(jī)翼是C/C復(fù)合材料在蒙皮上的廣泛應(yīng)用場(chǎng)合。 “3-11airbus”客機(jī)上用C/C復(fù)合材料增強(qiáng)金屬梁制做乘客臺(tái)面橫向支持件。 1kgC/C復(fù)合材料可以代替3kg鋁合金，僅此一項(xiàng)一架飛機(jī)可節(jié)約結(jié)構(gòu)重量幾百公斤。 當(dāng)今世界最長的遠(yuǎn)程寬體客機(jī)A340-600使用C/C復(fù)合材料制做后密封框。 波音公司計(jì)劃推出新一代高速寬體客機(jī)“音速巡洋艦”包括機(jī)翼等大部分結(jié)構(gòu)件采用C/C復(fù)合材料，減輕重量，使新型飛機(jī)的飛行速度提高15%20%。,“B-1B”、“陣風(fēng)”等戰(zhàn)

12、斗機(jī)，大面積采用C/C復(fù)合材料以符合其飛行機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的要求； ”鷹師”是一種輕型戰(zhàn)斗機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)其敏捷、靈活的飛行特點(diǎn)，在其方向舵、副翼、機(jī)翼蒙皮等多種結(jié)構(gòu)件采用C/C復(fù)合材料。 對(duì)于現(xiàn)代高性能的超音速運(yùn)輸機(jī)、垂直起落飛機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)，其重量的節(jié)約所帶來的好處非常明顯。因此C/C復(fù)合材料在這些飛機(jī)上的應(yīng)用倍受重視。,美國空軍B-1B轟炸機(jī),法國陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī),瑞典鷹師,三、C/C復(fù)合材料在剎車盤上的應(yīng)用,隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)裝載質(zhì)量不斷增加，飛機(jī)著陸速度不斷提高，對(duì)飛機(jī)的緊急制動(dòng)提出了更高的要求，C/C復(fù)合材料質(zhì)量輕、耐高溫、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作剎車片己廣泛用于高速軍用飛機(jī)中。同時(shí)，

13、采用C/C復(fù)合材料剎車盤，空中客車A300-600可減重590kg，A300及A340可減重998kg，并且其使用壽命可以大大提高，延長剎車盤的更換周期。,四、C/C復(fù)合材料在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用,C/C復(fù)合材料還廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域中。如： C/C復(fù)合材料可取代石棉應(yīng)用于玻璃制造領(lǐng)域； 大多數(shù)陶瓷、高溫金屬和合金在750以上強(qiáng)度都會(huì)下降，在這種條件下就需要用C/C復(fù)合材料制成的螺栓。 C/C復(fù)合材料可以制造高溫?zé)釅耗＞?、高溫?zé)釅汗艿馈⒏邷仉姞t加熱元件等。,五、C/C復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,碳/碳復(fù)合材料作為生物醫(yī)用材料，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)生物相容性好，整體結(jié)構(gòu)均由碳構(gòu)成，機(jī)體組織對(duì)其適應(yīng)性好； 2)在生物體內(nèi)穩(wěn)定、不被腐蝕，也不會(huì)象醫(yī)用金屬材料由于生理環(huán)境的腐蝕而造成金屬離子向周圍組織擴(kuò)散及植入材料自身性質(zhì)的退變； 3)具有良好生物力學(xué)相容性，與骨的彈性模量十分接近，可減弱由假體應(yīng)力遮擋作用所起的骨吸收等并發(fā)癥； 4)強(qiáng)度高、耐疲勞、韌性好，并可以通過結(jié)