碳碳復(fù)合材料.ppt

1、1,碳/碳復(fù)合材料,2,碳/碳復(fù)合材料,一、概述 二、碳/碳復(fù)合材料的組成及微觀結(jié)構(gòu) 三、碳/碳復(fù)合材料的性能 四、碳/碳復(fù)合材料制備及其加工 五、碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用 六、碳/碳復(fù)合材料的氧化及防氧化 七、碳/碳復(fù)合材料的研究方向和不足,3,一、概述,C/ C 復(fù)合材料是目前新材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究和開發(fā)的一種新型超高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料,密度小、比強(qiáng)度大、線膨脹系數(shù)低( 僅為金屬的1/ 5 1/ 10) 、熱導(dǎo)率高、耐燒蝕、耐磨性能良好。特別是C/ C 復(fù)合材料在1 000 2 300 時(shí)強(qiáng)度隨溫度升高而升高, 是理想的航空航天及其它工業(yè)領(lǐng)域的高溫材料,4,二、碳/碳復(fù)合材料的組成及微觀結(jié)構(gòu),碳/碳復(fù)合

2、材料的組成有兩大部分: 碳纖維和基體碳。,5,碳纖維織物結(jié)構(gòu)形式,a-2D平紋 b-2D8H緞紋 c-3D徑向編織 d-3D e-4D f-5D,碳纖維的增強(qiáng)形式有單向(1D)、雙向(2D)及多向。單向增強(qiáng)可在一個(gè)方向上得到最高拉伸強(qiáng)度的碳/碳;雙向織物提高了抗熱應(yīng)力性能和斷裂韌性，容易制成大尺寸形狀復(fù)雜的部件，有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。三向及多向編織具有更好的結(jié)構(gòu)完整性和各向同性 。,6,三、 碳/碳復(fù)合材料的性能,1 物理性能 碳/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99%,像石墨一樣,具有耐酸、 堿和鹽的化學(xué)穩(wěn)定性。其比熱容大,熱導(dǎo)率隨石墨化程度的提高而增大,線膨脹系數(shù)隨石墨化程度的提

3、高而降低等。,7,2 力學(xué)性能 碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于碳纖維的種類、 取向、 含量和制備工藝等。單向增強(qiáng)的碳/碳復(fù)合材料,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。隨著溫度的升高,碳/碳復(fù)合材料的強(qiáng)度不僅不會(huì)降低,而且比室溫下的強(qiáng)度還要高。一般的碳/碳復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度大于 270MPa, 單向高強(qiáng)度碳/碳復(fù)合材料可達(dá)700MPa 以上。在1000 以上,強(qiáng)度最低的 碳/碳復(fù)合材料的比強(qiáng)度也較耐熱合金和陶瓷材料的高。碳/碳復(fù)合材料的斷裂韌性較碳材料有極大的提高,其破壞方式是逐漸破壞, 而不是突然破壞, 因?yàn)榛w碳的斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變低于碳纖維。,8,碳/碳復(fù)合材料與其他材料溫

4、度上升時(shí)比強(qiáng)度的比較,高溫下的穩(wěn)定性比較好,幾種材料拉伸比強(qiáng)度的比較,9,碳/碳復(fù)合材料和其他材料各種性能的比較,10,3 熱學(xué)及燒蝕性能 碳/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),不僅可用于高溫環(huán)境, 而且適合溫度急劇變化的場(chǎng)合。其比熱容高, 這對(duì)于飛機(jī)剎車等需要吸收大量能量的應(yīng)用場(chǎng)合非常有利。碳/碳復(fù)合材料是一種升華-輻射型燒蝕材料,且燒蝕均勻。通過表層材料的燒蝕帶走大量的熱,可阻止熱流傳入飛行器內(nèi)部。因此該材料被廣泛用作宇航領(lǐng)域中的燒蝕防熱材料。,11,4 摩擦磨損性能 碳/碳復(fù)合材料中碳纖維的微觀組織為亂層石墨結(jié)構(gòu),其摩擦系數(shù)比石墨高,特別是它的高溫性能特點(diǎn),在高速

5、高能量條件下摩擦升溫高達(dá) 1000 以上時(shí),其摩擦性能仍然保持平穩(wěn),這是其它材料所不具備的。因此,碳/碳復(fù)合材料為軍用和民用飛機(jī)的剎車盤材料越來越廣泛。,12,四、碳/碳復(fù)合材料制備及加工,碳/碳復(fù)合材料的主要制備步驟為：預(yù)制體的成型 致密化處理 石墨化，其中致密化是制備碳/碳復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)。,13,致密化 成型后的預(yù)制體含有許多孔隙,密度也低,不能直接應(yīng)用,須將炭沉積于預(yù)制體,填滿其孔隙,才能成為真正的結(jié)構(gòu)致密、 性能優(yōu)良的碳/碳復(fù)合材料,此即致密化過程. 傳統(tǒng)的致密化工藝大體分為液相浸漬和化學(xué)氣相沉積兩種。,14,（1）液相浸漬工藝 液相浸漬工藝一般在常壓或減壓下進(jìn)行. 工藝過程上圖所

6、示, 液相浸漬(LPI)工藝是將碳纖維預(yù)制體置于浸漬罐中，抽真空后充惰性氣體加壓使浸漬劑向預(yù)制體內(nèi)部滲透，然后進(jìn)行固化或直接在高溫下進(jìn)行碳化，一般需重復(fù)浸漬和碳化56次而完成致密化過程。此工藝存在問題是: ( 1) 工藝繁復(fù)、周期長(zhǎng)、效率低;(2) 液體難以浸漬到預(yù)制體微孔中; ( 3)有些浸漬液在常壓和減壓下炭化效率低,必須加壓, 如煤瀝青;(4)有些浸漬液炭化時(shí)粘附性過好,易于阻塞氣孔口,難以達(dá)到致密要求,如樹脂。,15,（2）化學(xué)氣相沉積工藝 化學(xué)氣相沉積(CVI)工藝是以丙烯或甲烷為原料，其工藝過程下如圖所示。在預(yù)制體內(nèi)部發(fā)生多相化學(xué)反應(yīng)（如 ）的致密化過程。CVI工藝的優(yōu)點(diǎn)是材料性能

7、優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單、致密化程度能夠精確控制，缺點(diǎn)是制備周期太長(zhǎng)(500600h甚至上千小時(shí))，生產(chǎn)效率很低。,16,碳碳復(fù)合材料的切削加工 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，車削該復(fù)合材的料所得到的切削用量各要素對(duì)切削力的影響規(guī)律與切削一般脆性材料的基本一致。雖然基體硬度較低，切削力數(shù)值不大，但材料中硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)刀具的磨損比較嚴(yán)重，故選用CBN為宜。因材料為脆性，故切屑常呈粉末狀，必須用吸屑法來排屑。,17,五、碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用,碳/碳 復(fù)合材料作為優(yōu)異的熱結(jié)構(gòu)功能一體化工程材料，自1958年誕生以來，在軍工方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中最重要的用途是用于制造導(dǎo)彈的彈頭部件 由于其耐高溫，摩擦性好，目前已廣泛用于固體火箭發(fā)

8、動(dòng)機(jī)噴管、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件飛機(jī)及賽車的剎車裝置、熱元件和機(jī)械緊固件、熱交換器、航空發(fā)動(dòng)的熱端部件等。,18,（1）固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上的應(yīng)用 在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SRM)中，噴管喉部的燒蝕狀態(tài)最為惡劣，因此，必須采用具有良好耐燒蝕和抗沖刷性能的噴管喉襯材料來抵御嚴(yán)酷的燒蝕環(huán)境。采用碳/碳復(fù)合材料的喉襯、擴(kuò)張段延伸出口錐，具有極低的燒蝕率和良好的燒蝕輪廓，可提高噴管效率 1 % 3 %，即可大大提高 SRM 的比沖。,19,噴管出口錐,20,（2）剎車領(lǐng)域的應(yīng)用 碳/碳復(fù)合材料制作的飛機(jī)剎車盤重量輕、耐溫高，比熱容比鋼高 2.5 倍；同金屬剎車材料相比，可節(jié)省 40 %的結(jié)構(gòu)重量，碳/碳復(fù)合材料剎

9、車盤的使用壽命是金屬基的 5 7 倍，剎車力矩平穩(wěn)，剎車時(shí)噪聲小，因此碳/碳復(fù)合材料剎車盤的問世被認(rèn)為是剎車材料發(fā)展史上的一次重大的技術(shù)進(jìn)步。目前法國(guó)歐洲動(dòng)力，碳工業(yè)等公司已批量生產(chǎn)碳/碳 復(fù)合材料剎車片，英國(guó)鄧祿普公司也已大量生產(chǎn)碳/碳復(fù)合材料剎車片，用于賽車、火車和戰(zhàn)斗機(jī)的剎車材料。,21,六、碳/碳復(fù)合材料的氧化及防氧化,C /C 復(fù)合材料存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即在高溫氧化性氣氛下極易發(fā)生氧化反應(yīng)： 2C+O2 2CO,22,碳/碳復(fù)合材料的防氧化 碳/碳的防氧化的方法有材料改性和涂層保護(hù)兩種，材料改性是提高碳/碳本身的抗氧化能力，涂層防氧化是利用涂層使碳/碳與氧隔離。,23,（1）碳/碳

10、改性抗氧化 通過對(duì)碳/碳改性可提高抗氧化能力，改性的方法有纖維改性和基體改性兩種，纖維改性是在纖維表面制備各種涂層，基體改性是改變基體的組成以提高基體的抗氧化能力。,24,碳/碳纖維改性 在纖維表面制備涂層不僅能防止纖維的氧化，而且能改變纖維/基體界面特性。提高碳/碳首先氧化的界面區(qū)域的抗氧化能力。纖維改性的缺點(diǎn)是降低了纖維本身的強(qiáng)度，同時(shí)影響纖維的柔性，不利于纖維的編織。 碳/碳基體改性 基體是界面氧化之后的主要氧化區(qū)域，因此基體改性是碳/碳改性的主要手段?；w改性主要有固相復(fù)合和液相浸漬等方法。 固相復(fù)合是將抗氧化劑(如Si、Ti、B、BC、SiC等)以固相顆粒的形式引入碳/碳基體。抗氧化

11、劑的作用是對(duì)碳基體進(jìn)行部分封填和吸收擴(kuò)散入碳基體中的氧。 液相浸漬是將硼酸、硼酸鹽、磷酸鹽、正硅酸乙脂、有機(jī)金屬烷類等引入碳/碳基體，通過加熱轉(zhuǎn)化得到抗氧化劑,25,（2） 碳/碳涂層防氧化 基體改性防氧化不僅壽命有限，而且工作溫度一般不超過l000，對(duì)基體的性能影響也很大。在更高溫度下工作的碳/碳必須依靠涂層防氧化，因此涂層是碳/碳最有效的防氧化手段。,26,首先涂層必須具有低的氧滲透率和盡可能少的缺陷，以便有效阻止氧擴(kuò)散。 其次涂層必須具有低的揮發(fā)速度，以防止高速氣流引起的過量沖蝕。 再次涂層與基體必須具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，以防止涂層剝落。 最后涂層中的各種界面都必須具有良好的界面物理和化學(xué)

12、相容性，以減小熱膨脹失配引起的裂紋和界面反應(yīng),這些要求決定了涂層一般都需具有兩層以上的復(fù)合結(jié)構(gòu),27,28,七、碳/碳復(fù)合材料的研究方向和不足,碳/碳復(fù)合材料的抗氧化涂層技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)展, 1 650 以下抗氧化問題已基本得到解決。但仍有許多問題懸而未決, 成為各國(guó)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。,29,(1)高溫長(zhǎng)壽命抗氧化涂層體系 發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件對(duì)涂層碳/碳 復(fù)合材料的要求是高溫( 1 650 1 800 ) 和長(zhǎng)壽命( 300 h 500 h) 。只有用新的涂層制備工藝制備的復(fù)合梯度涂層才有希望滿足這樣的要求。目前還沒有1 800 以上高溫長(zhǎng)時(shí)間抗氧化涂層體系實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。 （2）測(cè)試條件與測(cè)試技術(shù) 碳/碳復(fù)合材料多用于熱結(jié)構(gòu)部件, 并且實(shí)際應(yīng)用環(huán)境極為苛刻, 所以在測(cè)試抗氧化涂層性能時(shí), 盡量模擬實(shí)際環(huán)境。目前,一般的測(cè)試環(huán)境均是在靜態(tài)空氣下測(cè)試, 這與實(shí)際環(huán)境相差太大。因此, 抗氧化涂層要想真正應(yīng)用到實(shí)際中, 還有待于進(jìn)一步完善測(cè)試條件與測(cè)試技術(shù)。,30,（3）涂層系統(tǒng)的再利用 1981 年, 帶有抗氧化涂層的碳/碳 復(fù)合材料就已正式用于航天飛機(jī)鼻錐帽和機(jī)翼前緣。為了保證航天飛機(jī)在苛刻太空環(huán)境下安全工作, 要求抗氧化涂層具有很好的穩(wěn)定性。另外, 為了保證航天飛機(jī)能多次成功起飛降落, 要求抗氧化涂層重復(fù)使