C-C复合材料制备、应用、发展趋势

C/C复合材料制备、应用、发展趋势主讲：李晓航组员：李晓航杨帅梁育静制作：梁育静C/C复合材料简介C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的复合材料。碳碳复合材料增强碳纤维基体碳树脂碳沥青碳热解碳比较C/C复合材料金属耐热性；膨胀率；重量；耐腐蚀性石墨强度；韧性陶瓷韧性；粘结；耐热冲击性树脂耐热性；耐腐蚀性；耐摩擦性C/C复合材料的制备C/C复合材料制备方法：液体浸渍分解法和化学气相沉积法C/C复合材料制备步骤：预制体的制备→预制体和碳基体的复合如图：碳纤维预制体浸渍热固性树脂碳化、石墨化C/C复合材料化学气相沉积法通入C、H化合物气体加热分解、沉积液体浸渍分解法1预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；三维编织物：改善层间和垂直面方向性能；多向编织物：编织成四、五、七、十一向增强的预制体，使其接近各向同性。2预制体和碳基体的复合碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密化，以实现预制体和碳基体的复合。渗碳方法:液态浸渍热分解法、化学气相沉积法。基本要求:基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。一、液体浸渍分解法1）浸渍用基体的先驱体选择：选择先驱体时应考虑下列特性-黏度、碳收获率、碳的微观结构和晶体结构。通常有热固性树脂和沥青两大类。其中常用的有酚醛树脂和呋喃树脂以及煤焦油沥青和石油沥青。热固性树脂：经热解其碳的质量转化率为50%～60%；沥青：常压下产碳率为50%左右，在10MPa氮压和550℃下产碳率可高达90%。2）低压浸渍预制件的浸渍：通常在真空下进行，有时为保证树脂或沥青渗入所有空隙也需施加一定压力。固化及碳化：若先驱体为树脂需先固化，然后碳化。碳化在惰性气氛中进行，温度范围为650～1100℃；石墨化：为提高模量有必要进行石墨化，通常在惰性气氛炉中进行，温度范围2600～2750℃。低压浸渍很难得到高致密度的C/C，其密度一般为1.6～1.85，空隙率约为8～10%。3）高压浸渍PIC工艺：浸渍和碳化都在高压下进行，利用等静压技术使浸渍和碳化都在热等静压炉内进行。可提高产碳率降低空隙率。PIC工艺压力对致密化的影响：当外压增加到6.9MPa时产碳率显著增加，高密度C/C复合材料需要51.7～103.4MPa的外压。二、气相沉积法气相沉积法（CVD法）：将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在预制体中。技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体中。影响因素：预制体的性质、气源和载气、温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳基体的性能及均匀性。工艺方法：等温法、温度梯度法、差压法。1）等温法工艺过程：将预制体放入等温感应炉中加热，导入碳氢化合物和载气，碳氢化合物分解后，碳沉积在预制体中。工艺控制：为使碳均匀沉积，温度应该控制得使碳氢化合物的扩散速度低于碳的沉积速度。特点：该法制得的C/C中碳沉积均匀，因而性能也较均匀。但沉积时间较长，容易使材料表面产生热裂纹。2）温度梯度法工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。接近感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。特点：与等温法相比，沉积速度快，但一炉只能处理一件，不同温度得到的沉积物的微观结构有差别。3）差压法工艺方法：通过在织物厚度方向上形成的压力梯度促使气体通过植物间隙。将预制体的底部密封后放入感应炉中等温加热，碳氢化合物以一定的正压导入预制体内，在预制体壁两边造成压差，迫使气体流过空隙，加快沉积速度。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1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。图1C/C在航天飞机上的应用图2C/C在战略导弹上的应用图1C/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图2导弹鼻嘴2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。3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、热密封垫和轴承。人工心脏瓣膜人造骨骼关节炉子内衬C/C复合材料的发展趋势今后将以结构C/C复合材料为主，向功能和多功能C/C复合材料发展；在编制技术方面：由单向朝多向发展；机械针织技术方面：由简单机械向高度机械化、微机化和计算机程控全自动化发展；应用方面：由先进飞行器向普通航空和汽车、非航天高温结构领域发展，向民用化和低成本化发展。图3C/C可能应用于小汽车的部位