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第七章碳／碳复合材料碳／碳复合材料航空刹车成品固体火箭发动机(SRM)的喷管固体火箭发动机直拉硅单晶炉人造骨C/C复合材料的诞生源自偶然1958年美国chance一vought航空公司科研人员在测定C纤维增强酚醛树脂基复合材料中的C纤维含量时，由于实验过程中的操作失误，聚合物基体没有被氧化，反而被热解，意外地得到了C/C复合材料。在美国空军的宇宙飞船Dyna一Soar计划和NASA的阿波罗计划中得到了发展。碳/碳复合材料的发展第一阶段，从C/C复合材料的发明到上世纪六十年代中期为开发阶段。1958年，美国UnionCarbide公司用人造丝(再生纤维素)及其织物进行了碳纤维及碳织物的工业生产，并以商品形式出售产品。1959年，进藤昭男用纯聚PAN纤维制得了CF。1964年英国皇家航空研究所(RAE)，在预氧化过程中对纤维施加张力，为制取高强度和高模量CF开辟了新的途径。在应用方面，美法等国制定了“运载火箭材料计划”、“为C/C喷管寻找机会计划”等一系列以C/C复合材料为基础的应用开发计划。第二阶段，六十年代中期到七十年代中期，随着C/C复合材料开发研究的逐步深入，进入了工程研究阶段。1966年，LVT空间公司己将C/C复合材料用于阿波罗宇宙飞船控制舱光学仪器的热防护罩和x一20飞行器的鼻锥。1969年，日本东丽公司研究成功特殊的共聚PAN纤维，并结合美国UnionCarbide公司的碳化技术，生产出高强度、高模量的CF，有力地推动了C/C复合材料的发展。1971年桑迪亚试验室制备的C/C复合材料飞行器再入头锥已成功地获得应用。1974年英国Dunlpo公司的航空分公司首次研制出了C/C复合材料飞机刹车盘，并在协和号超音速飞机上试飞成功，使每架飞机重量可以减轻544kg，刹车盘的使用寿命提高了5一6倍。第三阶段，七十年代中期到八十年代中期为先进的C/C复合材料时期。C/C复合材料的各项研究进一步深入开展，坯体织物的结构设计及多向织物加工技术的成熟，成功地解决了C/C复合材料的各向异性问题，并通过正确选取和设计增强织物来满足复杂结构的需要。对C/C复合材料的力学性能、物理性能、抗氧化性能及制备工艺进行了大量细致的研究，建立了丰富的数据库，开始将C/C复合材料用于多元喷管及新一代高推比涡轮发动机进一步拓宽了C/C复合材料飞机刹车盘的应用，先后在数十种军、民用飞机中采用碳刹车盘，并将C/C复合材料的应用从宇航扩展到了民用。由于C/C复合材料具有良好的生物相容性，八十年代初期，国内外还开展了C/C复合材料在生物应用上的开发，诸如人造心脏瓣膜、人造骨关节等陆续投入使用。第四阶段，八十年代中期到现在，为C/C复合材料全面推广应用时期。主要目标是提高C/C复合材料性能，降低成本，为此人们对其致密化技术进行了深入的研究。美国达信特种材料快速致密化(RD)工艺，使制备C/C复合材料刹车盘的时间减少了100倍，这项专利能够在8h内生产出直径33cm的刹车盘。美国佐治亚理工大学在美国空军的支持下改进制备C/C复合材料的方法，研究了强制气体流动/热梯度气体渗入法，使C/C复合材料的沉积速率提高了30倍。C/C复合材料组成碳/碳(C/C)复合材料：是炭纤维增强炭基体复合材料的简称，结合了复合材料良好的力学性能、可设计性及炭质材料优异的高温性能,兼有结构材料与功能材料的特性；基体：可分为热解炭(CVD炭)和浸渍炭两种增强材料：C纤维或者石墨纤维；一、热解碳结构热解碳：是通过使甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯等碳氢化合物裂解得到，其的微观结构可分为光学粗糙层结构(RL)、光滑层结构(SL)和各向同性结构(ISO)等3种类型。二、浸渍碳浸渍碳主要由沥青和树脂组成。其中沥青主要采用天然沥青和煤沥青，而树脂则可采用热固性树脂，也可采用热塑性树脂。常用的热固性树脂有：酚醛、呋喃、糠醛、糠酮和聚酰亚胺等；热塑性树脂有：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类树脂。Ｃ纤维的增强织物结构化学气相沉积（CVD）chemicalvapordepositionCVD法始于20世纪60年代，它是利用烃类如，甲烷、丙烷、苯及其低分子量的碳氢化合物，在高温下热解产生碳沉积在预成型体孔内，从而制备C/C复合材料。CVD工艺过程包括很多方法，如等温CVD法、压力梯度法、温度梯度CVD法、脉冲CVD法及等离子增强CVD法等。CVD工艺流程碳纤维预成型体置于高温化学气相沉积炉中气态碳氢化合物前驱体通过扩散、流动等方式进入预成型体内部气体在高温下裂解生成热解炭并沉积在炭纤维的表面热解炭层增厚，预成型体内的孔隙变小，最终热解炭重叠毗连构成连续相基体炭。C/C复合材料的性能能载水平高；为粉末冶金金属基刹车材料的三倍左右密度小；﹤1.9g/cm3，为钢铁的1/4耐高温；能在1650℃下长期工作,且不变形、无粘结摩擦磨损性能好；经适当的石墨化处理后具有良好的自润滑性能，磨损率仅为金属基/钢摩擦偶的1/5使用中不会产生环境污染；刹车过程平稳；其它；导热系数、热容高，散热快，热膨胀小，抗热震性好，可超载使用，抗热冲击性能好、耐烧蚀性好，高温强度稳定碳/碳复合材料的应用由于C/C复合材料具有耐高温、低密度、高比强度和比模量及耐腐蚀等诸多优异的性能，并且兼具结构材料和功能材料的双重特性，因而自其被发明以来，就得到了各国军方的高度重视，首先应用于军事领域，在航天、航空等领域得到了迅速的应用与发展。近年来，随着C/C复合技术的不断成熟和发展，其成本逐年下降，使其向民用领域的推广应用逐渐成为现实。一、C/C复合材料在火箭发动机上的应用C/C复合材料是耐温最高的材料，其强度随温度的升高而增加，在2500℃左右达到最大值，同时它具有良好的抗烧蚀性能和抗热震性能，可耐受高达10000℃的驻点温度，在非氧化气氛下其温度可保持到2000℃以上。所以C/C复合材料已成功的用在导弹鼻锥，航天飞机头锥和机翼前缘，火箭发动机喷管喉衬等部位。实例~~~火箭喷管喷管材料必须经受住：1)2000℃一3500℃的高温；2)灼热表面的超高速加热的热冲击；3)高热梯度引起的热应力；4)高压力；5)连续数分钟暴露在高速腐蚀性气体中。作为火箭喷管材料，高熔点金属的突出弱点是承受高温能力差而且笨重；高性能合成石墨材料广泛应用于火箭喷管，如美国的ATJ石墨和我国的T705石墨等石墨材料是由于它们具有高温稳定性好、重量轻的优点。为了弥补其机械性能的缺欠，还需要用钢或铝合金之类的结构材料给予支撑，而钢和铝又无能力经受住高温，所有这些又增加了喷管的重量。C/C复合材料全是炭，可以耐高温;其强度是优质合成石墨材料的10~20倍，甚至更高;重量只有钢的四分之一。用C/C复合材料设计制造火箭喷管可节约重量达30%一50%。因此，CC/复合材料成为更具潜力的理想的火箭喷管材料。二、C/C复合材料在飞机上的应用飞机的重量直接关系到飞机的飞行性能如飞行速度、飞行距离、燃料消耗、净载重量等。在确保材料具有足够强度和刚度的前提下，尽可能轻一些是飞机设计制造者追求的重要目标。C/C复合材料具备飞机用结构材料要求的高强度、高刚度和重量轻的综合性能.成为现代高性能飞机重要的新型结构材料。飞机的控制翼面、横尾翼、机翼是C/C复合材料在蒙皮上的广泛应用场合。“3-11airbus”客机上用C/C复合材料增强金属梁制做乘客台面横向支持件。1kgC/C复合材料可以代替3kg铝合金，仅此一项一架飞机可节约结构重量几百公斤。当今世界最长的远程宽体客机A340-600使用C/C复合材料制做后密封框。波音公司计划推出新一代高速宽体客机“音速巡洋舰”包括机翼等大部分结构件采用C/C复合材料，减轻重量，使新型飞机的飞行速度提高15%~20%。“B-1B”、“阵风”等战斗机，大面积采用C/C复合材料以符合其飞行机动性强的要求；”鹰师”是一种轻型战斗机，为了实现其敏捷、灵活的飞行特点，在其方向舵、副翼、机翼蒙皮等多种结构件采用C/C复合材料。对于现代高性能的超音速运输机、垂直起落飞机和战斗机，其重量的节约所带来的好处非常明显。因此C/C复合材料在这些飞机上的应用倍受重视。美国空军B-1B轰炸机法国阵风战斗机瑞典鹰师三、C/C复合材料在刹车盘上的应用随着现代航空技术的发展，飞机装载质量不断增加，飞机着陆速度不断提高，对飞机的紧急制动提出了更高的要求，C/C复合材料质量轻、耐高温、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作刹车片己广泛用于高速军用飞机中。同时，采用C/C复合材料刹车盘，空中客车A300-600可减重590kg，A300及A340可减重998kg，并且其使用寿命可以大大提高，延长刹车盘的更换周期。四、C/C复合材料在工业制造领域的应用C/C复合材料还广泛应用于工业制造领域中。如：C/C复合材料可取代石棉应用于玻璃制造领域；大多数陶瓷、高温金属和合金在750℃以上强度都会下降，在这种条件下就需要用C/C复合材料制成的螺栓。C/C复合材料可以制造高温热压模具、高温热压管道、高温电炉加热元件等。五、C/C复合材料在生物医学领域的应用碳/碳复合材料作为生物医用材料，主要具有以下优点：1)生物相容性好，整体结构均由碳构成，机体组织对其适应性好；2)在生物体内稳定、不被腐蚀，也不会象医用金属材料由于生理环境的腐蚀而造成金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变；3)具有良好生物力学相容性，与骨的弹性模量十分接近，可减弱由假体应力遮挡作用所起的骨吸收等并发症；4)强度高、耐疲劳、韧性好，并可以通过结构设计，对材料性能进行调整以满足特定的力学要求。实例：表面改性由于优异的生物相容性与潜在的力学相容性，碳/碳复合材料在生物医用方面具有很好的应用前景。碳/碳复合材料的骨盘、骨夹板和骨针己有临床应用，用碳/碳制成的人工心脏瓣膜、中耳修复材料也有研究报道。另外碳/碳人工齿根，也己取得了很好的临床应用效果。虽然目前碳/碳复合材料植人体的实际临床应用还不多，但其潜在的优势注定了它在生物医用材料方面良好的应用前景。谢谢！