非金属基复合材料.ppt

非金属基复合材料非金属基复合材料炭炭/炭炭主要内容和要求主要内容和要求了解 C/C复合材料的发展历史掌握C/C复合材料的定义掌握C/C复合材料的特征掌握C/C复合材料的组成结构掌握C/C复合材料的性能了解C/C复合材料的应用了解C/C复合材料的制备了解C/C复合材料的发展趋势展望第一节第一节 C/C复合材料的发展历史复合材料的发展历史20世纪60年代初日本首先用聚丙烯腈（PAN）原丝制成高性能碳纤维。1963年英国的研究人员发明用牵引法提高纤维结构的取向，进一步提高了碳纤维的强度和弹性模量。到60年代末，提高碳纤维性能和产生效率的办法日趋完善。高强度，超高强度，高模量和高强中模量的碳纤维形成规模生产并开始商品化。现在C/C复合材料不仅在高科技方面应用广泛，而且它也渗透都我们平常生活的点点滴滴中 平尾主要采用碳碳复合材料制造平尾主要采用碳碳复合材料制造 杆、管、条杆、管、条 等增强等增强C复合材料复合材料 C/C复合材料板材复合材料板材 C/C材料制成的椅子材料制成的椅子 第二节第二节C/C复合材料的定义复合材料的定义C/C复合材料是以炭或石墨纤维为增强体，炭或石墨为基体复合而成的材料。碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。基体为复合材料中起到粘接增强体成为整体并转递载荷到增强体的主要组分之一。第三节第三节C/C复合材料的特征复合材料的特征其主要特征为：1.合材料所具有的可设计性；2.量轻，其密度为1.652.0g/cm3，仅为钢的四分之一；3.学特性随温度升高而增大（2200以前），是目前唯一能在2200以上保持高温强度的工程材料；4线膨胀系数小，高温尺寸稳定性好；5异的耐烧蚀性能；6损伤容限高，良好的抗热震性能；7摩擦特性好，摩擦系数稳定，并可在0.20.45范围内调整；8承载水平高，过载能力强，高温下不会熔化，也不会发生粘接现象；9使用寿命长，在同等条件下的磨损量约为粉末冶金刹车材料的1/31/7；10热系数高、比热容大，是热库的优良材料；11异的抗疲劳能力；12有一定的韧性；维修方便第二章研究内容第二章研究内容第一节第一节C/C复合材料的组成结构复合材料的组成结构主要成分包括：碳纤维骨架和碳基体主要成分包括：碳纤维骨架和碳基体碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。如图似人造石墨，是乱层石墨结构。如图2-1-1图图2-1-1乱层石墨结构乱层石墨结构碳纤维化学性质 碳纤维是含碳量高于90的无机高分子纤维。其中含碳量高于99的称石墨纤维。目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、氧化及脱氧等 基体 基体为复合材料中起到粘接增强体成为整体并转递载荷到增强体的主要组分之一。碳(石墨)基体使用温度在有抗氧化措施的条件下可超过2000。C/C复合材料的基体材料有热解碳和浸渍碳两种。1.热解碳主要是甲烷、乙烷、丙烷和乙烯以及低分子芳烃等组成，经高温列举生成碳。2.浸渍碳主要有沥青和树脂组成。热解碳原料来源丰富，质量可靠，品种多，且成本低，选材范围广。第二节第二节C/C复合材料的性能复合材料的性能C/C复合材料的姓名与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等因素密切相关，由于复合材料结构复杂，制备工艺差异大，所以数据的分散性较大，但仍具有一定的规律可循。1.力学性能力学性能C/C复合材料不仅密度小，而且抗拉强度和弹性模量高于一般碳素材料，因此碳纤维的增强效果十分明显，同时，挠曲强度也高于一般碳素材料。C/C复合材料属于脆性材料，其断裂应变较小，仅为0.12%-2.4%。但是，其应力-应变曲线呈现出“假塑性效应”，显然曲线在施加负荷初期呈现出线性关系，但后来又变成双线性。这种假塑性效应使C/C复合材料在使用过程中有更高的可靠性，避免了常用的ATI-S石墨的脆性断裂。2.热物理性能热物理性能C/C复合材料具有良好的尺寸稳定性，其热膨胀系数小（仅为金属材料的1/5-1/10），高温热应力小，热导率高。C/C复合材料的比热高，随温度上升而增大，因此能储存大量热能。C/C复合材料的抗热震性很大，为各类石墨制品的1倍-40倍。3耐烧蚀性能耐烧蚀性能C/C复合材料有效烧蚀率高，材料烧蚀时能带走大量热。经高温石墨化后，C/C复合材料的烧蚀性能将更加优异。C/C复合材料暴露于高温和快速加热环境中，由于蒸发升华和可能的热化学氧化，使其部分表面可以被烧蚀。但其表面的凹陷浅，良好地保持其外形，且烧蚀均匀和对称，因此，广泛应用作耐烧蚀材料。4.化学稳定性化学稳定性C/C复合材料具有和碳一样的化学稳定性，C/C复合材料的最大缺点是耐氧化性能差。提高其抗氧化性的方法提高其抗氧化性的方法：1.在浸渍树脂时加入抗氧化物质或在气相沉积时加入其他抗氧化元素2.用碳化硅涂层来提高其抗氧化能力 即将C/C复合材料制品埋在混合好的硅、碳化硅和氧化铝的粉末中，在氩气保护下加热到1710C并保持2h，可得到完整的碳化硅涂层。第二节第二节C/C复合材料的应用复合材料的应用1.C/C复合材料在先进飞行器上的应用复合材料在先进飞行器上的应用C/C复合材料主要是受先进飞行器的要求所推动，因此首先在这些领域开始试用，战略导弹，载人飞船以高速返回地球通过大气层时，由于绝热压缩空气阻力产生冲击波，使飞行器表面温度急剧升高，最苛刻的部位温度高达2760度。C/C复合材料具有优良的耐烧蚀性 神六神六 杨利伟和神六神七载人飞船碳纤维是一种主要由碳元素组成的特殊纤，具有轻而强、抗疲劳、抗腐蚀等独特秉”比重不到钢的1/4，抗拉强度却是钢的7至9倍。换句话说，两架同样自重的飞机，用碳纤维材料做“外衣”的那架载重量更！2.C/C复合材料在刹车材料方面的应用复合材料在刹车材料方面的应用由于C/C料不仅具有良好的耐高温性，而且还具有优异的耐磨损性。法国欧洲动力公司大量生产C/C材料刹车片，用做飞机，汽车和高速火车的刹车材料。法国碳工业公司1994年开始批量生产汽车用c/c复合材料刹车片，并于当年使用C/C材料刹车片的汽车出厂，并批量生产。日本将C/C材料用做飞机刹车材料已有10多年的历史。各种汽车刹车片 MP4-12C车身和底盘则选择单片式碳纤维（CarbonMonoCell）及复合材料打造，这样以来MP4-12C的将拥有更出色的动力性和安全表现。雪铁龙DS3 Racing限量版碳纤维四活塞刹车卡钳 除了汽车，还有许多交通工具应用刹车材料刹车材料3、固体火箭发动机喷管上的应用、固体火箭发动机喷管上的应用 采用 C/C 复合材料的喉衬、扩张段、延伸出口锥，具有极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓，可提高喷管效率1%3%,即可大大提高了SRM 的比冲。C/C 复合材料自上世纪70 年代首次作为固体火箭发动机(SRM)喉衬飞行成功以来，极大地推动了SRM喷管材料的发展。火箭发射场面4、涡轮发动机、涡轮发动机 C/C 复合材料在涡轮机及燃气系统(已成功地用于燃烧室、导管、阀门)中的静止件和转动件方面有着潜在的应用前景,例如用于叶片和活塞，可明显减轻重量,提高燃烧室的温度,大幅度提高热效率。风能发电叶片的叶尖传动轴风能发电叶片的叶尖传动轴 7、内燃发动机、内燃发动机 C/C 复合材料因其密度低、优异的摩擦性能、热膨胀率低，从而有利于控制活塞与汽缸之间的空隙，目前正在研究开发用其制活塞。由于 C/C 复合材料的高温力学性能，使之有可能成为工作温度达15001700 的航空发动机的理想材料,有着潜在的发展前景。6、C/C 复合材料用作高温结构材料复合材料用作高温结构材料 7.C/C复合材料在其他方面的应用复合材料在其他方面的应用具有轻质和一材多用的C/C复合材料是今后汽车工业4142大量使用的行业之一。汽车质量与其燃料消耗有密切关系。车越轻，消耗每千克汽油行驶的里程越远。美国福特汽车公司用石墨纤维增强复合材料为主制成了LTD实验车，质量仅为1130kg，而同类竞赛材料车为1690kg，减小560kg。同类车每升汽油只能行驶1.9km，而LTD实验车为2.6km，达到了美国政府规定的汽车燃料消耗标准。碳纤维被应用在车身、内饰、座椅和车轮上，整车重量减少了100 kilos。这样做的结果就是0-62mph加速为3.2秒，极速351 kph(217mph)。安全性和底盘硬度得到加强，同时利用结合了FIA规定的三角滚柱罩，轻质的碳纤维座椅和附加的4pt 赛车专用安全带。在玻璃工业中，美国已经把自己生产的K-Krab型C/C复合材料成功地用于玻璃工业中的“热端”。在体育用品方面，C/C复合材料因其质量小、刚性好合不易破断等特殊性能而被国内外用了制作竞赛用自行车、高尔夫球杆和游艇等文体用品。在医学方面，C/C复合材料因其与人体有良好的生物相容性而被用做牙床、骨骼和人体关节。在发热元件上，C/C复合材料因其能提供优于石墨的力学性能、耐破损、耐高温性而被用做发热元件。在粉末冶金中，因用C/C复合材料制作的热压模比石墨模使用寿命长和能重复使用多次，而用做粉末冶金的热压模。第三节C/C复合材料的制备复合材料的制备C/C复合材料的制造工艺有很多，主要包括坯体的预成型坯体、浸渍、碳化、致密化、石预成型坯体、浸渍、碳化、致密化、石墨化合抗氧化涂层墨化合抗氧化涂层等工艺。如下图：第四节第四节C/C复合材料的发展趋势展望复合材料的发展趋势展望C/C复合材料是耐温最高的材料，其强度随温度升高而增加，在2500C达到最大值，同时它有良好的抗烧蚀性能和抗热震性能。鉴于该材料独特的性能，在高温长寿命的应用场合，它具有其他材料无可比拟的优越性能，是今后高温材料发展的最主要趋势。C/C复合材料的发展主要受航空航天工业发展的影响，因为它具有高的耐烧蚀性、耐热冲击和超热环境下具有高强度等一系列优点，被认为是载人环境中高性能的烧蚀材料。C/C复合材料与人体硬组织有优异的生物相容性，其弹性模量与人体骨接近，在人体承重骨替换领域具有广阔的应用前景。还认为在C/C复合材料表面制备生物活性涂层具有很大的应用价值。问题问题可以说哪个国家能够完全解决碳碳复合材料的问题哪个国家就享有了发展高性能发动机的主动权。但是C/C复合材料的最大问题仍是抗氧化性能与制备成本，因此目前还没有作为一般性的工业材料使用，而其进一步的推广应用的出路也在减低成本，提高减低成本，提高抗氧化能力抗氧化能力有关C/C复合材料的基本理论问题，如界面结合，断裂行为，高温性能的研究，仍有待进一步完善。另外一些相关的领域如碳碳复合材料的无损检测，质量评价，力学模型，计算，设计等问题也有待解决 第13届年度全球碳纤维展望大会（13th annual Global Outlook for Carbon Fibre）将于9月29-30日在西班牙巴塞罗瓦伦西亚酒店（Barcelo Valencia Hotel）举行。继成功举办过12届全球碳纤维展望大会，组织方intertechPira将本届大会全新命名为“GOCarbonFibre2010”，大会内容将以“碳纤维原丝”和“回收再利用”为线索，涵盖包括碳纤维市场分析，碳纤维生产，碳纤维增强复合材料，和碳纤维回收再利用等一系列当前行业最热门的话题 参考文献参考文献 1陈华辉，邓海金，李明，等.现代复合材料M.北京:中国物资出版社，19972赵宗桂，碳纤维及其复合材料的发展与应用J.甘肃科技，2002（5）：123张晓虎，孟宇，张炜.碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势J.纤维复合材料,2004,21(1):504郑子樵,封孝信,方鹏飞,等.新材料概论M.长沙:中南大学出版社,2009.55曹晓明,武建军,温鸣,等.现金结构材料M.北京:化学工业出版社,2005.46Zhang XD.Progress and trends of biomedical materials.Advanced materials industry,2000,1278张兴栋.生物医学材料的发展动态和趋势.新材料产业,2000,1278 7Huang HS.Present and future of human bones.Modern technology translation,2001,35黄汉生.人工骨的现状与未来.现代科技译丛,2001,358 李平.发展中的炭材料技术A.电气技术发展综述C,2004.1.简述C/C复合材料的定义和特征？2.谈谈C/C复合材料的主要用途?3.简要说明C/C复合材料的制造工艺流程?思考：思考：思考题答案：1,答：C/C复合材料是以炭或石墨纤维为增强体，炭或石墨为基体复合而成的材料。特点：1.合材料所具有的可设计性；2.量轻，其密度为1.652.0g/cm3，仅为钢的四分之一；3.学特性随温度升高而增大（2200以前），是目前唯一能在2200以上保持高温强度的工程材料；4线膨胀系数小，高温尺寸稳定性好；5异的耐烧蚀性能；6损伤容限高，良好的抗热震性能；7摩擦特性好，摩擦系数稳定，并可在0.20.45范围内调整；8承载水平高，过载能力强，高温下不会熔化，也不会发生粘接现象；9使用寿命长，在同等条件下的磨损量约为粉末冶金刹车材料的1/31/7；10热系数高、比热容大，是热库的优良材料；11异的抗疲劳能力；12有一定的韧性；维修方便2答：C/C复合材料的主要用途：（1）.C/C复合材料在先进飞行器上的应用（2）CC复合材料在刹车材料方面的应用（3）固体火箭发动机喷管上的应用（4）C/C 复合材料用作高温结构材料（5）涡轮发动机（6）内燃发动机（7）C/C复合材料在其他方面的应用3答：C/C复合材料的制造工艺流程主要有：预成型坯体、浸渍、碳化、致密化、石墨化合抗氧化涂层等工艺