碳碳复合材料幻灯片.ppt

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1、碳碳复合材料第1页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12碳碳碳碳/碳复合材料简介碳复合材料简介碳碳/碳复合材料存在的不足碳复合材料存在的不足碳碳/碳复合材料应用及展望碳复合材料应用及展望主要内容主要内容碳碳/碳复合材料制备工艺碳复合材料制备工艺第2页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/121.简介简介定义：碳定义：碳/碳复合材料是指以碳纤维作为增碳复合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。强体，以碳作为基体的一类复合材料。性质：密度低、高比强度，比模量高、热性质：密度低、高比强度，比模量高、热传导性低、热膨胀系数断裂韧性好、耐磨、传导性低、热膨胀

2、系数断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀。对宇宙辐射不敏感及在核辐射下耐烧蚀。对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能，是所有已知材料中耐高强度增加等性能，是所有已知材料中耐高温性最好的材料。温性最好的材料。第3页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12 物理性能物理性能碳碳/碳复合材料在高温热处理后的化学成分碳复合材料在高温热处理后的化学成分,碳元素高于碳元素高于99%,像石墨一样像石墨一样,具有耐酸、碱具有耐酸、碱和盐的化学稳定性。其比热容大和盐的化学稳定性。其比热容大,热导率随热导率随石墨化程度的提高而增大石墨化程度的提高而增大,线膨胀系数随石线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等墨化

3、程度的提高而降低等。第4页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12热学及烧蚀性能热学及烧蚀性能碳碳/碳复合材料导热性能好、热膨胀系数低碳复合材料导热性能好、热膨胀系数低,因而热冲击能力很强因而热冲击能力很强,不仅可用于高温环境不仅可用于高温环境,而且适合温度急剧变化的场合。其比热容而且适合温度急剧变化的场合。其比热容高高,这对于飞机刹车等需要吸收大量能量的这对于飞机刹车等需要吸收大量能量的应用场合非常有利。因此可以被用作航天应用场合非常有利。因此可以被用作航天航空材料和刹车片材料。航空材料和刹车片材料。第5页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12 摩擦磨损性能摩擦

4、磨损性能碳碳/碳复合材料中碳纤维的微观组织为乱层碳复合材料中碳纤维的微观组织为乱层石墨结构石墨结构,其摩擦系数比石墨高其摩擦系数比石墨高,特别是它特别是它的高温性能特点的高温性能特点,在高速高能量条件下摩擦在高速高能量条件下摩擦升温高达升温高达1000 C 以上时以上时,其摩擦性能仍然保其摩擦性能仍然保持平稳持平稳,因此可用作刹车片材料。因此可用作刹车片材料。第6页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12力学性能力学性能碳碳/碳复合材料的力学性能主要取决于碳纤碳复合材料的力学性能主要取决于碳纤维的种类、取向、含量和制备工艺等。单维的种类、取向、含量和制备工艺等。单向增强的碳向增强

5、的碳/碳复合材料碳复合材料,沿碳纤维长度方向沿碳纤维长度方向的力学性能比垂直方向高出几十倍。碳的力学性能比垂直方向高出几十倍。碳/碳碳复合材料的高强高模特性来自碳纤维复合材料的高强高模特性来自碳纤维,随着随着温度的升高温度的升高,碳碳/碳复合材料的强度不仅不会碳复合材料的强度不仅不会降低降低,而且比室温下的强度还要高。而且比室温下的强度还要高。第7页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/122.1碳/碳复合材料成型加工方法碳化碳化短纤维与沥青短纤维与沥青或或 树脂混合物树脂混合物预浸物预浸物CVD渗透渗透石墨化石墨化碳碳/碳复合材料碳复合材料热压成型热压成型浸渍树脂戍浸渍树脂戍沥青

6、沥青碳纤维成型物碳纤维成型物.碳纤维成型碳纤维成型物物石墨化的碳石墨化的碳/碳复碳复合材料合材料2.制备工艺制备工艺第8页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12碳化（carbonization）将上述成形物在隔绝空气下热分解为碳和其他产物。石墨化：利用热活化将热力学不稳定的炭原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有 序转化。第9页，共26页，编辑于2022年，星期一石墨化原因石墨化原因 碳元素其外部电子结构有两种:一种是Sp3杂化轨道，金刚石结构 ,C一C 间为 键。一种是SP2杂化,形成石墨片状结构,同一层中C一C 为键层与层之间是键。键很短很强，键长约0.142nm 结合力很强

7、，键相对较弱。2023/1/12第10页，共26页，编辑于2022年，星期一由上可知：由上可知：键很短很强，键相对较弱。因而导致了石墨碳具有各向异性，但沿层面方向具有优异的电、热和力学性能，通常情况下由于键较弱,往往导致层与层间的堆垛不规则或无序，形成多晶碳。由于石墨碳的优异性能源于其有序的结构,因而将无序结构转变为有序结构是碳/碳复合材料制造与应用中非常关键。往往采用热处理等他能量输入的方法进行石墨化转变。2023/1/12第11页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/122.1.1碳纤维和基体先驱物的选择碳纤维和基体先驱物的选择碳纤维的选择常基于所设计材料的用途和使用环境。现在

8、常用的碳纤维有三种，人造丝碳纤维,聚丙烯腈(PAN)碳纤维和沥青碳纤维。碳基体可以从很多碳源采用不同的方法获得，典型的基体有树脂碳和热解碳，前者是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得，后者由烃类气体的气相沉积而成。第12页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/122.2.2碳碳/碳复合材料坯体的成型碳复合材料坯体的成型在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤维或其织物应预先成型为一种坯体。坯体维或其织物应预先成型为一种坯体。坯体可通过可通过长纤维（或带）缠绕、碳毡、短纤长纤维（或带）缠绕、碳毡、短纤维模压或喷射成型、石墨布叠层的方向石维模压或喷射成型、石

9、墨布叠层的方向石墨纤维针刺增强墨纤维针刺增强以及以及多向织物多向织物等方法制得等方法制得多向织物多向织物是研究的的重点，目前以是研究的的重点，目前以三向三向织织物为主，三向织物的细编程度越高，碳物为主，三向织物的细编程度越高，碳/碳碳复合材料的性能也就越好复合材料的性能也就越好第13页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/122D 生产成本低生产成本低在平行于布层的方向在平行于布层的方向拉伸强度较高容易制拉伸强度较高容易制成大尺寸形状复杂的成大尺寸形状复杂的部件部件3D 及多向编织及多向编织具有具有更好的结构完整性更好的结构完整性和各向同性和各向同性第14页，共26页，编辑于202

10、2年，星期一2023/1/122.3 坯体的致密化工艺坯体的致密化工艺碳碳/碳复合材料坯体致密化是向坯体中引入碳复合材料坯体致密化是向坯体中引入碳基体的过程，实质是用高质量的碳填满碳基体的过程，实质是用高质量的碳填满碳纤维周围的空隙。以获得结构、性能优碳纤维周围的空隙。以获得结构、性能优良的碳良的碳/碳复合材料。碳复合材料。主要包括：化学气相法（主要包括：化学气相法（CVD）液相浸渍碳化法液相浸渍碳化法第15页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12化学气相法（CVD）化学气相法化学气相法是直接在坯体孔内沉积碳，以是直接在坯体孔内沉积碳，以达到填孔和增密的目的。达到填孔和增密的目

11、的。化学气相法包括化学气相法包括脉冲法，等温法、热梯度脉冲法，等温法、热梯度法、压差法、等离子体辅助法、压差法、等离子体辅助CVD法法等。等。优点是沉碳易石墨化，且与纤维之间的物优点是沉碳易石墨化，且与纤维之间的物理兼容性好，易于获得性能良好的碳理兼容性好，易于获得性能良好的碳/碳复碳复合材料。缺点是制备周期太长，生产效率合材料。缺点是制备周期太长，生产效率低，对于厚制品，低，对于厚制品，此法也存在着一定的困此法也存在着一定的困难。难。第16页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12热梯度法与均热流类热梯度法与均热流类似，其过程也受气体似，其过程也受气体扩散所支配，但因炉扩散所支

12、配，但因炉压较高，铅坯体厚度压较高，铅坯体厚度方向可形成一定的温方向可形成一定的温差差沉积周期短，制品密沉积周期短，制品密度高，性能比均热法度高，性能比均热法更好。但重复性差更好。但重复性差热梯度法第17页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12压差法压差法沿坯体厚度方向造成沿坯体厚度方向造成一定的压力差，反应一定的压力差，反应气体被强行通过多孔气体被强行通过多孔坯体坯体沉积速度快，渗透沉积速度快，渗透时间较短，沉积的时间较短，沉积的碳也较均匀，适用碳也较均匀，适用于外部透气性低的于外部透气性低的部件部件第18页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12液相浸渍碳化法

13、液相浸渍碳化法液相浸渍法设备比较简单，适用性广泛，它是将碳纤制成的预成型体浸入液态的浸渍剂中，通过加压使浸渍剂充分渗入到预成型体的空隙中，再通过固化 碳化石墨化等一系列过程的循环，最终得到复合材料。缺点是要经过反复多次浸渍碳化的循环才能达到密度要求。优点是技术简单，容易制得尺寸稳定的制品。第19页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/123.碳碳/碳复合材料存在的不足碳复合材料存在的不足高温氧化性气氛下极易氧化高温氧化性气氛下极易氧化碳复合材料生产的成本较高大碳复合材料生产的成本较高大尺寸制造工艺也有待提高尺寸制造工艺也有待提高第20页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/

14、1/124.碳碳/碳复合材料应用碳复合材料应用明显看出，对碳材料的需求逐年增加第21页，共26页，编辑于2022年，星期一航天应用航天应用2023/1/12第22页，共26页，编辑于2022年，星期一暴风雪，薄壳抗氧化，防热2023/1/12第23页，共26页，编辑于2022年，星期一三叉戟鼻锥，发动机喷管喉衬2023/1/12第24页，共26页，编辑于2022年，星期一2023/1/12 碳/碳复合材料由于其耐高温、摩擦性好，目前已广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件、导弹弹头、飞机及赛车的刹车装置、热元件、机械紧固件，热交换器和航空发动机的热端部件等。第25页，共26页，编辑于2022年，星期一谢谢谢谢2023/1/12第26页，共26页，编辑于2022年，星期一