碳碳编织复合材料介绍复制.pptx

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1、碳纤维碳纤维的模量范围从206GPa到689GPa，强度范围从1.7GPa到4.1GPa高模纤维比低模纤维拥有高的热传导率，高的密度和碳产率和低的热膨胀系数。如果把低模纤维加热到石墨化温度2500K，首先模量增加，轴向排列整齐度和微晶尺度也增大。并且晶面间的距离减小，纤维收缩。第1页/共41页碳纤维连续碳纤维的制作过程是抽丝、氧化定型、碳化和石墨化。1960s早期，采用人造纤维作为碳纤维的先驱体 利用PAN（聚丙烯腈）作为碳纤维的先驱体利用沥青作为碳纤维的先驱体 第2页/共41页复合材料抗氧化处理如果发生氧化，CC复合材料的性能迅速下降。当温度高于500，碳纤维和氧气接触，碳纤维氧化的速度非常

2、迅速。当有2%-5%重量的碳纤维发生氧化，碳纤维的力学性能会降低40%-50%。抗氧化处理通过净化去除催化氧化剂，钝化反应基加入一些元素或化合物阻止氧气与纤维接触开发外部涂层技术。第3页/共41页碳基体一般有三种碳基体先驱体热塑型沥青热固型树脂CVI方法选择哪种方法的原则：很到程度上依赖于生成复合材料部件的几何形状。厚度薄的部件主要采用CVI方法；厚度厚的部件使用树脂或沥青渗透；复杂形状的几何部件使用树脂渗透。一般利用混合方法对碳纤维增强复合材料进行致密化处理。第4页/共41页界面界面的性能取决于纤维的类型纤维表面活性基体的类型（树脂前驱，CVI的微观结构和沥青前驱）基体活性纤维体积含量加工条

3、件致密化程度纤维方向和层压板厚度。好的界面使复合材料在纵向拉伸时破坏应变等于基体的破坏应变，很好的纤维与基体的结合降低了材料在纤维方向的性能并且使材料变脆。如果纤维和基体发生脱粘，复合材料会表现伪塑性（pseudo-plasticity）。第5页/共41页C/C复合材料力学性能对比通过致密化到四个周期材料的所有性能都有所改善，但是横向强度变低，没有造成层间剪切强度的降低。横向强度层间剪切强度常温石墨化温度碳纤维增强炭化Borden SC-1008酚醛材料 6MPa 4.8MPa或更小 20.7 MPa to 24.8 MPa 碳纤维增强PPQ resin char材料 4.7MPa 3.4MP

4、a或更小 14.5 MPa 碳纤维增强FF-26 resin char材料 5.2MPa 3.1MPa或更小 19.9 MPa CVD碳化酚醛树脂焦碳纤维增强复合材料 14MPa到30MPa 16MPa到27MPa 第6页/共41页组分材料的力学性能碳纤维第7页/共41页纤维束壳的影响第8页/共41页碳基体基体的有效性能直接与处理历程和浸渍方法相关。基体的微裂纹与复合材料最后处理的温度有关。微裂纹影响复合材料内部基体的性能（剪切性能和热膨胀）。通过热膨胀和45度拉伸试验确定与温度相关的基体材料性能。第9页/共41页碳基体第10页/共41页纤维预制件第11页/共41页纱线第12页/共41页机织结

5、构第13页/共41页编织结构第14页/共41页缠绕和编织结构对比第15页/共41页编织和机织复合材料性能第16页/共41页Hiroshi Hatta,Keisuke Taniguchi,Yasuo Kogo.Compressive strength of three-dimensionally reinforced carbon/carbon composite.Carbon 43(2005)3513583D C/C 增强相位PAN基高强度型纤维，纤维体积分数48%（每个方向为16%），通过927K，1000atm，使用煤焦油沥青作为浸渍材料，然后通过2800K热处理，最后密度为1.9g/cm

6、3。2D C/C Torayca M40，使用预浸纤维束方法，6K碳纤维，利用尼龙似把纤维束固定成单向的预浸渍板，对称铺层，873K HIP,2300K在惰性气体环境下热处理，纤维体积分数为50%第17页/共41页压缩试验前期试做第18页/共41页压缩试件尺寸的影响第19页/共41页高温压缩性能第20页/共41页Ken Goto,Hiroshi Hatta,Masato Oe,Takashi Koizumi.Tensile Strength and Deformation of a Two-Dimensional CarbonCarbon Composite at Elevated Tempe

7、ratures.J.Am.Ceram.Soc.,86 12 212935(2003)2D C/C Torayca M40，使用预浸纤维束方法，6K碳纤维，利用尼龙似把纤维束固定成单向的预浸渍板，0/904s 对称铺层，873K HIP,2273K在惰性气体环境下热处理，纤维体积分数为40%。利用单向CC复合材料粗略的预报纤维基体的粘接强度。第21页/共41页拉伸试验结果第22页/共41页高温拉伸蠕变性能第23页/共41页CC复合材料的拉伸强度随着温度的升高而增大的主要机制：排出气体（吸收的水）的影响基体强度与温度的依赖性纤维基体界面蠕变变形的影响热应力的影响纤维强度的影响第24页/共41页基体

8、强度与温度的依赖性第25页/共41页纤维基体界面界面粘接强度降低能够增强C/C复合材料的拉伸强度第26页/共41页Hiroshi Hatta,Ken Goto,Shinya Ikegaki,Itaru Kawahara,Mohamed S.Aly-Hassan,Hiroyuki Hamada.Tensile strength and fiber/matrix interfacial properties of 2D-and 3D-carbon/carbon composites.Journal of the European Ceramic Society 25(2005)5355423D C

9、/C 正交编织 xyz三向分别40,13,3%的纤维体积分数，纤维高强度IM600碳纤维2D C/C 酚 醛 树 脂 板 200mm*200mm*2mm 纤维体积分数60%，纤维高强度IM600碳纤维煤焦油沥青真空浸渍，650摄氏度100MPa下炭化，2300摄氏度在惰性气体下石墨化第27页/共41页界面强度测试第28页/共41页致密化次数的影响第29页/共41页致密化次数的影响3D-C/C-23D-C/C-5第30页/共41页致密化次数的影响第31页/共41页利用有限元方法预报材料的有效性能第32页/共41页计算材料有效性能的方法有很多：刚度平均化方法，细观力学方法，有限元方法等。组分材料的

10、性能 材料性能刚度平均化方法等应力等应变假设细观力学方法夹杂理论建立细观材料与宏观材料或者细观材料之间的关系如应力、应变等有限元方法有限元方法是利用单元离散，通过节点与节点连接传递应力以及保持应变协调。因此，材料性能是细观组分材料响应的宏观表现因此，材料性能是细观组分材料响应的宏观表现第33页/共41页模拟实验法含有缺陷细观结构没有周期性特征体元法具有周期的细观几何结构细观结构复杂有限元方法第34页/共41页宏观应力应变的求解方法类实验求解法宏观应力=节点反力/名义横截面积体积平均方法宏观应力分量=（单元积分点体积*单元积分点的应力分量）/代表体积单胞总体积求和第35页/共41页体积平均方法n该材料本构可以写为：刚度系数施加的非零位移边界条件C的第一列C的第二列C的第三列C的第四列C的第五列C的第六列第36页/共41页约束周期边界条件为了保持应力的连续性和位移的协调性，施加耦合位移约束对代表单胞有限元模型进行力学分析。第37页/共41页约束第38页/共41页载荷第39页/共41页谢谢！敬请批评指正！第40页/共41页感谢您的观看！第41页/共41页