碳纤维复合材料.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章,C/C,复合材料,定义：,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全碳质复合材料。,C/C,复合材料发展；,C/C,复合材料的特性；,C/C,复合材料的原材料；,C/C,复合材料成型加工方法；,C/C,复合材料应用。,1,6.1 C/C,复合材料的发展,石墨：,具有耐高温、抗热震、导热好、弹性模量高、耐磨、化学惰性以及强度随温度升高而增加等性能，是优异的适合于惰性气体环境和烧蚀环境的高温材料。但韧性差，对裂纹敏感。,C/C,复合材料：,以碳纤维增强碳基体的,C/C,复合材料。它除能保持碳（石墨）原来的优良性能外，又能克服它的缺点，大大提高了韧性和强度，降低了热膨胀系数，尤其是因为相对密度小，具有很高的比强度和比模量。,2,材料的发展与需求相联系,耐烧蚀材料需求：,飞船返回舱和航天飞机的鼻嘴最高温度分别为,1800,和,1650,。,C/C,具有高烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击和超热环境下具有高强度等优点。可耐受,10000,的驻点温度，在非氧化环境下可保持在,2000,以上。是再入环境中高性能的理想烧蚀材料。,高温耐磨材料需求：,C/C,是唯一能在极高温度下使用的摩阻材料，且密度仅为,1.7,1.9,。,3,6.2 C/C,复合材料的特性,C/C,复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等密切相关。,力学性能,热物理性能,烧蚀性能,化学稳定性,4,6.2.1,力学性能,C/C,复合材料强度与组分材料性质、增强材料的方向、含量以及纤维与基体界面结合程度有关；,室温强度和模量,一般,C/C,：拉伸强度,270GPa,、弹性模量,69GPa,先进,C/C,：强度,349MPa,，其中单向高强度,C/C,可达,700MPa,。（通用钢材强度,500,600MPa,）,高温力学性能,：室温强度可以保持到,2500,，在,1000,以上时，强度最低的,C/C,的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高，是当今在太空环境下使用的高温力学性能最好的材料。,对热应力不敏感,：一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学性能损失。,5,6.2.2,物理性能,热膨胀性能低,：常温下为-0.41.8,10-6/K,，仅为金属材料的,1/5,1/10,；,导热系数高,：室温时约为,0.38,0.45 cal/cms,（,铁,：,0.13,），当温度为,1650,时，降为,0.103 cal/cms,。,比热高,：其值随温度上升而增大，因而能储存大量的热能，室温比能约为,0.3 kcal/kg,（,铁,：,0.11,）,1930,时为,0.5 kcal/kg,。,密度：,1.7,1.9,；,熔点,：,4100,。,耐磨性：,摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损性能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。,6,6.2.3,烧蚀性能,烧蚀性能,：在高温高压气流冲刷下，通过材料发生的热解、气化、融化、升华、辐射等物理和化学过程，将材料表面的质量迁移带走大量的热量，达到耐高温的目的。,C/C,的升华温度高达,3600,，在这样的高温度下，通过表面升华、辐射除去大量热量，使传递到材料内部的热量相应地减少。,表,6-1,不同材料的有效烧蚀热的比较,7,6.2.4,化学稳定性,C/C,除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎,99%,以上都是元素,C,，因此它具有和,C,一样的化学稳定性。,耐腐蚀性,：,C/C,像石墨一样具有耐酸、碱和盐的化学稳定性；,氧化性能：,C/C,在常温下不与氧作用，开始氧化温度为,400,，高于,600,会严重氧化,。提高其耐氧化性方法,成型时加入抗氧化物质或表面加碳化硅涂层。,8,6.2.5,其他性能,生物相容性好,：是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和牙床的优良替代材料；,安全性和可靠性高,：若用于飞机，其可靠性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构件从产生裂纹至破断的时间是,1mim,，而,C/C,是,51mim,。,9,表,6-2 C/C,与宇航级石墨,ATJ-S,性能比较,性能,温度,T-50-221-44,ATJ-5,X-y,向,Z,向,结晶向,结晶向,密度,24,1.9,1.83,拉伸强度,/MPa,24,2500,140,280,126,231,39.6,54.3,30.5,43.4,抗拉模量,/GPa,24,2500,59.4,40.9,52.4,30.5,11.7,11.2,7.8,7.4,断裂延伸率,/%,24,2500,0.18,0.2,0.2,0.21,0.45,2.0,0.54,2.2,抗弯强度,/MPa,24,2500,142,190,42.7,70.4,38.2,68.5,T-50-221-44,为三向正交细编,C/C,复合材料,10,6.3 C/C,用组分材料选择,C/C,用碳纤维选择,C/C,的基体前驱体,11,6.3.1 C/C,用碳纤维选择,1,）碳纤维碱金属等杂质含量越低越好,C/C,的一个重要用途是耐烧蚀材料，钠等碱金属是碳的氧化催化剂；,当,C/C,用来制造飞行器烧蚀部件时，飞行器飞行过程中由于热烧蚀而在尾部形成含钠离子流，易被探测和跟踪，突防和生存能力受到威胁。,制造,C/C,的碳纤维碱金属含量要求,100mg/kg,，目前黏胶基碳纤维和,PAV,基碳纤维（特别是石墨纤维）碱金属含量均满足要求。碱金属含量,50mg/kg,的超纯碳纤维的研制也正在进行中。,12,2,）对性能要求,采用高模量中强或高强中模量碳纤维制造,C/C,不仅强度和模量的利用率高，而且具有优异的热性能。,例如：选用,HM,（高模量型）,MP,（中间相）或,MJ,系列纤维由于发达的石墨层平面和较好的择优取向，抗氧化性能不仅优于通用的乱层石墨结构碳纤维，而且热膨胀系数小，可减小浸渍碳化过程中产生的收缩以及减少因收缩而产生的裂纹，使整体的综合性能得到提高。,13,3,）对碳纤维表面处理及界面特性的要求,碳纤维表面处理对,C/C,有显著的影响,未经表面处理的碳纤维，两相界面粘接薄弱，基体的收缩使两相界面脱粘，纤维不会损伤；当基体的裂纹传播到两相界面时，薄弱界面层可缓冲裂纹传播速度或改变传播方向，或界面剥离吸收掉集中的应力，从而使碳纤维免受损伤而充分发挥其增强作用，使,C/C,强度提高。,未经表面处理的碳纤维和石墨纤维更适宜制造,C/C,复合材料。,14,6.3.2 C/C,的基体前驱体,C/C,的基体材料有热解碳和浸渍碳两种。,热解碳的前驱体,：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烃等；,浸渍碳的前驱体,：主要有沥青和树脂，,沥青,：主要采用天然沥青和煤沥青；,树脂,：采用热固性树脂或热塑性树脂，常用热固性树脂,酚醛、呋喃、糠醛、糠醇和聚酰亚胺等，热塑性树脂,聚醚醚酮、聚芳基乙炔、聚苯并咪唑等。其中用量最大的是酚醛和呋喃类树脂。,比较,：沥青浸渍碳,产碳率较低，但易于石墨化，生成的碳电阻率低、热导率高、模量高，最终生成各向同性的石墨；树脂浸渍碳,产碳率高，但难以石墨化，且电阻率高、热导率低，最终生成各向异性的石墨。,15,6.3.3,基体前驱体组成及碳收率,前驱体中的含碳量和热解碳收率是评价前驱体优劣的两个重要指标,表,6-3,基体前驱体及其组成,表,6-4,基体前驱体含碳量及热解碳收率,16,6.4 C/C,复合材料的成型技术,C/C,复合材料制备：液体浸渍分解法和气相沉积法,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,17,6.4.1,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。,18,6.4.2,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。,19,一、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%,。,20,2,）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%,。,21,3,）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。,表,6-5 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。,22,二、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。,23,1,）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。,24,2,）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。,25,3,）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。,26,三、,CVD,法的优缺点,优点,：基体性能好，且与其他致密化工艺一起使用，充分利用各自的优势。可以将,CVD,法和液态浸渍法联合应用，可以提高材料的致密度。,缺点,：沉积碳的阻塞作用形成很多封闭的小空隙，得到的,C/C,复合材料密度低。,表,6-6,树脂,/,沥青浸渍与,CVD,制,C/C,复合材料性能比较,27,6.5 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,发展趋势与应用前景,28,6.5.1,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。,表,6-7 C/C,在航天飞机上的应用,表,6-8 C/C,在战略导弹上的应用,。,29,图,6-1 C/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,30,图,6-2,导弹鼻嘴,31,6.5.2,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,。,32,6.5.3,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。,33,6.5.4 C/C,的发展趋势与应用前景,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。,34,图,6-3 C/C,可能应用于小汽车的部位,35,本章小结,C/C,复合材料？,C/C,复合材料的特性；,C/C,复合材料组分材料的种类和基本要求；,C/C,复合材料制备方法；,C/C,复合材料的应用领域。,36,