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复合材料.pptx

上传人:人****来 文档编号:4832203 上传时间:2024-10-14 格式:PPTX 页数:39 大小:6.22MB
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资源描述

1、碳碳复合材料制作人:碳碳复合材料E应用C制备B性能A简介D优缺点简介定义:碳碳复合材料(c-c composite or carbon-carbon composite material)是指以碳纤维作为增强体,以碳作为基体的一类复合材料。碳碳复合材料由三种不同组分构成,即树脂碳,碳纤维和热解碳。由于它几乎是由元素碳构成,故能承受极高的温度和极大的加热速率。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,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温性最好的材料。碳碳复合材料的性能物理性能 碳碳碳碳复复合合在在高高温温热热处处理理后后的的化

2、化学学成成分分,碳碳元元素素高高于于9999,像像石石墨墨一一样样,具具有有耐耐酸酸,碱碱和和盐盐的的化化学学稳稳定定性性。其其比比热热容容大大,热热导导率率随随石石墨墨化化程程度度的的提提高高而而增增大大,线线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等。热学及烧蚀性能 碳碳碳碳复复合合材材料料导导热热性性能能好好,热热膨膨胀胀系系数数低低,因因而而热热冲冲击击能能力力很很强强,不不仅仅可可用用于于高高温温环环境境,而而且且适适合合温温度度急急剧剧变变化化的的场场合合。其其比比热热容容高高,这这对对于于飞飞机机刹刹车车等等需需要要吸吸收收大大量量能能量量应应用用场场合

3、合非非常常有有利利。因因此此可可以以被被用用作航天航空材料和刹车片材料。作航天航空材料和刹车片材料。碳碳复合材料的性能摩擦磨损性能 碳碳碳碳复复合合材材料料中中碳碳纤纤维维的的微微观观组组织织为为乱乱层层石石墨墨结结构构,其其摩摩擦擦系系数数比比石石墨墨高高,特特别别是是它它的的高高温温性性能能特特点点,在在高高速速高高能能量量条条件件下下摩摩擦擦升升温温高高达达10001000以以上上时时,其摩擦性能依然保持平稳,因此可用作刹车片材料其摩擦性能依然保持平稳,因此可用作刹车片材料。力学性能 其其主主要要取取决决于于碳碳纤纤维维的的种种类类,取取向向,含含量量和和制制备备工工艺艺等等。单单向向增

4、增强强的的碳碳-碳碳复复合合材材料料,沿沿碳碳纤纤维维长长度度方方向向的的力力学学性性能能比比垂垂直直方方向向高高出出几几十十倍倍。碳碳-碳碳复复合合材材料料的的高高强强高高模模特特性性来来自自碳碳纤纤维维,随随着着温温度度的的升升高高,你你-碳碳复复合材料的强度不仅不会降低,而且比室温下的强度还要高。合材料的强度不仅不会降低,而且比室温下的强度还要高。碳碳复合材料的制备工艺碳碳复合材料的成型加工方法很多,其各种工艺过程大致可归纳为下图几种方法:碳纤维成型物预浸物短纤维与沥青或树脂混合物CVD渗透碳化石墨化的碳碳复合材料热压成型喷射成型浸渍树脂成沥青碳-碳复合材料石墨化制备过程中的几个重要环节

5、:预成型体 基体碳 树脂(沥青)浸渍-碳化工艺 CVD/CVI工艺1.预成型体C-C复合材料制备的基本思路是将碳纤维作增强材料,预先制成多孔隙的预制体,然后再以碳基体填充空隙,逐渐制成C-C复合材料。预制体(preform,或预成型体)是采用编织方式成2维,3维或多维,带30%70%孔隙的碳纤维层,板,体等形状。也可以用浸渍树脂或沥青的碳纤维直接进行编织。有些是采用编织好的层状(2维)或碳毡迭层,并在Z向进行穿刺制成碳纤维预制体。总之,C-C复合材料的性能,形状取决于预制体的形状和碳纤维的分布方式。各种编织方法制成的预制体三维正交预制体五维预制体图片2.基体碳基体碳分为:树脂与沥青浸渍碳和沉积

6、碳两种树脂(沥青)浸渍-碳化对浸渍剂的要求树脂(沥青)碳均是由碳纤维预制体浸渍树脂或沥青浸渍剂后,经固化,再经碳化后所获得的基体碳。C-C复合材料浸渍剂的选择原则:碳化率(焦化率):希望碳化率高,提高效率粘度:易于浸润碳纤维,并易于流入预制体孔隙碳化后能否形成开孔形裂缝或孔隙碳化后强度:碳化后收缩是否破坏预制体的结构显微结构:是否有利于C-C复合材料的性能价格:符合上述条件,价格越便宜越好树脂与沥青碳化特性酚醛与呋喃树脂碳化特性酚醛与呋喃树脂可经高温热解后碳化,所形成的碳为无定形碳微晶结构,乱层结构。偏光下呈各同向性,无偏光效应。一般,树脂碳属硬碳或难石墨化的碳。树脂与沥青碳化特性沥青碳化特性

7、沥青是由多种多环芳香烃碳氢化合物所组成。一般分为:热固性沥青烯(BS):不溶于石油醚,但溶于苯和甲苯;-树脂(BI):不溶于苯和甲苯,但溶于喹啉或吡啶;-树脂(QI):不溶于喹啉或吡啶,高分子量芳香族化合物。沥青碳化率=0.95QI+0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS沥青的压力碳经历以下历程:低分子量物质的挥发气化,脱氢,缩合,裂化和分子的重排,并形成平面形芳环分子;各向同性的液态沥青在400以上形成液晶中间相;中间相又畸变变形,聚集并固化成层状排列的分子结构的碳;这种层状排列的分子结构的碳,在20002500易形成各向异性的碳(易石墨化)。沉积碳 沉积碳是含碳的烷,烯,炔类有机化

8、合物前驱体,经热解后沉积在预制体碳纤维上的碳。在C-C复合材料中采用CVD/CVI工艺时,多采用的CVD碳的前驱体多为甲烷丙烷,乙烯,丙烯或乙炔,有的还采用天然气作为前驱体。在液相气化CVD(CLVD)则采用煤油等含碳前驱体。沉积碳沉积碳是通过CVD/CVI将热解碳沉积在预制体碳纤维表面,并不断沉积增厚。CVD/CVI工艺原理可有以下过程:反应气体通过层流渗透进预制体孔隙(开孔),并沿着碳纤维表面(沉积衬底)的便界层扩散纤维表面吸附反应气体,反应气体在沉积衬底上发生热解反应反应生成的固态碳沉积在碳纤维表面上所产生的气体在沉积衬底解吸附,冰岩边界层区域向孔隙开口处扩散所产生的反应生成的气体排出3

9、.树脂浸渍碳化工艺4.CVD/CVI工艺Processing of carbon/carbon compositrs by chemical vapor deposition(CVD)processMultiple CyclesCarbon FiberPreformCVDC/C CompositeC/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有:等温法压力梯度法温度梯度法化学液气相沉积法等温CVD法 等温工艺也称为恒温法,是目前C-C复合材料制备中最常用的方法。等温法是指预制体在经CVD碳填充时,整个预制体处于同一温度下。等温法突出特点是可以生产大型C-C复合材料构件,并可同一炉生产多件。等温法又

10、分为:真空等温法和压力等温法两者的区别在于CVD 炉内压力影响CVD法沉积的工艺参量:温度压力反应气体流量及浓度CVD/CVI其他工艺等温CVD工艺的最大缺点是沉积速度慢,C/C复合材料达到设计的致密度往往需要经过反复CVD-出炉-机加工等工序,需要10002000小时才能完成。而且由于沉积速度慢,反应气体的利用率非常低,需回收分离。因此,等温工艺造成C-C复合材料的成本非常高。为了提高CVD沉积速度,作为等温工艺的改进,提出了以下一些改进的工艺:压力梯度CVD工艺温度梯度CVD工艺压力/温度梯度CVD工艺CLVD等工艺压力梯度工艺:压力梯度CVD工艺是利用反应气体通过预制体时的强制流动,预制

11、体对流动气体产生阻力,在预制体上下,内外形成压力梯度。工艺特点:随着反应气体压力的增加,扩散速度及反应速度加快,沉积速度加快孔隙开口端由于气体流动加快后,不易密封,并随着孔隙沉积碳的不断沉积填充,预制体上下,内外的压力梯度增大压力梯度的增大,有进一步提高了反应,沉积速度温度梯度工艺温度梯度工艺是利用预制体内发热体形成预制体内外温度梯度,造成反应气体在内,外侧的扩散及沉积速度不同,从而避免了预制体外层表面的结壳,而内侧则提高沉积速度工艺特点;CVD炉加热需采用感应加热方式预制体多为空心筒体或椎体,内有石墨模具(做发热体)预制体需采用导热性较低的纤维沉积碳沉积由预制体内道外逐渐填充,首先是靠近发热

12、体内侧沉积通过反应气体流量及压力控制,形成预制体内外较大温差化学液气相沉积法(CLVD)CLVD工艺是29世纪80年代首先由法国发明的,开拓了制备C/C复合材料的新思路,并迅速的到重视。CLVD是预制体浸泡在业态前驱体中,通过加热,是预制体孔隙中的液态前驱体气化,裂解沉积,而不是直接由气相扩散渗透后裂解沉积。CLVD工艺致密化的过程实际上是气固表面的多相化学反应,是一种特殊形式的CVD工艺。传统CVD工艺主要是扩散传质,而CLVD工艺中先驱体的传输主要为流动传输,因此具有很高热解碳沉积速率。CLVD原理示意图CLVD致密化过程将预制体浸渍于液态烃先驱体中(如环己烷,煤油等)将整个系统加热至液态

13、先驱体沸点,液态烃沸腾,气化热损失使预制体外表面一侧温度下降而发热体接触的内表面仍保持高温在预制体内部产生较大的温度梯度当加热到一定的温度梯度后,预制体内侧高温区烃就会发生裂解反应沉积出热解碳随着反映的进行,致密化前沿从预制体内侧逐渐向外推移,最后完成预制体的致密化前驱体液态烃的选择原则含碳量高,不含或少含杂原子,纯度较高沸点适中较低热解温度,物质结构中含有活性基团高残碳率,成本低,无毒或毒性小考虑到大量异构体存在,前驱体的碳原子数以68个为好,如环己烷。,煤油(航煤3#),柴油(0#)三种燃油低分子烃混合物,成分复杂,沸点偏高些,但价格便宜,来源广泛,常用作CLVD液态前驱体。CLVD加热方

14、式CLVD加热方式主要有两种:电阻式加热和感应式加热电阻式加热 电阻式加热即对预制体直接通电加热特点:效率高,速度快,可以直接对工件进行加热,达到形成温度梯度的目的。感应式加热 感应式加热是通过电磁感应方式加热,因此首先受热的是预制体内部,热量由内向外传递,形成温度梯度特点:对前驱体无任何导电要求,安全性也大大提高,但发热效率和升温速度要差一些。碳碳复合材料存在的不足高温氧化气氛下极易氧化碳复合材料生产的成本较高大尺寸制造工艺也有待提高目前在C-C复合材料研究领域亟待解决的问题:研究高效,低成本的,快速制备的工艺方法;研究能在1800以上长期使用的抗氧化涂层;研究高性能耐烧蚀C-C复合材料并应

15、用于固体火箭喉衬材料;改进C-C复合材料的摩擦磨损性能,使之更加满足于刹车材料的应用。特性 尽管碳/碳复合材料有诸多优良的高温性能,但它在温度高于400的有氧环境中发生氧化反应,导致材料的性能急剧下降。因此,碳/碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须有氧化防护措施。碳/碳复合材料的氧化防护主要通过以下两种途径,即在较低的温度下可以采取基体改性和表面活性点的钝化对碳/碳复合材料进行保护;随着温度的升高,则必须采用涂层的方法来隔绝碳/碳复合材料与氧的直接接触,以达到氧化防护的目的。目前使用最多的是涂层的方法,随着技术的不断进步,对碳/碳复合材料超高温性能的依赖越来越多,而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层防护。应用及发展应用及发展碳/碳复合材料由于其独特的性能,已广泛应用于航空航天、汽车工业、医学等领域,碳碳复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响。它具有高的灼烧热,低的烧蚀率抗热冲击和超热环境下具有高强度等一系列优点,被认为是一种高性能的的烧蚀材料。除此之外,还广泛应用于汽车工业,医学等领域。碳碳复合材料坩埚碳复合材料刹车盘人造骨骼与人造心脏瓣膜

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