碳纤维预制体优秀课件.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,*,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,航天材料一朵,奇葩,-,热结构复合材料,庞生洋,专用材料与器件研究部,热结构复合材料组,2012,年,5,月,22,日,1,热结构复合材料简介,热结构复合材料性能、应用和主要研究机构,金属研究所热结构复合材料发展历程,两种典型热结构复合材料的制备、结构、性能,-,C/C,复合材料,-,C/SiC,复合材料,内容简介,2,提 纲,热结构复合材料简介,典型热结构复合材料的制备、结构、性能,3,热结构复合材料,C/C,复合材料,C/SiC,复合材料,SiC/SiC,复合材料,基体相,增强相,复合材料,=,+,纤维颗粒增强,碳基陶瓷基,UHTC,复合材料,热结构,复合材料,C/C-SiC,C/C-UHTC,C/C-coating,4,C/C,复合材料性能特点及应用,密度低,比强度大,热导率大,膨胀系数小,抗热震优异,抗氧化性差,再入热防护,喷管 大型扩散段,飞机刹车片,使用温度可达,2800C,5,C/C,复合材料性能特点及应用,C/C,复合材料,和,“,金属,”,比较,良好的耐热性,极小的热膨胀率,很轻的重量（只有铁的,1/5,）,良好的耐腐蚀性,和,“,石墨,”,比较,更高的强度,更好的韧性，不易破碎,和,“,陶瓷,”,比较,更好的韧性，不易破碎,不易粘结（不会胶合）,耐热冲击性好,容易加工,和,“,树脂,”,比较,良好的耐热性,良好的耐腐蚀性,高的耐摩擦性,6,C/C,复合材料在核反应堆中重大应用,7,C/C,复合材料民用重大应用,8,C/C,复合材料民用重大应用,炉床,风扇,加热体,炉体,承重板,保温材,保护用异形板,螺栓，螺母，垫片,9,C/C,复合材料民用重大应用,料架,料盒,夹具,弹簧,玻璃生产线用部件,10,密度低,比强度大,热导率大,膨胀系数小,抗热震优异,抗氧化性好,耐磨性突出,C/SiC,复合材料性能特点及应用,再入热防护,发动机鱼鳞片,涡轮 火焰稳定器,装甲板 防弹衣,空间反射镜,使用温度可达,1650C,11,国内外主要研究和生产机构,C/C,复合材料,Messier-Bugatti,Inc,SGLGroup,Inc,Hitco Carbon Composites,Inc,中南大学,Sandia National Laboratories,Oak Ridge National Laboratories,514,厂,43,所,703,所,金属研究所,12,国内外主要研究和生产机构,C/SiC,复合材料,NASA,USA,DLR Institute,Germany,ONERA,France,西北工业大学,SEP,France,Bordeaux University,France,金属研究所,UHTC,复合材料,University of Missouri-Rolla,USA,Institute of Science and Technology for Ceramics,Italy,哈尔滨工业大学,金属研究所,13,金属所热结构复合材料发展历程,1972,年，在国内首先开展,CVI C/C,复合材料研究；,1990,年，在国内首先开展,CVI C/SiC,复合材料研究,(863,计划,),；,1991,年，“化学气相渗及制备新材料”获得国家科技进步二等奖；,1999,年，发明快速,CVI,制备,C/C,材料技术，获国家发明专利授权；,2003,年，采用快速,CVI,制备出,C/SiC,复合材料；,2004,年，开展,C/C,掺杂超高温陶瓷复合材料研究；,2005,年，开展,C/SiC-ZrB2,复合材料研究，制成构件，通过电弧风动试验；,2007,年，建立热结构复合材料生产体系，低成本民品,C/C,走向市场；,08,年以后，开展了,1700,以上，长期抗氧化复合材料研究；,目前研究重点是，采用多种工艺结合，制备低成本短周期的防热构件，包括喷管、防热盖板、端头等形状各异的热结构部件。,14,金属所热结构复合材料发展历程,设计：纤维类型与增强骨架结构、基体、纤维与基体的结合,工艺：均热法、热梯度法、压差温度梯度法、直热法,CVI性能：力学、热物理、化学、摩擦磨损及其它特殊物理性能,应用：航天防热、固体火箭喷管、飞机刹车盘、生物工程、冶金化工、核工业,SiC,涂层,C/C,材料,1987,C/SiC,复合材料,2005,C/C-SiC,纳米基复合材料,1999,C/C,材料,1999,化学气相渗,CVI,（,1972,）,C/C-SiC,梯度基型结,构功能梯度材料,1999,C/C,复合材料,1992,C/C-SiC,梯度基,复合材料,1995,C/C-SiC,纳米基复合材料,1993,C-SiC,梯度涂层,的,C/C,材料,1992,C/SiC,复合材料,1992,C/C-SiC,纳米基复合材料,1992,C/SiC,复合材料,1992,C/C-SiC,双元基复合材料,1990,C/C,材料,1972,压差温度梯度法,均热法,直热法,热梯度法,一致性沉积,共沉积,共沉积,分段沉积,C/C-SiC,梯度基型结构功能梯度材料,1992,共沉积,共沉积,分段沉积,C/C-SiC,双元基型结,构功能梯度材料,1999,C/C-SiC,纳米基复合材料,1991,C/SiC,复合材料,1992,C/C,复合材料,1976,C/ZrB,2,-SiC,复合材料,2006,一致性沉积,分段沉积,C/C-SiC,双元基型结构功能梯度材料,1992,掺杂,C/C,复合材料,2004,C/C-UHTC,复合材料,2004,功能结构一体化复合材料,2004,一致性沉积,一致性沉积,PI+,一致性沉积,15,提 纲,热结构复合材料简介,典型热结构复合材料的制备、结构、性能,16,制备过程,碳纤维预制体,碳纤维布针刺或碳纤维编织而成,传统化学气相渗,聚合物浸渍裂解,制备工艺,碳或碳化硅基体,前驱体浸渍裂解,液态硅浸渍,C/C,或,C/SiC,复合材料,快速化学气相渗,平纹布,4,缎纹布,5,缎纹布,SiC/SiC,复合材料制备具有工艺基础和开发能力,金属所专利技术,C/C,C/SiC,17,传统,CVI,和快速,CVI,Reactive Gas,Exhaust Gas,Heating Element,Preform,CH4,C,2,H,2,C,3,H,8,均热法,快速,CVI,工艺比较成熟,同炉内可放置不同样品,可实现净尺寸制备,沉积效率高、沉积时间短,可制备大厚度样品,对设备腐蚀小,克服了传统,CVI,的两大瓶颈,:,质量传输和反应动力学,18,快速,CVI,制备,C/C,材料,0/90,无纬布,C/C,复合材料,材料致密度较高,1.7g/cm,3,残留有少量层间孔和束间孔,基本填满了纤维间的孔隙,碳基体为粗糙层和光滑层的混合,19,C/C,复合材料快速沉积机理,自由基磁吸引作用,自由基电沉积作用,自由基脱氢聚合过程,20,1.9 g/cm,3,PyC(002),SiC(111),SiC(200),SiC220),SiC(311),SiC(222),2.0 g/cm,3,2.3-2.4 g/cm,3,2.3-2.4 g/cm,3,H2/MTS=0,H2/MTS=0.5,H2/MTS=1.0,H2/MTS=1.5,在,35,小时内成功,制备出大尺寸高密度,C/SiC,板材,(500,200,9mm,2.3-2.4g/cm,3,),快速,CVI,制备,C/SiC,材料,21,小分子沉积机理,CH,3,SiCl,3,CH,3,+SiCl,3,G=292kJ/mol,CH,3,CH,2,+,H,G=550kJ/mol,SiCl,3,SiCl,2,+Cl,G=402kJ/mol,SiCl,2,+e*Si*+2Cl,CH,2,+e*C*+2H,ClSiCl,HC,SiCl,Cl,H,Cl,ClSiCl,SiCl,Cl,HC,H,Cl,Si C Si C Si C,C Si C Si C Si,(a)Magnetic attraction,(c),I,I,I,e,e,e,(b)Electric deposition,(c)Dehydrogen/polymerization reaction,Si,原子面,C,原子面,快速,CVI,制备,C/SiC,材料沉积机理,22,C/C,、,C/SiC,材料性能对比,性能,单位,快速,CVI,C/C,传统,CVI,C/C,快速,CVI,C/SiC,传统,CVI,C/SiC,密度,g/cm,3,1.71,1.63,2.0-2.1,1.9,抗弯强度,MPa,145,145,163,130,抗压强度,MPa,252,172,277,276,204,热膨胀系数,10,-6,/,C,0.54-1.90,0.2-1.5,1.09-1.93,0.9-1.8,热导率,W/m,K,13.3-14.5,8-14,8.34-6.29,8.0-5.5,23,C/C,Density,g/cm,3,Fiber content,%,Tensile,Flexural,MPa,E,GPa,%,MPa,E,GPa,mat,1.70,11.1,25.9,17.5,0.15,59.216.9,0,/0weftless,1.74,28.1,277.0,74.5,0.45,454.0,65.2,0,/90 weftless,1.67,28.0,85.4,35.1,0.26,145.0,25.1,0,/45 weftless,1.69,28.1,53.6,20.2,0.44,122.0,17.6,0,/0 twill,1.79,25.8,102,32.9,0.50,165.0,28.9,0,/90 twill,1.78,26.3,58.9,23.1,0.28,157.0,27.1,0,/45 twill,1.75,24.8,53.7,20.2,0.34,119.0,20.6,预制体对,C/C,力学性能的影响,24,碳毡,C/C,0/90,无纬布,C/C,0/45,无纬布,C/C,0/45,斜纹布,C/C,400m,400m,400m,400m,纤维预制体对,C/C,材料烧蚀性能的影响,小发动机烧蚀试验,热流,12MW/m,2,2000,左右,10s,富氧煤油火焰,0,/45,无纬布,C/C,表现出最好的抗烧蚀性能，另外这四种材料在针刺纤维束和束间孔附件均形成了较大的烧蚀孔,25,C/C,材料烧蚀过程的结构演变,15m,纤维横向,10m,纤维纵向,烧蚀机理：烧蚀优先发生在表面孔洞及针刺纤维附近，材料的烧蚀主要受氧化（扩散控制）和机械剥蚀影响,针刺纤维极易氧化，形成这种热解碳的薄壳结构，从而发生机械剥蚀。束间孔则提供了氧气向内扩散的通道，导致非均匀烧蚀,26,C/ZrB,2,-SiC,材料微观结构,C/SiC-UHTC C/ZrB,2,-SiC,27,提高了中温区抗氧化能力,C/SiC,C/ZrB,2,-SiC,Tang SF,et al.J Am Ceram Soc 90(2008)3320,C/ZrB,2,-SiC,在,1000,C,依赖于,B,2,O,3,C/ZrB,2,-SiC,在,1200,C,依赖于硅酸盐,C/ZrB,2,-SiC,在,1400,C,依赖于,SiO,2,C/SiC,和,C/ZrB,2,-SiC,氧化性能,28,C/SiC,和,C/ZrB,2,-SiC,烧蚀性能,t,=20s,t,=300s,t,=650s,烧蚀后,C/ZrB,2,-SiC,C/SiC,29,5,m,5,m,30,m,30,m,C/SiC,C/ZrB,2,-SiC,烧蚀温度,2000,C,烧蚀率,10,-4,mm/s,量级，零烧蚀。主要依赖于,SiO,2,、硅酸盐等玻璃相物质，,含有低,熔点相,ZrB,2,的引入有效的降低了材料的表面温度,C/SiC,和,C/ZrB,2,-SiC,烧蚀机理,C/ZrB,2,-SiC,C/SiC,30,碳纤维是一种以聚丙烯腈（,PAN,）、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化、石墨化而制得的含碳量大于,90%,的高强、高模、耐高温特种纤维。,碳纤维预制体是一种以碳纤维为原料，通过某种机械的编制或者针刺方式而形成的一种形状特定的物品。,碳纤维有通用型（,G P,）、高强型（,H T,）、高模型（,HM,）、高强高模（,HP,）等多种规格。,注：碳纤维及其预制体,31,注：碳纤维及其预制体,聚丙烯腈,(PAN),基碳纤维是,20,世纪,60,年代迅速发展起来的新型材料,既具有碳材料的固有本性,又具有纺织纤维的柔软可加工性,是新一代军民两用新材料。因其具有质量轻、强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀、耐磨、耐疲劳、抗蠕变、导电、导热、热膨胀系数小等优异性能,被广泛应用于卫星、运载火箭、战术导弹、飞机、宇宙飞船等尖端领域,已成为航天航空工业中不可缺少的材料,而且广泛应用于民用领域,如体育器材、建筑材料、医疗器械、运输车辆、机械工业等。,32,注：碳纤维及其预制体编制方式,最简单的多向结构是三向正交结构,根据不同的需要,多向编织物的结构还可以有四向、五向、七向以及十一向。三向正交结构图是由安放在直角坐标内的多根丝束所组成。为了获取纤维的最高结构强力,在三向正交结构中,x,、,y,、,z,三个方向上所有丝束都是平直的。在这类三向正交结构的编织物中三个方向上的丝束种类和数量都可以根据需要设计、选定。,33,谢 谢！,34,