碳碳复合材料.ppt

碳/碳复合材料碳/碳复合材料一、概述二、碳/碳复合材料的组成及微观结构碳纤维织物结构形式三、碳/碳复合材料的性能2力学性能
碳/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。单向增强的碳/碳复合材料,沿碳纤维长度方向的力学性能比垂直方向高出几十倍。随着温度的升高,碳/碳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。一般的碳/碳复合材料的拉伸强度大于270MPa,单向高强度碳/碳复合材料可达700MPa以上。在1000℃以上,强度最低的碳/碳复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高。碳/碳复合材料的断裂韧性较碳材料有极大的提高,其破坏方式是逐渐破坏,而不是突然破坏,因为基体碳的断裂应力和断裂应变低于碳纤维。碳/碳复合材料与其他材料温度上升时比强度的比较碳/碳复合材料和其他材料各种性能的比较3热学及烧蚀性能
碳/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,不仅可用于高温环境,而且适合温度急剧变化的场合。其比热容高,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。碳/碳复合材料是一种升华-辐射型烧蚀材料,且烧蚀均匀。通过表层材料的烧蚀带走大量的热,可阻止热流传入飞行器内部。因此该材料被广泛用作宇航领域中的烧蚀防热材料。4摩擦磨损性能
碳/碳复合材料中碳纤维的微观组织为乱层石墨结构,其摩擦系数比石墨高,特别是它的高温性能特点,在高速高能量条件下摩擦升温高达1000℃以上时,其摩擦性能仍然保持平稳,这是其它材料所不具备的。因此,碳/碳复合材料为军用和民用飞机的刹车盘材料越来越广泛。四、碳/碳复合材料制备及加工致密化
成型后的预制体含有许多孔隙,密度也低,不能直接应用,须将炭沉积于预制体,填满其孔隙,才能成为真正的结构致密、性能优良的碳/碳复合材料,此即致密化过程.传统的致密化工艺大体分为液相浸渍和化学气相沉积两种。（1）液相浸渍工艺

液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行.工艺过程上图所示,液相浸渍(LPI)工艺是将碳纤维预制体置于浸渍罐中，抽真空后充惰性气体加压使浸渍剂向预制体内部渗透，然后进行固化或直接在高温下进行碳化，一般需重复浸渍和碳化5～6次而完成致密化过程。此工艺存在问题是:(1)工艺繁复、周期长、效率低;(2)液体难以浸渍到预制体微孔中;(3)有些浸渍液在常压和减压下炭化效率低,必须加压,如煤沥青;(4)有些浸渍液炭化时粘附性过好,易于阻塞气孔口,难以达到致密要求,如树脂。（2）化学气相沉积工艺
化学气相沉积(CVI)工艺是以丙烯或甲烷为原料，其工艺过程下如图所示。在预制体内部发生多相化学反应（如）的致密化过程。CVI工艺的优点是材料性能优异、工艺简单、致密化程度能够精确控制，缺点是制备周期太长(500～600h甚至上千小时)，生产效率很低。

碳／碳复合材料的切削加工

据文献报导，车削该复合材的料所得到的切削用量各要素对切削力的影响规律与切削一般脆性材料的基本一致。虽然基体硬度较低，切削力数值不大，但材料中硬质点对刀具的磨损比较严重，故选用CBN为宜。因材料为脆性，故切屑常呈粉末状，必须用吸屑法来排屑。五、碳/碳复合材料的应用（1）固体火箭发动机喷管上的应用
在固体火箭发动机(SRM)中，喷管喉部的烧蚀状态最为恶劣，因此，必须采用具有良好耐烧蚀和抗冲刷性能的喷管喉衬材料来抵御严酷的烧蚀环境。采用碳/碳复合材料的喉衬、扩张段\延伸出口锥，具有极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓，可提高喷管效率1%~3%，即可大大提高SRM的比冲。（2）刹车领域的应用
碳/碳复合材料制作的飞机刹车盘重量轻、耐温高，比热容比钢高2.5倍；同金属刹车材料相比，可节省40%的结构重量，碳/碳复合材料刹车盘的使用寿命是金属基的57倍，刹车力矩平稳，刹车时噪声小，因此碳/碳复合材料刹车盘的问世被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步。目前法国欧洲动力，碳工业等公司已批量生产碳/碳复合材料刹车片，英国邓禄普公司也已大量生产碳/碳复合材料刹车片，用于赛车、火车和战斗机的刹车材料。六、碳/碳复合材料的氧化及防氧化碳/碳复合材料的防氧化
碳/碳的防氧化的方法有材料改性和涂层保护两种，材料改性是提高碳/碳本身的抗氧化能力，涂层防氧化是利用涂层使碳/碳与氧隔离。（1）碳/碳改性抗氧化
通过对碳/碳改性可提高抗氧化能力，改性的方法有纤维改性和基体改性两种，纤维改性是在纤维表面制备各种涂层，基体改性是改变基体的组成以提高基体的抗氧化能力。①碳/碳纤维改性
在纤维表面制备涂层不仅能防止纤维的氧化，而且能改变纤维/基体界面特性。提高碳/碳首先氧化的界面区域的抗氧化能力。纤维改性的缺点是降低了纤维本身的强度，同时影响纤维的柔性，不利于纤维的编织。
②碳/碳基体改性
基体是界面氧化之后的主要氧化区域，因此基体改性是碳/碳改性的