45 碳碳复合材料的制备方法.ppt

第四章复合材料的制备4.1复合材料的基本概念和性能
4.2树脂基复合材料的制备方法
4.3金属基复合材料的制备方法
4.4陶瓷基复合材料的制备方法
4.5碳/碳复合材料的制备方法碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石墨化的脂碳（沥青）以及化学气相沉积（CVD）碳所形成的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料。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。由于它几乎完全是由元素碳组成，故能承受极高的温度和极大的加热速率。2.碳/碳复合材料的发展碳/碳复合材料还具有优异的耐磨擦性能和高的热导率，使其在飞机刹车片和轴承等方面得到了应用；它也可以作为飞机的刹车盘。
碳与生物体之间的相容性极好，再加上碳/碳复合材料的优异力学性能，使之适宜制成生物构件插入到活的生物机体内作整形材料，如人造骨骼、心脏瓣膜等。
鉴于碳/碳复合材料具有系列优异性能，它们在宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一般工业部门中得到了日益广泛的应用。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：1.胚体碳毡可由人造丝毡碳化或聚丙烯腈预氧化、碳化后制得。碳毡叠层后，可以碳纤维在X、Y、Z的方向三向增强，制得三向增强毡，如下图所示。喷射成型是把切断的碳纤维(约为0.025mm)配制成碳纤维-树脂-稀释剂的混合物，然后用喷枪将此混合物喷涂到芯模上使其成型。用碳布或石墨纤维布叠层后进行针刺，可用空心细颈金属棒引纱。下图是AVCD公司编织的坯体。在坯体的研制中，发展的重点是多向织物，如三向、四向、五向或七向等，目前是以三向织物为主。三向织物的细编程度越高，碳/碳复合材料的性能越好，尤其是作为耐烧蚀材料更是如此。细编程度常用织物的正向间距大小来衡量。
正向间距越小，编织程度越高，线的烧蚀率越低。2.基体加工工艺方法可归结为以下几方面：（4）把由上述方法制备的但仍然是多孔状的碳/碳复合材料在能够形成耐热结构的液态单体中浸渍，是又一种精制方法，可选用的这类单体很有限，但是由四乙烯基硅酸盐和强无机酸盐催化剂组成的渗透液将会产生具有良好耐热性的硅-氧网路。硅树脂也可以起到同样的作用。4.5.3碳/碳复合材料的制备工艺火箭头锥顶端的标准石墨化工艺在氢气中进行，时间和温度规范如下：
以300ºC/h的升温速率从室温升到600ºC
以20ºC/h的升温速率从600ºC升到1000ºC
以70ºC/h的升温速率从1000ºC升到2500ºC
以100ºC/h的升温速率从2500ºC升到2700ºC+（0~25ºC）
在2700ºC+（0~25ºC）下浸渍30min
冷却并卸压
2.树脂基体采用合成树脂制备碳/碳复合材料的原因：
在工艺低温度和低压力下具有低粘度这点上，合成树脂比石油或煤焦油沥青强
合成树脂的纯度比天然产物高，化学结构更容易鉴定，沥青的成分常随产地和提炼方法而异。
比较容易得到含碳量高的树脂体系，并可能转化为耐高温的碳素产物。3.化学气相沉积（CVD）将甲烷之类的烃类气体混合氢、氩之类的载气于1000~1100ºC进行热分解，在坯体的空隙中沉碳（如图所示）。在沉碳之前，含碳气体中先生成一些活性基团，然后与胚体纤维的表面接触进行沉碳。
为了得到致密的碳/碳复合材料，在沉积过程中必须让这些活性集团扩散到坯体的空隙内部，如果含碳量气体在通过坯体之前生成的活性基团的速度太快，则容易形成表面涂层，这对进一步渗透到内部不利，有碍于内部沉碳。热解碳（简称PC）和“CVD碳”是在1100ºC左右碳源蒸气经热解而沉积在基质材料上的碳质的总称。
“热解石墨”（简称PG）由碳氢化合物气体在1750~2250ºC沉积的碳，PG的电性能、热性能和力学性能是各向异性的，随测方向而变化。根据实际操作情况，目前化学气相沉积基体碳主要采用四种方法，即均热法、热梯度法、压差法和脉冲法：此法渗透时间长，每一周需50~120h，由于靠近坯体表面的孔优先被填充，生成硬壳，故在渗透过程中要进行机械加工将其硬壳层除去，然后再继续沉碳。图4-47表示材料的密度和结构与沉积温度和压力之间有一定的关系。温度、压力、气流和炉子的几何形状都会影响热解碳和热解石墨的沉积速率。此外，还要采用适当的工艺措施以避免造成乌黑多灰的各向同性碳，因为这种碳不易石墨化。热梯度法与均热流类似，其过程也受气体扩散所支配，但因炉压较高，铅坯体厚度方向可形成一定的温差，图4-48是这类沉积的一例。压差法是在沿坯体厚度方向造成一定的压力差，反应气体被强行通过多孔坯体，如图4-49所示。抽真空过程中有利于气体反应产物的排除。由于它能增加渗透深度，故适宜制造不透气的石墨材料。化学气相沉积法工艺简单沉积过程中纤维不受损伤，制品的结构较均匀和完整，故致密性好，强度高。为了满足各种使用的需要，制品的密度和