炭炭复合材料课件5
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碳碳复合材料ppt课件
循环浸渍－碳化曲线反映了浸渍－碳化工艺特点：
❖ 在进行1～3次浸渍碳化时，复合材料的密度增加较快， 从预制体密度（约1.2～1.3g/cm3）增加到1.6g/cm3以上；
❖ 从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增 加相对较慢。
❖ 为了减少浸渍－碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复 合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压 力浸渍碳化工艺（PIC, Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍－碳化工艺中得 到应用。
沥青碳化率＝0.95QI＋0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS
因此，沥青的碳化率随高分子量芳香族化合物的含量增加而增加。 最高的碳化率达90％，但与碳化时的压力有关。当碳化压力增强时， 低分子量物质挥发气化，并在压力下热解得到固态沥青碳。
★ 沥青碳化特性
★ 沥青碳化特性
沥青的压力碳化经历以下过程：
沥青液态压力浸渍－碳化 工艺是在常压、250℃下先浸 渍，然后在此温度下加压至 100MPa压力下继续浸渍，再 此压力下经650℃碳化。
同样需经历多次PIC工艺 使/C复合材料致密化。
● HIPIC工艺
HIPIC工艺是热等静压浸 渍碳化工艺（Hot Isostatic Pressure Carbonization）,即 在等静压炉中进行PIC工艺。
沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别
C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：
❖ 等温 (Isothermal)法； ❖ 压力梯度 (Pressure gradient)法； ❖ 温度梯度(Thrmal gradient)法； ❖ 化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour
碳碳复合材料31551PPT课件
❖ （1）摩擦与减磨材料 ❖ （2）烧蚀材料 ❖ （3）隔热、导热材料 ❖ （4）热结构材料 ❖ （5）生物材料
.
12
(1)摩擦与减摩材料 飞机刹车盘
.
13
刹车部件需满足以下设计条件： 刹车片材料的要求：
.
14
Carbon/carbon brake used on the Boeing 767 airplane
(3)隔热、导热材料
保温毡(隔热)
.
20
发热体(导热)
电路基板(导热)
笔记本电脑散热器（导热）
.
21
(4)热结构材料
工业热处理炉
大型化工
热结构 支架
耐蚀 耐热
换热. 器
反应塔
蝶架 圆衬管 叶轮
发热体
雾化管 管 片
喷嘴 支架
22
坩埚
轴承
.
23
支架
甲板
搅拌架
绞链
.
24
(5)生物材料
人工心脏瓣膜 人工骨骼 口腔修复材料
.
15
战车、高速列车、汽车用刹车片
.
16
密封材料
电刷材料
.
17
(2)烧蚀材料
固体火箭发动机喷管
喷管结构简化，部件数量减少30%以上，极大地提高喷管的可靠性 C/C喷管轻质，大幅度减轻喷管结构质量，可减重30~50%
.
18
导弹、航天飞机头锥和翼缘
C/C复合材料轻质、耐高温、稳定性和可靠性高
.
19
.
28
◆ 各种编织方法制成的预制体
.
29
◆ 三维正交预制体
三维正交碳纤维增强的C/C及其显微结构
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(1)摩擦与减摩材料 飞机刹车盘
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13
刹车部件需满足以下设计条件： 刹车片材料的要求：
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Carbon/carbon brake used on the Boeing 767 airplane
(3)隔热、导热材料
保温毡(隔热)
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发热体(导热)
电路基板(导热)
笔记本电脑散热器（导热）
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(4)热结构材料
工业热处理炉
大型化工
热结构 支架
耐蚀 耐热
换热. 器
反应塔
蝶架 圆衬管 叶轮
发热体
雾化管 管 片
喷嘴 支架
22
坩埚
轴承
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23
支架
甲板
搅拌架
绞链
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(5)生物材料
人工心脏瓣膜 人工骨骼 口腔修复材料
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15
战车、高速列车、汽车用刹车片
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密封材料
电刷材料
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17
(2)烧蚀材料
固体火箭发动机喷管
喷管结构简化，部件数量减少30%以上，极大地提高喷管的可靠性 C/C喷管轻质，大幅度减轻喷管结构质量，可减重30~50%
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18
导弹、航天飞机头锥和翼缘
C/C复合材料轻质、耐高温、稳定性和可靠性高
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◆ 各种编织方法制成的预制体
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29
◆ 三维正交预制体
三维正交碳纤维增强的C/C及其显微结构
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《碳碳复合材料简介》课件
高强度与高刚度
具有出色的强度和刚度，适用 于要求高强度和轻质化的领域。
良好的耐损性
具有优异的耐磨、耐热疲劳和 耐腐蚀性能。
碳碳复合材料的应用领域
1
航空航天
广泛应用于飞机结构、发动机部件和导弹热防护等领域。
2
能源工业
用于核电站中的炭碳复合材料管道和储罐，以及燃烧器等高温设备。
3
汽车工业
用于制造高性能汽车制动系统、排气系统和座椅结构。
碳碳复合材料的优势与局限性
优势
高温性能卓越，具有较高的强度和刚度。
局限性
制备工艺复杂，生产成本较高。
碳碳复合材料的发展趋势
随着技术的进步，碳碳复合材料将继续发展，更广泛地应用于航空航天、能 源、汽车等领域。同时，制备工艺将更加成熟，并不断降低生产成本。
结论和总结
碳碳复合材料具有独特的优点，是一种重要的高性能材料。它在航空航天、能源和汽车工业等领域发挥着重要 作用，并有着广阔的发展前景。
《碳碳复合材料简介》 PPT课件
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的高性能复合材料。它具有高 强度、高刚度、高温性能和优异的耐损性。
什么是碳碳复合材料
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的复合材料。碳纤维提供高强 度和高刚度，炭素基体则提供高温抗氧化性能。
碳碳复合材料的制备方法
1 化学气相沉积 (CVD)
通过化学反应在碳纤维表 面沉积炭素来制备碳碳复 合材料。
2 航空电弧加热法 (AIR) 3 热解石墨化 (HTI)
利用航空电弧对碳纤维进 行加热，使其与炭素基体 结合。
先将碳纤维石墨化，然后 与绿石墨和残余碳反应形 成碳碳复合材料。
碳碳复合材料的性质与特点
高性能炭炭复合材料制备及性能表征PPT课件
自由基链的甲基化为
CH3+C3H6→CH3CH2CHCH3
CH3CH2CHCH3→CH3CH2CH=CH2 +H
CH4+H→CH3+H2
总反应为 C3H6+CH4→CH3
CH2CH=CH2+H2
21
均气相反应
气相热解 芳香烃和多 气相形核
烃类气体
环芳香烃
固体炭颗粒
气-固两相反应
表面吸附 烃类气体
表面化学 反应与表 面脱附
结构重量减轻80% 射程显著增加
导弹发动机喷管
发动机燃烧室
没有高性能C/C复合材料，就没有现代化的国防
10
战略、战术导弹炭/炭复合材料推进系统
重量减轻80% 射程显著增加
过渡环
喉衬
扩散段
11
其它应用领域
高温热防护 半导体工业 热压模具
12
2 C/C复合材料的制备
碳纤维预制体
热固性树脂 浸渍、固化
炭纤维 基体炭 孔隙
10m 3
炭是难熔材料,石墨的熔点高达4177℃。
4
优异的高温力学性能
5
C/C材料应用－现代交通
C/C复合材料质轻、摩擦磨损性能优异，是飞机、高速列 车、磁悬浮列车、赛车等现代交通工具最新一代制动材料。
与金属基相比，C/C 使波音757
减重550Kg 刹车副寿命提高5〜6倍
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/炭复合材料
二OO九年七月
1提纲Βιβλιοθήκη 1 炭/炭复合材料及其应用 2 炭/炭复合材料的制备 3 炭/炭复合材料的结构与性能 4 炭/炭复合材料快速CVI致密化技术 5 炭/炭复合材料的研究前沿
2
1 C/C复合材料及其应用
_碳碳复合材料的制备方法资料38页PPT
_碳碳复合材料的制备方法资料
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
38
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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炭炭复合材料
炭炭复合材料炭炭复合材料是将活性炭和石墨烯这两种材料结合在一起，形成一种具有高电导性、高比表面积和良好吸附性能的材料。
炭炭复合材料在环境净化、能源储存和电化学等领域具有广泛的应用前景。
首先，炭炭复合材料在环境净化方面有着重要的应用。
由于活性炭的良好吸附性能，炭炭复合材料可以吸附大量有机污染物、重金属离子和有害气体。
例如，在空气净化中，炭炭复合材料可以有效去除空气中的二氧化硫、一氧化碳和苯等有害物质，提供清洁的空气环境。
同时，在水质净化中，炭炭复合材料可以去除水中的有机物和重金属离子，使水质达到国家标准，保障人们的健康。
其次，炭炭复合材料在能源储存方面有着很大的潜力。
石墨烯具有高电导性和良好的导电性能，而活性炭具有大比表面积和良好的吸附性能。
利用这些特性，炭炭复合材料可以作为电极材料应用于超级电容器和锂离子电池等能源储存装置中。
超级电容器以其高能量密度、高功率密度和长寿命等优点成为新一代的能量存储设备，并已在电动汽车、可再生能源等领域得到广泛应用。
炭炭复合材料的应用可以提高超级电容器的电导性能和能量储存能力，进一步推动其在能源存储领域的发展。
再次，炭炭复合材料在电化学领域具有广泛应用。
由于石墨烯的高电导性和活性炭的良好吸附性能，炭炭复合材料可以作为电极材料应用于电化学传感器和电化学催化剂中。
电化学传感器可以通过测量电流和电压等物理参数，实时、准确地检测到环境中的化学物质。
炭炭复合材料在电化学传感器中能够提高传感器的灵敏度和稳定性，实现更加精确的检测。
同时，炭炭复合材料在电化学催化剂中可以替代传统的贵金属催化剂，降低催化剂的成本，提高电化学反应的效率，促进电化学能源转换技术的发展。
综上所述，炭炭复合材料具有高电导性、高比表面积和良好吸附性能等优点，在环境净化、能源储存和电化学等领域具有广泛的应用前景。
随着炭炭复合材料合成技术的不断发展和完善，相信炭炭复合材料将在未来的科技创新中发挥重要作用，为人们提供更加清洁、高效的生活和工作环境。
碳碳复合材料剖析课件
通过优化材料成分和结构设计，提高碳碳复合材料的力学性能、热性能和化学稳 定性，以满足更广泛的应用需求。
多功能化
研发具有光、电、磁、热等功能的碳碳复合材料，拓展其在传感器、能源、环保 等领域的应用。
制造工艺优化
低成本化
简化生产流程，降低原材料和能源消耗，实现大规模生产， 降低成本，提高市场竞争力。
环保化
碳碳复合材料剖析课 件
目录
CONTENTS
• 碳碳复合材料简介 • 碳碳复合材料的制造工艺 • 碳碳复合材料的性能分析 • 碳碳复合材料的增强机制 • 碳碳复合材料的未来发展与挑战 • 案例研究：碳碳复合材料在航空航天领
域的应用
01 碳碳复合材料简介
定义与特性
碳碳复合材料定义
高强度与轻质
由碳纤维和碳基体组成的复合材料，其中 碳纤维提供强度和刚度，碳基体起到粘结 和传递载荷的作用。
应用领域
航空航天
用于制造飞机结构件、发动机 部件和航天器部件等，提高飞
行器的性能和安全性。
汽车工业
用于制造汽车刹车片、传动轴 和气瓶等部件，提高汽车的性 能和安全性。
体育器材
用于制造高尔夫球杆、自行车 车架和弓箭等运动器材，提高 运动表现和竞技水平。
机械工业
用于制造精密机械零件、刀具 和模具等，提高机械加工的精
03 碳碳复合材料的性能分析
力学性能
高强度和模量
碳碳复合材料由于其独特的微观结构和纤 维增强机制，展现出高强度和模量，使其 成为承受高负荷和高温环境的理想选择。
各向异性
由于纤维的排列方向和编织方式，碳碳复 合材料的力学性能在不同方向上表现出差
异性。
抗疲劳性能
碳碳复合材料具有良好的抗疲劳性能，能 在反复应力作用下保持性能稳定，降低疲 劳失效的风险。
多功能化
研发具有光、电、磁、热等功能的碳碳复合材料，拓展其在传感器、能源、环保 等领域的应用。
制造工艺优化
低成本化
简化生产流程，降低原材料和能源消耗，实现大规模生产， 降低成本，提高市场竞争力。
环保化
碳碳复合材料剖析课 件
目录
CONTENTS
• 碳碳复合材料简介 • 碳碳复合材料的制造工艺 • 碳碳复合材料的性能分析 • 碳碳复合材料的增强机制 • 碳碳复合材料的未来发展与挑战 • 案例研究：碳碳复合材料在航空航天领
域的应用
01 碳碳复合材料简介
定义与特性
碳碳复合材料定义
高强度与轻质
由碳纤维和碳基体组成的复合材料，其中 碳纤维提供强度和刚度，碳基体起到粘结 和传递载荷的作用。
应用领域
航空航天
用于制造飞机结构件、发动机 部件和航天器部件等，提高飞
行器的性能和安全性。
汽车工业
用于制造汽车刹车片、传动轴 和气瓶等部件，提高汽车的性 能和安全性。
体育器材
用于制造高尔夫球杆、自行车 车架和弓箭等运动器材，提高 运动表现和竞技水平。
机械工业
用于制造精密机械零件、刀具 和模具等，提高机械加工的精
03 碳碳复合材料的性能分析
力学性能
高强度和模量
碳碳复合材料由于其独特的微观结构和纤 维增强机制，展现出高强度和模量，使其 成为承受高负荷和高温环境的理想选择。
各向异性
由于纤维的排列方向和编织方式，碳碳复 合材料的力学性能在不同方向上表现出差
异性。
抗疲劳性能
碳碳复合材料具有良好的抗疲劳性能，能 在反复应力作用下保持性能稳定，降低疲 劳失效的风险。
碳碳(C、C)复合材料介绍PPT(38张)
产品介绍-碳碳(C/C)复合材料
C/C复合材料是什么？
• C/C复合材料是在碳纤维基础上进行了石墨 化增强处理的产品。具有质量轻，强度和 弹性高的特点，产品能够耐受2000℃的高 温，具有优良的性能。
C/C复合材料的优点
和“金属”比较
C/C复合材料
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 和“陶瓷”比较
更高的强度 更好的韧性，不易破碎
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
C/C复合材料应用领域介绍
耐热材料领域
C/C复合材料 C/C金属复合材料
优良的耐热性能及低重量，可作为金属热处理过程中的工具，如烧制垫 板，料盒，以及高温炉内耐温材料。可以提高成品率及生产效率
耐热材料领域-炉内材料-风扇
•热处理炉生产部门需要选择很多的标准品。 •C/C复合材料的风扇，与原来的不锈钢风扇相比，由于没有热 变形带来的困扰，所以不需要维修。 •又因为C/C复合材料质量轻，强度高的特点，可以大大减轻发 动机的负担。
耐热材料领域-炉内材料-加热体
•与原来的石墨材料相比，C/C复合材料的加热体具有“高强度，高弹性”的特点。 •又因为C/C复合材料经过了炭素化处理，有着良好的加工性能。 •因此，用C/C复合材料可以相对应的制作出尺寸大，厚度薄的各种尺寸的加热体。
•根据独有的弹簧技术，生产出含螺纹垫片产品。 •它可以在高温下仍然保持弹簧的特性，因此适用于加热体的端部以及减轻螺栓 的受力的部位。
耐热材料领域-炉外材料
• 料架 • 料盒 • 夹具 • 弹簧 • 玻璃生产线用部件
C/C复合材料是什么？
• C/C复合材料是在碳纤维基础上进行了石墨 化增强处理的产品。具有质量轻，强度和 弹性高的特点，产品能够耐受2000℃的高 温，具有优良的性能。
C/C复合材料的优点
和“金属”比较
C/C复合材料
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 和“陶瓷”比较
更高的强度 更好的韧性，不易破碎
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
C/C复合材料应用领域介绍
耐热材料领域
C/C复合材料 C/C金属复合材料
优良的耐热性能及低重量，可作为金属热处理过程中的工具，如烧制垫 板，料盒，以及高温炉内耐温材料。可以提高成品率及生产效率
耐热材料领域-炉内材料-风扇
•热处理炉生产部门需要选择很多的标准品。 •C/C复合材料的风扇，与原来的不锈钢风扇相比，由于没有热 变形带来的困扰，所以不需要维修。 •又因为C/C复合材料质量轻，强度高的特点，可以大大减轻发 动机的负担。
耐热材料领域-炉内材料-加热体
•与原来的石墨材料相比，C/C复合材料的加热体具有“高强度，高弹性”的特点。 •又因为C/C复合材料经过了炭素化处理，有着良好的加工性能。 •因此，用C/C复合材料可以相对应的制作出尺寸大，厚度薄的各种尺寸的加热体。
•根据独有的弹簧技术，生产出含螺纹垫片产品。 •它可以在高温下仍然保持弹簧的特性，因此适用于加热体的端部以及减轻螺栓 的受力的部位。
耐热材料领域-炉外材料
• 料架 • 料盒 • 夹具 • 弹簧 • 玻璃生产线用部件
炭-炭复合材料
炭/炭复合材料炭/炭复合材料是以炭纤维增强炭基体的复合材料，该材料源于一次意外的发现，1958年美国CHANCE VOUGHT实验室进行碳/酚醛实验时失误导致得到炭基体。
由此，在复合材料家族中又增加了一个新成员。
炭/炭复合材料的特点：炭/炭复合材料不仅具有其它复合材料的优点，同时又有很多独到之处。
(1) 其整个体系均由碳元素构成，由于碳原子彼此间具有极强的亲合力，使炭/炭复合材料无论在低温或高温下，都有很好的稳定性。
同时，炭素材料高熔点的本质属性，赋予了该材料优异的耐热性，可以经受住2000℃左右的高温，是目前在惰性气氛中高温力学性能最好的材料。
更重要的是这种材料随着温度的升高其强度不降低，甚至比室温时还高，这是其它结构材料所无法比拟的。
(2) 比重轻（小于2.0g/cm3），仅为镍基高温合金的1/4，陶瓷材料的1/2。
(3) 抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀，可以承受高于3000℃的高温，运用于短时间烧蚀的环境中，如航天工业使用的火箭发动机喷管、喉衬等具有无与伦比的优越性。
(4) 耐摩擦磨损性能优异，其摩擦系数小、性能稳定，是各种耐磨和磨擦部件的最佳候选材料。
致密化工艺致密化技术是制备炭/炭复合材料的关键。
炭/炭复合材料的致密化方法主要分为两大类：树脂、沥青的液相浸渍工艺及碳氢化合物气体的气相渗透工艺（CVI）。
树脂浸渍工艺的典型流程是：将预制增强体置于浸渍罐中，在真空状态下用树脂浸没预制体，再充气加压使树脂浸透预制全体，然后，将浸透树脂的预制体放入固化罐内进行加压固化，随后在炭化炉中保护气氛下进行炭化。
由于在炭化过程中非碳元素分解，会在炭化后的预制体中形成很多孔洞，因此，需要多次重复以上浸渍、固化、炭化步骤，以达到致密化的要求。
沥青浸渍工艺与树脂浸渍工艺类似，不同之处是沥青需要在熔化罐中真空熔化，随后将沥青从熔化罐注入浸渍罐进行浸渍。
浸渍用前驱体需精心选择，它应具有残炭率高、粘度适宜、流变性好等特点。
碳碳复合材料
4
5
• 1.N2气瓶 2.干燥塔（分子筛）3.干燥塔（氯化钙）4.超 声波设备 5. 镁电极6. 橡皮塞7. 通气孔8. 搅拌棒 9. 电机 10. 进料口11.温度计
制备的PS
• 用CH3HSiCl2 、 CH3SiCl3 、 CH3HSiCl2/CH3SiCl3三种聚合体系合成可 溶性聚硅烷； • 用CH3SiCl3/CH2=CHCH2Cl合成含双键聚硅 烷。
最新研究成果
含不饱和基团、含金属Zr的聚硅 烷
提高先驱体陶瓷 产率，降低 C/C-SiC复合材 料的生产成本
浸渍-固化-裂解
ZrC 提高抗氧化性耐 烧蚀性能
C/C-ZrC-SiC
含锆聚硅烷合成原理
Cl n Cl Si Cl CH3 + m CH2 CHCH2Cl + x CH2 CHCH2 Si CH3 Si CH3 Si y
(a) C/C-SiC specimen at density 1.46 (b) C/C-SiC specimen at density 1.70 (c) C/C specimen at density 1.29
图1 C/C-SiC和C/C试样烧蚀后的宏观形貌
结论
• 在C/C基体材料中引入SiC能明显提高C/C 复合材料的抗氧化烧蚀性能。 • 随着C/C-SiC复合材料密度的增加，材料中 Si含量逐渐提高，材料线烧蚀率、质量烧蚀 率随之下降。
三、C/C复合材料的制备工艺 整体碳毡C/C复合材料喉衬的制造
整体碳毡 下料 CVD 表面加工 真空-压力浸渍 固化 反复循环 碳化 反复循环
C3H6
糠酮树脂
石墨化
机加
C/C喉衬
1.预成型体
2.基体碳
碳碳复合材料
03
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术
C/C复合飞机材料致密化技术主要包括液相浸渍法和化学气相渗积法。 前者不仅工艺繁杂，而且由于在碳化和石墨化过程中树脂和沥青会收 缩导致纤维被损伤，从而减弱了纤维/基体的界面性能，使得所制备的复 合材料力学和摩擦学性能下降。 化学气相渗积法由于渗积时碳氢气体在预制体表面浓度大于其在内部 的浓度，造成预制体表面优先沉积，并形成一层涂层硬壳，使得预制体难 以进一步致密，导致其渗积周期很长，在国外预制体在炉内的等温渗积时 间一般超过1000h，考虑到还要进行中间检查、设备维护等，一个制备周 期要3～4个月。
01 C/C复合材料定义
02 C/C复合材料制备原理
03 C/C复合材料产业现状
04 C/C复合材料产业未来发展
02
C/C复合材料制备原理
01 C/C复合材料定义
02 C/C复合材料制备原理
03 C/C复合材料产业现状
04 C/C复合材料产业未来发展
03
C/C复合材料产业现状
03
C/C复合材料产业现状
03
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术
为了解决制备周期长这一关键题目，国外进行了大量的研发工作。 早在1994年，美国Textron公司报道，他们研发的高效工艺能在8h内制 备出碳盘样品，但主要题目是该方法一炉只能制备一个样品，至今仍未 能实现工程化。Vaidyaraman S等人研究的强制活动热梯度法能使沉积 速率进步12～30倍，但仅适用于制备外形简单的小样品（直径小于 100mm，厚度小于10mm），同样一炉只能制备一个样品，仍然无法 批量生产。 近年来国内也对C/C复合飞机刹车材料的基础理论和制备工艺进行 了大量研究，分别采用复合工艺和化学气相渗积工艺研发制备出了碳盘， 并在一些机种上获得应用，但仍存在着制备周期长、性能调控性差以及 静摩擦性能和湿态刹车性能需要进一步改进等题目，这些题目尚需进行 更深进的研究。
炭炭复合材料
1 C/C复合材料概述炭/炭复合材料(C/C)是由炭纤维及其制品(炭毡或炭布)增强的炭纤维复合材料。
C/C的组成元素只有一个，即碳元素，因而C/C具有许多炭和石墨材料的优3)和优异的热性能，即高的导热性、低(石墨的理论密度为2.2 g/cm点，如密度低热膨胀系数以及对热冲击不敏感等特性。
作为新型结构材料，C/C还具有优异的力学性能，如高温下的高强度和模量，尤其是其随温度的升高，强度不但不降低，反而升高的特性以及高断裂韧性、低蠕变等性能。
这些特性，使C/C复合材料成为目前唯一可用于高温达2800 ℃的高温复合材料。
C/C复合材料自上世纪60年代问世以来，在航空航天、核能、军事以及许多民用工业领域受到极大关注，并得到迅速发展和广泛应用。
1.1 C/C复合材料的性能特点(1) 物理性能C/C复合材料在高温热处理后的化学成分，碳元素高于99%，像石墨一样，具有耐酸、碱和盐的化学稳定性。
其比热容大，热导率随石墨化程度的提高而增大，线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等。
(2) 力学性能C/C复合材料的力学性能主要取决于炭纤维的种类、取向、含量和制备工艺等。
单向增强的C/C复合材料，沿炭纤维长度方向的力学性能比垂直方向高出几十倍。
C/C复合材料的高强高模特性来自炭纤维，随着温度的升高，C/C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C/C复合材料的拉伸强度大于270 MPa，单向高强度C/C复合材料可达700 MPa以上。
在1000 ℃以上，强度最低的C/C复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的高。
C/C复合材料的断裂韧性与传统的炭材料相比，有极大的提高，其破坏方式是逐渐破坏，而不是突然破坏，因为基体炭的断裂应力和断裂应变低于炭纤维。
经表面处理的炭纤维与基体炭之间的化学键与机械键结合强度强，拉伸应力引起基体中的裂纹扩展越过纤维/基体界面，使纤维断裂，形成脆性断裂。
而未经表面处理的炭纤维与基体炭之间结合强度低，C/C复合材料受载一旦超过基体断裂裂纹尖端的能量消耗在炭纤维的基体裂纹在界面会引起基体与纤维脱粘，应变，周围区域，炭纤维仍能继续承受载荷，从而呈现非脆性断裂方式。
碳碳复合材料PPT课件
保温毡
加热体
1.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；
2.在编制技术方面：由单向朝多向发展；
3.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；
4.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。
1.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。
2.耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和
盐的化学稳定性；
3.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。
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
由于上述原因，后来发展了高压浸渍炭化工艺 （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），所使用的压力皆超过2MPa， 此工艺对设备要求高，操作要求严格，且导致成 本上升
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高， 密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温， 耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热 膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过 性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。
力学性能 热物理性能 烧蚀性能 化学稳定性
• 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
室温，强度和 模量
达700MPa。（通用钢材强度500～600MPa）
【精选】碳碳复合材料简介PPT资料
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. 载能力 ,可作高温下使用的螺栓、 螺母、 垫片等. 高 ,韧性好 ,可减少发热体体积 ,扩大工作区. 在陶瓷和粉未冶金生产中采用碳/碳复合材料制作热压模 在700 ℃ 以上 ,金属紧固件强度很低 ,而碳/碳复合材料在高温下呈现优异承 (7) 制作热压模具和超塑性加工模具.
缠绕等做成层压板、 回转体和异形薄壁结 构; (2) 编织技术.
致密化处理
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(CVI) 两种.
常规化学气相沉积方工艺(等温法)仍有许多不足: 由于受到气相扩散速率和表面反应速率的制约 , 在一个较窄的工艺条件下进行.因此 ,对沉积炭显 微组织的选择余地有限 ,得到的通常为光滑层(S L)组织 ,要想提高沉积炭温度 ,以得到粗糙层(RL) 炭 ,则又易形成表面的气孔堵死 ,以及表层和里层 的密 度差提高[6 ].同时 ,等温 CVI制备碳/碳复合材料 周期长(约 1 000 - 1 500 h) 、 原料气利用率低 ( < 5 %) ,需要数次石墨化和机加工 ,需用大量高 能耗的贵重设备 ,成本很高
(7) 制作热压模具和超塑性加工模具.
模量炭纤维 ,如粘胶基炭纤维 高 ,韧性好 ,可减少发热体体积 ,扩大工作区.
主要原理是利用碳氢化合物气体在高温下分解并沉积炭于预制体. 它兼有碳的惰性和碳纤维的高强度 ,具有良好的机械性能、 耐热性、 耐腐蚀性、 磨擦减振特性及热、电传导特性等特点.
缠绕等做成层压板、 回转体和异形薄壁结 构; (2) 编织技术.
致密化处理
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(CVI) 两种.
常规化学气相沉积方工艺(等温法)仍有许多不足: 由于受到气相扩散速率和表面反应速率的制约 , 在一个较窄的工艺条件下进行.因此 ,对沉积炭显 微组织的选择余地有限 ,得到的通常为光滑层(S L)组织 ,要想提高沉积炭温度 ,以得到粗糙层(RL) 炭 ,则又易形成表面的气孔堵死 ,以及表层和里层 的密 度差提高[6 ].同时 ,等温 CVI制备碳/碳复合材料 周期长(约 1 000 - 1 500 h) 、 原料气利用率低 ( < 5 %) ,需要数次石墨化和机加工 ,需用大量高 能耗的贵重设备 ,成本很高
(7) 制作热压模具和超塑性加工模具.
模量炭纤维 ,如粘胶基炭纤维 高 ,韧性好 ,可减少发热体体积 ,扩大工作区.
主要原理是利用碳氢化合物气体在高温下分解并沉积炭于预制体. 它兼有碳的惰性和碳纤维的高强度 ,具有良好的机械性能、 耐热性、 耐腐蚀性、 磨擦减振特性及热、电传导特性等特点.
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根据Franklin公式dm=3.44(1-g)+3.354g，由dm可求得g。 对于可石墨化炭，随着温度的提高，体系获得能量，炭原 子的热振动频率增加，振幅增大，而层间距缩小，使炭层 面向三维有序的石墨结构过渡，外界提供的能量越多，炭 层结构越接近于石墨结构； 而对于部分可石墨化炭，由于其晶格生长的缺陷，大量晶 格排列互相交错、搭界，由温升提供的外界能量不足以使 这些晶面拉直，因而石墨化度到达一定数值后就升高很慢 或不再升高。 可石墨化热解炭的石墨化机理：无序排列BSU→在C轴方向 形成较大的柱状BSU→在网平面内α炭层不断长大，逐渐向 β炭层转变，且β炭层不断长大→形成较完整的ββ结构。
表3-10 热解炭喇曼光谱与XRD结构参数的对照 T/℃ 2 000 2 100 2 200 2 400 2 600 2 800 R -1 0.52 0.63 0.87 1.20 1.28 1.43 d002/nm 0.3415 0.3392 0.3381 0.3369 0.3364 0.3363 g/% 29.1 55.5 68.2 83.1 87.9 89.7 Lc/nm 14.4 21.9 —— 25.2 26.2 27.6
最易
最硬
难
0.3417~11 1.66 0.344 平均： ±0.02 平均: 9 0. 343
1.2 热解炭消光角
试样 ISO SL RL
热解炭结构 各向同性 光滑层 粗糙层
消光角 0 12 22
热解炭偏振光特性与其微观结构的关系
Diefendorf和Tokarsky根据消光角范围提 出了热解炭微观结构的四种类型： 各向同性（ISO，Ae<4°） 暗层（Dark Laminar， 4°≤Ae<12°） 光滑层（Smooth Laminar，12°≤Ae< 18°） 粗糙层（Rough Laminar，Ae≥18°
用Rigaku D/MAX-3C型X射线衍射仪，CuKa单色光 辐射，硅作内标，对粉末试样进行结构参数的测定。 管电压35kV，电流20mA，λCu=1.54050 Å
100
g(%)
HTg-1 HTg-2 MTg-1 MTg-2
80
60
40
20
0 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
2.3 炭/炭复合材料石墨化度的喇曼光谱分析
2.3.1 测量原理
显微激光喇曼光谱反映的是被分析对象表面
及其以下约50 nm范围内的信息，既具备分析炭 结构的能力，又能够进行微区（现已小至直径为 1 μm的区域）分析，很好地满足了对复合材料 中不同组元炭结构分析的要求。
2.3.2 石墨化分析
试样 炭纤维为PAN基炭纤维（日本东丽T700），沥青炭为中 温沥青炭，4种C/C复合材料的基体皆为CVD热解炭。 复合材料A、B、C、D的密度分别为1.76 g•cm-3、1.76 g•cm-3、1.79 g•cm-3、1.81 g•cm-3。
o
T, C
30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 1600 1800 2000
Lc,nm
HTg-1 HTg-2 MTg-1 MTg-2
2200
2400
2600
2800
T, C
o
可石墨化炭石墨化过程
石墨化过程模拟简图
MTg-1 试样在2100℃ 热处理后的晶格条纹象
R
-1
2.3.3 小结
a．炭纤维、沥青炭、热解炭的喇曼图谱上都有两个散
射强度峰，D峰位于喇曼位移约1 333.49 cm-1处， G峰位于喇曼位移约1 584.16 cm-1处。随着石墨化 处理温度的改变，两峰的峰位没有变化，但两峰的 相对强度却发生变化。
b．D峰相对于G峰的强度R的倒数R -1与XRD方法得 到的石墨化度g之间存在一一对应关系：在R -1 -g关 系曲线上，g值随R -1值的升高而升高，但曲线上 每一点斜率随R -1值的升高逐渐减小并由正值趋向 于0，二者符合公式： g = 1-2.05exp(-2.11R -1)。
MTg-1 试样在2600℃ 热处理后的晶格条纹象
经过2600℃的高温热处理后仍有乱层结构的特征
可石墨化炭 HTg
可部分石墨化炭 MTg 各向同性热解炭
各种热解炭结构模型
HTg-2 未石墨化
HTg-2 2400℃石墨化 1hr
MTg-2 未石墨化
MTg-2 2400℃石墨化 1hr
2.2.3 小结
ISO高分辨SEM图象
SL高分辨SEM图象
RL高分辨SEM图象
粗糙层热解炭的柱状生长锥TEM图象
热解炭的织构取向与取向角及消光角的关系
2 炭/炭复合材料的 石墨化及表征
2 .1炭/炭复合材料石墨化特征
石墨化是通过热激活使无定形炭向石墨转变的 固态反应。 石墨化过程是α炭层（α炭层：含层内缺陷的炭 层）向2维周期有序的β炭层（β炭层：无缺陷的 石墨层）转变的过程，同时层与层之间互相有 序，形成三维石墨结构。
： ，
2d hkl sin( hkl ) n
。
d002介于3.37~3.40Å－－部分石墨化的炭，
d002大于3.40Å－－不可石墨化的炭。
石墨化度是在Franklin模型的基础上，由 Mering 和Maire公式计算，其简化形式为：
g = (0.3440-d002) X 100%/(0.34400.3354)
广义的热解炭----煤、沥青、烃类等经热解 过程得到的炭材料的总称。包括炭黑、玻 璃炭、热解石墨。 热解炭----碳氢化合物在高温炉中经复杂的 热解过程沉积到炭纤维表面的炭，也称沉 积炭。
结构 类型
颜色
硬度
石墨化 难易度
结构参数（nm） 密度 (g/cm3) d002 LC
9.516.5 平均: 12. 5 31~46 平均: 38. 5
CF-炭纤维
1333.49
强度/ a.u
1584.16
2800℃ 2600℃ 2400℃ 2200℃
喇曼位移 1000 1200
1400
1600
-1
1800
200
喇曼位 移/cm
表3-9 炭纤维喇曼光谱与XRD结构参数 的对照
t/℃ 2 200 2 400 2 600 2 800
R -1 0.36 0.40 0.43 0.45
热解炭的石墨化度亦随R -1增大而升高
பைடு நூலகம்
喇曼光谱参数R -1与XRD石墨化度参数g的对应关系
100 90 80 70 60
g = 1-2.05exp(-2.11R -1)
CF CP PyC
g/%
50 40 30 20 10 0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
图2-11 R-1与g的对应关系： CF-炭纤维；CP-沥青炭； PyC-热解炭
石墨化程度取决于材料织构、热处理温度、原 子重排所需的时间，以及所采用的压力。
2.2 炭/炭复合材料石墨化度的XRD测量
2.2.1 石墨化度的测量原理 Lc的测量 L k /(
L:相干衍射长度；
cos )
：波长
β为半高宽；θ为Bragg角，K为Scherrer参数。
d002面间距测量
d002/nm 0.3441 0.3434 0.3422 0.3417
g/% -1.40 7.35 20.80 26.80
Lc/nm 4.80 5.50 6.95 7.75
随着石墨化处理温度升高，R -1增大，石墨化度值升高
PyC-热解炭
材料B
材料C
材料D
图2-10 C/C复合材料金相片：PyC-热解炭
d002的计算由布拉格公式算出：2 d002 sinθ=λ。 式中，0.3354是指理想石墨晶体的层间距,0.3440 是指完全未石墨化的层间距,单位为nm。
2.2.2 石墨化度分析
试样 表3-6 试样微观结构及表观密度
No HTg-1 HTg-2 MTg-1 MTg-2 测量 （g/cm3） 1. 85 1. 76 1. 75 1. 70 热解炭光学微观结构 粗糙层 粗糙层 光滑层 光滑层
具有暗 光滑层 淡黑色 （SL） 的外观
比RL硬可 0.340留下与硬 不易比 1.95 0.344 铅笔笔迹 ISO稍易 ±0.05 平均: 类似痕迹 0.341 2.12 平均: ±0.01 0.337
比较软可 有光泽、 粗糙层 留下与铅 银色般 （RL） 笔笔迹类 的外观 似的痕迹 介于RL 各向同 与SL之 性层 间较难 （ISO） 辨认
第5讲
炭/炭复合材料的结构与石墨化
1 炭/炭复合材料的 结构及表征
1.1 C/C复合材料的结构
C/C复合制动材料的结构包括炭纤维的结构、 基体炭的 结构以及孔隙结构特征（孔隙大 小、数量形状与分布），其中孔隙特征取决于 材料制备的工艺条件。 在其他条件相近的条件下，对材料性能影响最 大的是炭纤维的结构、基体炭的结构。 在偏光下炭纤维单丝表现为光学各向同性，基 体炭结构通常代表了C/C复合制动材料的偏光 显微结构。
炭纤维、沥青炭及4种复合材料均分别经受2 000 ℃、2 100 ℃、2 200 ℃、2 400 ℃、2 600 ℃、2 800 ℃氩气 流保护石墨化处理。 测量 JOBIN YVON-Lab Ram HR800型显微激光喇曼光谱仪。 采用 He-Ne激光，波长632.8 nm，激光功率20 kW•cm-2，单晶硅 片校准，微区分析范围1 μm，激光束与样品平面垂直。
表3-10 热解炭喇曼光谱与XRD结构参数的对照 T/℃ 2 000 2 100 2 200 2 400 2 600 2 800 R -1 0.52 0.63 0.87 1.20 1.28 1.43 d002/nm 0.3415 0.3392 0.3381 0.3369 0.3364 0.3363 g/% 29.1 55.5 68.2 83.1 87.9 89.7 Lc/nm 14.4 21.9 —— 25.2 26.2 27.6
最易
最硬
难
0.3417~11 1.66 0.344 平均： ±0.02 平均: 9 0. 343
1.2 热解炭消光角
试样 ISO SL RL
热解炭结构 各向同性 光滑层 粗糙层
消光角 0 12 22
热解炭偏振光特性与其微观结构的关系
Diefendorf和Tokarsky根据消光角范围提 出了热解炭微观结构的四种类型： 各向同性（ISO，Ae<4°） 暗层（Dark Laminar， 4°≤Ae<12°） 光滑层（Smooth Laminar，12°≤Ae< 18°） 粗糙层（Rough Laminar，Ae≥18°
用Rigaku D/MAX-3C型X射线衍射仪，CuKa单色光 辐射，硅作内标，对粉末试样进行结构参数的测定。 管电压35kV，电流20mA，λCu=1.54050 Å
100
g(%)
HTg-1 HTg-2 MTg-1 MTg-2
80
60
40
20
0 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
2.3 炭/炭复合材料石墨化度的喇曼光谱分析
2.3.1 测量原理
显微激光喇曼光谱反映的是被分析对象表面
及其以下约50 nm范围内的信息，既具备分析炭 结构的能力，又能够进行微区（现已小至直径为 1 μm的区域）分析，很好地满足了对复合材料 中不同组元炭结构分析的要求。
2.3.2 石墨化分析
试样 炭纤维为PAN基炭纤维（日本东丽T700），沥青炭为中 温沥青炭，4种C/C复合材料的基体皆为CVD热解炭。 复合材料A、B、C、D的密度分别为1.76 g•cm-3、1.76 g•cm-3、1.79 g•cm-3、1.81 g•cm-3。
o
T, C
30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 1600 1800 2000
Lc,nm
HTg-1 HTg-2 MTg-1 MTg-2
2200
2400
2600
2800
T, C
o
可石墨化炭石墨化过程
石墨化过程模拟简图
MTg-1 试样在2100℃ 热处理后的晶格条纹象
R
-1
2.3.3 小结
a．炭纤维、沥青炭、热解炭的喇曼图谱上都有两个散
射强度峰，D峰位于喇曼位移约1 333.49 cm-1处， G峰位于喇曼位移约1 584.16 cm-1处。随着石墨化 处理温度的改变，两峰的峰位没有变化，但两峰的 相对强度却发生变化。
b．D峰相对于G峰的强度R的倒数R -1与XRD方法得 到的石墨化度g之间存在一一对应关系：在R -1 -g关 系曲线上，g值随R -1值的升高而升高，但曲线上 每一点斜率随R -1值的升高逐渐减小并由正值趋向 于0，二者符合公式： g = 1-2.05exp(-2.11R -1)。
MTg-1 试样在2600℃ 热处理后的晶格条纹象
经过2600℃的高温热处理后仍有乱层结构的特征
可石墨化炭 HTg
可部分石墨化炭 MTg 各向同性热解炭
各种热解炭结构模型
HTg-2 未石墨化
HTg-2 2400℃石墨化 1hr
MTg-2 未石墨化
MTg-2 2400℃石墨化 1hr
2.2.3 小结
ISO高分辨SEM图象
SL高分辨SEM图象
RL高分辨SEM图象
粗糙层热解炭的柱状生长锥TEM图象
热解炭的织构取向与取向角及消光角的关系
2 炭/炭复合材料的 石墨化及表征
2 .1炭/炭复合材料石墨化特征
石墨化是通过热激活使无定形炭向石墨转变的 固态反应。 石墨化过程是α炭层（α炭层：含层内缺陷的炭 层）向2维周期有序的β炭层（β炭层：无缺陷的 石墨层）转变的过程，同时层与层之间互相有 序，形成三维石墨结构。
： ，
2d hkl sin( hkl ) n
。
d002介于3.37~3.40Å－－部分石墨化的炭，
d002大于3.40Å－－不可石墨化的炭。
石墨化度是在Franklin模型的基础上，由 Mering 和Maire公式计算，其简化形式为：
g = (0.3440-d002) X 100%/(0.34400.3354)
广义的热解炭----煤、沥青、烃类等经热解 过程得到的炭材料的总称。包括炭黑、玻 璃炭、热解石墨。 热解炭----碳氢化合物在高温炉中经复杂的 热解过程沉积到炭纤维表面的炭，也称沉 积炭。
结构 类型
颜色
硬度
石墨化 难易度
结构参数（nm） 密度 (g/cm3) d002 LC
9.516.5 平均: 12. 5 31~46 平均: 38. 5
CF-炭纤维
1333.49
强度/ a.u
1584.16
2800℃ 2600℃ 2400℃ 2200℃
喇曼位移 1000 1200
1400
1600
-1
1800
200
喇曼位 移/cm
表3-9 炭纤维喇曼光谱与XRD结构参数 的对照
t/℃ 2 200 2 400 2 600 2 800
R -1 0.36 0.40 0.43 0.45
热解炭的石墨化度亦随R -1增大而升高
பைடு நூலகம்
喇曼光谱参数R -1与XRD石墨化度参数g的对应关系
100 90 80 70 60
g = 1-2.05exp(-2.11R -1)
CF CP PyC
g/%
50 40 30 20 10 0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
图2-11 R-1与g的对应关系： CF-炭纤维；CP-沥青炭； PyC-热解炭
石墨化程度取决于材料织构、热处理温度、原 子重排所需的时间，以及所采用的压力。
2.2 炭/炭复合材料石墨化度的XRD测量
2.2.1 石墨化度的测量原理 Lc的测量 L k /(
L:相干衍射长度；
cos )
：波长
β为半高宽；θ为Bragg角，K为Scherrer参数。
d002面间距测量
d002/nm 0.3441 0.3434 0.3422 0.3417
g/% -1.40 7.35 20.80 26.80
Lc/nm 4.80 5.50 6.95 7.75
随着石墨化处理温度升高，R -1增大，石墨化度值升高
PyC-热解炭
材料B
材料C
材料D
图2-10 C/C复合材料金相片：PyC-热解炭
d002的计算由布拉格公式算出：2 d002 sinθ=λ。 式中，0.3354是指理想石墨晶体的层间距,0.3440 是指完全未石墨化的层间距,单位为nm。
2.2.2 石墨化度分析
试样 表3-6 试样微观结构及表观密度
No HTg-1 HTg-2 MTg-1 MTg-2 测量 （g/cm3） 1. 85 1. 76 1. 75 1. 70 热解炭光学微观结构 粗糙层 粗糙层 光滑层 光滑层
具有暗 光滑层 淡黑色 （SL） 的外观
比RL硬可 0.340留下与硬 不易比 1.95 0.344 铅笔笔迹 ISO稍易 ±0.05 平均: 类似痕迹 0.341 2.12 平均: ±0.01 0.337
比较软可 有光泽、 粗糙层 留下与铅 银色般 （RL） 笔笔迹类 的外观 似的痕迹 介于RL 各向同 与SL之 性层 间较难 （ISO） 辨认
第5讲
炭/炭复合材料的结构与石墨化
1 炭/炭复合材料的 结构及表征
1.1 C/C复合材料的结构
C/C复合制动材料的结构包括炭纤维的结构、 基体炭的 结构以及孔隙结构特征（孔隙大 小、数量形状与分布），其中孔隙特征取决于 材料制备的工艺条件。 在其他条件相近的条件下，对材料性能影响最 大的是炭纤维的结构、基体炭的结构。 在偏光下炭纤维单丝表现为光学各向同性，基 体炭结构通常代表了C/C复合制动材料的偏光 显微结构。
炭纤维、沥青炭及4种复合材料均分别经受2 000 ℃、2 100 ℃、2 200 ℃、2 400 ℃、2 600 ℃、2 800 ℃氩气 流保护石墨化处理。 测量 JOBIN YVON-Lab Ram HR800型显微激光喇曼光谱仪。 采用 He-Ne激光，波长632.8 nm，激光功率20 kW•cm-2，单晶硅 片校准，微区分析范围1 μm，激光束与样品平面垂直。