碳碳复合材料31551PPT课件
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C/C复合材料出现后，很快得到重视，并应用到宇航、 火箭、导弹、航空等高技术领域，并在其它领域也开始得 到应用。
.
3
C/C是由Cf或Cf制品（布、毡、织物）增强碳基体的碳 基复合材料。
C/C组成元素只有C，因而具有碳材料(包括石墨)的优点：
● 密度低； ● 高的导热性； ● 低的热膨胀系数(CTE)； ● 超高温力学性能； ● 对热冲击不敏感等
尚有巨大的民用潜在需求
.
25
四、碳/碳复合材料的制备
.
26
碳/碳复合材料制备工艺中 几个重要的环节：
❖ 预成型体 ❖ 基体碳 ❖ 树脂（沥青）浸渍－碳化工艺 ❖ CVD/CVI工艺
.
27
1、预成Leabharlann Baidu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孔隙， 逐渐制成C/C复合材料。
(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
碳/碳复合材料（C/C）是复合材料大家族中的重要一员。
非常值得一提的是，C/C的发现是带有偶然性的。 1958 年美国一家航空公司研究所在进行Cf增强树脂基复合材料 实验时，意外之中将树脂碳化，得到一种碳材料。研究人 员未进行处理，而是当作一种新材料－Cf/C进行研究，并 开发出一系列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。
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37
◆ 树脂与沥青特性
.
38
◆ 树脂与沥青碳化特性
★ 酚醛及呋喃树脂碳化特性
酚醛及呋喃树脂经高温热解后碳化，所形成的碳为无定形碳微晶结 构、乱层结构）。
偏光下呈各向同性，无偏光效应。一般，树脂碳属硬碳或不易（难） 石墨化的碳。
将碳/碳复合材料表面形成SiC，可以获得一种梯度 “陶瓷碳/碳复合材料”。
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5
二、碳/碳复合材料性能
1、力学性能——常温性能
高性能单向增强和正交增强C/C的性能
典型三维正交C/C的性能
.
6
1、力学性能——高温性能
在非氧化性气氛中，碳/碳复合材料可以在2800℃ 下仍然保持其强度，这是所有结构材料（金属、陶瓷） 无法做到的。而且，高温下，碳/碳复合材料的强度甚 至还有所提高。
❖ （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：
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14
Carbon/carbon brake used on the Boeing 767 airplane
.
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
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19
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35
.
36
◆ 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。
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7
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8
1、力学性能——与碳材料的对比
C/C复合材料的力学性能在室温和高温下都明显高于 基体的碳材料。
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9
2、摩擦性能
碳/碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收动能高，能 显著提高飞机制动性能；密度低，并能显著减轻飞机刹 车装置的重量。
◆ 摩擦系数：0.2-0.3
高温下稳定。飞机制动过程中，刹车盘整体温度达500℃，而表面最 高温度可达1500℃以上。
但C材料最大的弱点是易氧化，一般在375℃以上就开始 有明显的氧化现象。所以C/C在高温下使用必须经过抗氧化 处理。
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4
碳/碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体， 然后采用浸渍树脂（或沥青）炭化，或者采用化学气相沉 积/渗透（CVD/CVI）的方式将多孔预制体中孔隙填充而 获得的。
根据实际应用构件的形状和使用要求，设计预制体的 构成，可以得到不同结构的碳/碳复合材料。例如二维、 三维（三维正交，三维编织）等碳/碳复合材料构件。
◆ 动能吸收:820-1050kJ/kg
过去采用钢/金属陶瓷刹车盘，动能吸收为300-500kJ/kg，
◆ 飞机起落次数：1500-3000次
钢/金属陶瓷刹车盘仅800-1000架次
◆飞机刹车装置减重
Boeing-747，减重635kg；A-320减重550kg
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10
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11
三、碳/碳复合材料的应用
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28
◆ 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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30
◆ 五维预制体
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31
◆ 飞机刹车盘预制体
.
32
◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管编织预制体
.
33
◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织
导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织车间
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34
2、基体碳
基体碳分为：树脂与沥青浸渍碳和沉积碳两种
第六章 碳/碳复合材料
（Carbon-Carbon Composites）
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1
主要内容
一、碳/碳复合材料简介 二、碳/碳复合材料性能 三、碳/碳复合材料应用 四、碳/碳复合材料制备工艺 五、碳/碳复合材料组织及界面 六、碳/碳复合材料抗氧化性能 七、气相碳化在新能源中的应用
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一、碳/碳复合材料简介
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C/C是由Cf或Cf制品（布、毡、织物）增强碳基体的碳 基复合材料。
C/C组成元素只有C，因而具有碳材料(包括石墨)的优点：
● 密度低； ● 高的导热性； ● 低的热膨胀系数(CTE)； ● 超高温力学性能； ● 对热冲击不敏感等
尚有巨大的民用潜在需求
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四、碳/碳复合材料的制备
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碳/碳复合材料制备工艺中 几个重要的环节：
❖ 预成型体 ❖ 基体碳 ❖ 树脂（沥青）浸渍－碳化工艺 ❖ CVD/CVI工艺
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1、预成Leabharlann Baidu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孔隙， 逐渐制成C/C复合材料。
(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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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
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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
碳/碳复合材料（C/C）是复合材料大家族中的重要一员。
非常值得一提的是，C/C的发现是带有偶然性的。 1958 年美国一家航空公司研究所在进行Cf增强树脂基复合材料 实验时，意外之中将树脂碳化，得到一种碳材料。研究人 员未进行处理，而是当作一种新材料－Cf/C进行研究，并 开发出一系列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。
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◆ 树脂与沥青特性
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38
◆ 树脂与沥青碳化特性
★ 酚醛及呋喃树脂碳化特性
酚醛及呋喃树脂经高温热解后碳化，所形成的碳为无定形碳微晶结 构、乱层结构）。
偏光下呈各向同性，无偏光效应。一般，树脂碳属硬碳或不易（难） 石墨化的碳。
将碳/碳复合材料表面形成SiC，可以获得一种梯度 “陶瓷碳/碳复合材料”。
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二、碳/碳复合材料性能
1、力学性能——常温性能
高性能单向增强和正交增强C/C的性能
典型三维正交C/C的性能
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6
1、力学性能——高温性能
在非氧化性气氛中，碳/碳复合材料可以在2800℃ 下仍然保持其强度，这是所有结构材料（金属、陶瓷） 无法做到的。而且，高温下，碳/碳复合材料的强度甚 至还有所提高。
❖ （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
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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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14
Carbon/carbon brake used on the Boeing 767 airplane
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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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(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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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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◆ 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。
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1、力学性能——与碳材料的对比
C/C复合材料的力学性能在室温和高温下都明显高于 基体的碳材料。
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2、摩擦性能
碳/碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收动能高，能 显著提高飞机制动性能；密度低，并能显著减轻飞机刹 车装置的重量。
◆ 摩擦系数：0.2-0.3
高温下稳定。飞机制动过程中，刹车盘整体温度达500℃，而表面最 高温度可达1500℃以上。
但C材料最大的弱点是易氧化，一般在375℃以上就开始 有明显的氧化现象。所以C/C在高温下使用必须经过抗氧化 处理。
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碳/碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体， 然后采用浸渍树脂（或沥青）炭化，或者采用化学气相沉 积/渗透（CVD/CVI）的方式将多孔预制体中孔隙填充而 获得的。
根据实际应用构件的形状和使用要求，设计预制体的 构成，可以得到不同结构的碳/碳复合材料。例如二维、 三维（三维正交，三维编织）等碳/碳复合材料构件。
◆ 动能吸收:820-1050kJ/kg
过去采用钢/金属陶瓷刹车盘，动能吸收为300-500kJ/kg，
◆ 飞机起落次数：1500-3000次
钢/金属陶瓷刹车盘仅800-1000架次
◆飞机刹车装置减重
Boeing-747，减重635kg；A-320减重550kg
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三、碳/碳复合材料的应用
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28
◆ 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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30
◆ 五维预制体
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◆ 飞机刹车盘预制体
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32
◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管编织预制体
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◆ 导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织
导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织车间
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2、基体碳
基体碳分为：树脂与沥青浸渍碳和沉积碳两种
第六章 碳/碳复合材料
（Carbon-Carbon Composites）
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1
主要内容
一、碳/碳复合材料简介 二、碳/碳复合材料性能 三、碳/碳复合材料应用 四、碳/碳复合材料制备工艺 五、碳/碳复合材料组织及界面 六、碳/碳复合材料抗氧化性能 七、气相碳化在新能源中的应用
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一、碳/碳复合材料简介