碳碳复合材料(终稿)-20110602
碳碳复合材料简介
及零部件等
四 发展趋势及应用
(1) 因其良好的生物相容性 ,在生物医学方面 ,可作人体骨 骼的替代材料 ,比如人工髋关节、 膝关 节、 牙根等.
(2) 汽车、 赛车的制动系统. (3) 在核反应堆中制造无线电频率限幅器. (4) 利用其高导电率和很高尺寸稳定性 ,制造卫星通讯抛物 面无线电天线反射器. (5) 用碳/碳复合材料代替石棉制造熔融玻璃的滑道 ,其寿命 可提高100倍以上. (6) 制作高温紧固件.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 载能力 ,可作高温下使用的螺栓、 螺母、 垫片等.
(7) 制作热压模具和超塑性加工模具.在陶瓷和粉未冶金 生产中采用碳/碳复合材料制作热压模 具 ,可减少模具厚度 ,缩短加热周期 ,节约能源和提高产 量;用碳/碳复合材料制作钛合金超塑性加工模 具 ,因其低膨胀性和钛合金的相容性 ,可提高成型效率 , 并减少成型时钛合金的折叠缺陷.
(8) 制作加热元件.与传统的石墨发热体强度低、 脆 ,加工与运输困难相比 ,碳/碳复合材料的强度 高 ,韧性好 ,可减少发热体体积 ,扩大工作区.
CC复合材料
Байду номын сангаас姚祥瑞
目录
• 定义 • 性能 • 制备工艺 • 发展前景及用途
一 定义
• 碳/碳复合材料是复合材料 的一种 ,它是以碳为基体 ,由 碳纤维或其制品(碳毡或碳布) 增强的复合材料.
二 性能
• 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.而 且 ,其质轻 ,比强度和比弹性模 量都很高 ,更重要的是这种材料 随着温度的升高(可达2 200 ℃) 其强度不降低 ,甚至比室温条件 下还高。
炭炭复合材料
炭炭复合材料炭炭复合材料是一种由炭素材料制成的复合材料，具有轻质、高强度和耐高温的特点，因此在航空航天、汽车制造、电子设备等领域有着广泛的应用前景。
炭炭复合材料的制备方法主要包括炭化法、碳化法和热压法等，不同的制备方法可以得到不同性能的炭炭复合材料，因此选择合适的制备方法对于材料性能的提升至关重要。
炭炭复合材料的主要组成是碳纤维和碳基基体材料。
碳纤维是一种高强度、高模量的纤维材料，是炭炭复合材料中的增强相，能够有效提高材料的强度和刚度。
而碳基基体材料则起着支撑和连接碳纤维的作用，能够有效减小材料的脆性，提高其韧性和耐磨性。
因此，合理选择和设计碳纤维和碳基基体材料的比例和结构，对于炭炭复合材料的性能具有重要影响。
在实际应用中，炭炭复合材料具有许多优异的性能。
首先，其具有极高的耐高温性能，能够在高温环境下长时间保持良好的力学性能，因此在航空航天领域有着广泛的应用。
其次，炭炭复合材料具有较低的密度和良好的耐腐蚀性能，能够满足汽车制造和化工设备等领域对材料轻量化和耐腐蚀的需求。
此外，炭炭复合材料还具有良好的导热和导电性能，适用于电子设备散热和导电部件的制造。
然而，炭炭复合材料也存在一些不足之处，例如其加工难度较大、成本较高等问题，限制了其在一些领域的广泛应用。
因此，如何降低炭炭复合材料的制备成本、提高其加工性能，是当前炭炭复合材料研究的热点之一。
总的来说，炭炭复合材料具有广阔的应用前景和发展空间，其优异的性能使其在航空航天、汽车制造、电子设备等领域有着重要的地位。
在未来的研究中，需要进一步优化炭炭复合材料的制备工艺，提高其性能和降低成本，以满足不同领域对材料性能的需求，推动炭炭复合材料的广泛应用和发展。
《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
碳碳复合材料
碳\碳复合材料摘要：碳/碳(简称C/C)复合材料，即以碳纤维(简称CF)增强碳基体所组成的复合材料，不仅具有高比强度等良好的结构性能，而且具有耐热、绝热、吸附、超导、耐磨等优异的功能特性，是最有发展前途的高技术新材料之一。
本文综述了碳\碳复合材料的基体相、增强体、界面、制备方法、应用等，对国内外的发展状况进行了总结。
[1]关键词：碳\碳复合材料/基体/增强体/制备/应用正文:碳/碳（简称C/C）复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料，它由碳纤维和碳基体两cm，实际密度部分组成，不仅具有碳-石墨材料的固有本性，如低密度（理论密度为2.2g/3cm）；而且还具有一系列有益的力学性能和热力学性能：高温下高强度、通常为1.75~2.10g/3高模量、良好的断裂韧性、耐磨损性能和抗热震性能、热膨胀系数小等，因此，C/C复合材料是碳-石墨材料家族中性能最好的材料，目前已广泛应用于航天飞机的端头帽和机翼前缘的热防护系统、洲际导弹的端头和鼻锥、火箭发动机喷管、飞机刹车盘等，显示出了极大的优越性。
C/C复合材料的制备工艺包括:CF及其结构的选择;基体碳先驱物的选择;C/C复合材料坯体的成型工艺;坯体的致密化工艺以及工序间和最终产品的加工等。
1、碳纤维的选择CF纱束的选择和纤维织物结构的设计是制造C/C复合材料的基础，通过合理选择纤维种类和织物的编织参数，如纱束的排列取向、纱束间距、纱束体积含量等，可以改变C/C复合材料的力学和热物理性能，以满足制品性能方面的要求。
常用CF有三种，即人造丝CF，聚丙烯腈(PAN)CF和沥青CF。
它们分别由先驱料人造丝、聚丙稀腈(PAN)和沥青制成的。
CF中的聚丙烯腈(PAN)CF使用得最多，而低成本的沥青基CF正在得到发展，在我国已研制成功，但尚未进入市场。
CF又可分为高强CF(HT)的高模CF(HM)。
前者强度高，而后者弹性模量高。
纤维选择主要基于所设计复合材料的用途和工作环境，用于增强C/C复合材料的纤维有多种，对重要的结构选用高强、高模纤维;若要求导热系数低，则选用低模量CF，如粘胶基CF。
碳碳复合材料
碳/碳复合材料摘要：C/ C 复合材料是目前新材料领域重点研究和开发的一种新型超高温热结构材料, 密度小、比强度大、线膨胀系数低( 仅为金属的1/ 5~ 1/ 10) 、热导率高、耐烧蚀、耐磨性能良好。
特别是C/ C 复合材料在1 000℃~ 2 300℃时强度随温度升高而升高, 是理想的航空航天及其它工业领域的高温材料[ 1~ 7]。
C/ C 复合材料是具有优异耐高温性能的结构与功能一体化工程材料。
它和其它高性能复合材料相同,是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构, 不同之处是增强相和基体相均由具有特殊性能的纯碳组成[8.9]。
关键词：C/C复合材料发展高性能成型加工化学沉积航空航天易氧化1.碳/碳复合材料的发展C/C复合材料的首次出现是于1958年在Chance Vought航空公司实验室偶然得到的，当测定C纤维在一有机基体复合材料中的含量时，由于实验过程中的失误，有机基体没有被氧化，反而被热解，得到了C基体，结果发现这种复合材料具有结构特征，因而C/C复合材料就诞生了。
C/C复合材料技术在最初十年间发展的很慢，到六十年代末期，才开始发展成为工程材料中新的一员，自七十年代，在美国和欧洲得到很大发展，推出了C 纤维多向编织技术，高压液相浸渍工艺及化学气相浸渍法（CVI），有效地得到高密度的C/C复合材料，为其制造、批量生产和应用开辟了广阔的前景。
八十年代以来，C/C复合材料的研究极为活跃，前苏联、日本等国也都进去这一先进领域，在提高性能、快速致密化工艺研究及扩大应用等方面取得很大进展。
2.碳/碳复合材料的特征C/ C 复合材料具有低密度、高强度、高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2 000℃以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性( 组织成分及力学性能上均相容) 、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能[10.11]，尤其是C /C 复合材料强度随温度的升高不降反升的独特性能，使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统具有其它材料难以比拟的优势［12］。
碳碳复合材料范文
碳碳复合材料范文碳碳复合材料，也称为C/C复合材料，是由碳纤维和碳基矩阵组成的一种强度高、刚度高、耐高温、耐磨损的复合材料。
碳纤维是以聚丙烯腈为原料制成的纤维，经过高温炭化和高温石墨化处理后，形成具有高强度和高模量特性的碳纤维。
碳基矩阵则是通过热裂解、化学气相沉积等技术在碳纤维表面沉积碳元素形成的。
碳碳复合材料具有多种优良性能，使其在航空航天、汽车制造、高温装备等领域具有广泛应用。
首先，碳碳复合材料具有极高的强度和刚度，其强度约为钢的两倍，刚度约为铝的两倍。
这种优良的力学性能使得碳碳复合材料在航空航天领域可以用于制造高速飞行器、导弹等要求强度和刚度的零部件。
其次，碳碳复合材料具有出色的耐高温性能。
碳纤维和碳基矩阵都具有良好的耐高温性能，可在3000℃以上的高温下仍能保持较好的稳定性。
这使得碳碳复合材料成为制造高温装备的理想材料，如航空发动机喷嘴内衬、热保护罩等。
此外，碳碳复合材料还具有良好的耐磨损性能。
由于碳碳复合材料具有低摩擦系数和优异的耐磨损特性，使得其在汽车制造领域有着广泛的应用，如制动器、离合器摩擦片等。
然而，碳碳复合材料也存在一些不足。
首先，碳碳复合材料具有较高的制造成本。
碳纤维的生产、碳基矩阵的制备以及碳碳复合材料的成型和加工过程都需要经历多个复杂的工序，导致制造成本昂贵。
其次，碳碳复合材料的断裂韧性较差。
碳纤维本身是一种方向性较强的材料，对于非平面应力分布的情况下容易发生断裂。
为了改善碳碳复合材料的断裂韧性，常常采用增加复合材料的纤维体积分数、引入填料、改变制备工艺等方法。
此外，在碳碳复合材料的应用过程中，还需注意其氧化烧蚀性能。
由于碳碳复合材料中碳元素的存在，其在高温气氛中容易氧化，从而导致材料性能下降。
为了解决这个问题，可以在碳基矩阵表面涂覆一层陶瓷涂层，提高复合材料的抗氧化性能。
综上所述，碳碳复合材料作为一种具有高强度、高刚度、耐高温和耐磨损性能的复合材料，在航空航天、汽车制造、高温装备等领域具有广泛应用前景。
碳碳复合材料
目前应用最广泛的是等温CVI 法（ICVI），具有不损伤纤维、基体碳纯度高、工艺设备简单、
可对多个形状复杂预制体同时致密化等特点，是工业生产C/C 复合材料的主要工艺手段。ICVI 工
艺致密化过程极其复杂，沉积反应发生在多孔预制体的内表面，存在气相热解、表面沉积反应
和气体扩散过程；受温度、压力、预制体空隙结构、气体的种类及滞留时间等因素的影响；存
液相浸渍工艺
工艺原理
– 以树脂或沥青为基体前驱体，将其浸渍到织物 中，然后将浸渍有树脂或沥青的织物在惰性气 氛下热处理，使树脂或沥青转化为基体碳
工艺特 – 当在制品达到一定密度后（1.7g/cm3），
需要HIP工序实现材料的高密度
三维织物研究的重点在细编织及其工艺、各向纤维的排列对材 料的影响等方面。
2.致密化二法：CVD/CVI；液相浸渍 • 碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密化，以实现预制
体和碳基体的复合。 • 渗碳方法：液态浸渍热分解法、化学气相沉积法。 • 基本要求：基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致
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。
或石墨化的脂碳（沥青）
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。
能
特
• 一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学性 对热应力不 能损失
敏感
点
物理性能
热膨胀性能低：常温下为-0.4～1.8×10-6/K，仅为金属材料 的1/5～1/10；
碳碳复合材料(Composite materials)简介
1
碳碳复合材料 （Composite materials）
简介
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
C/C复合材料
• 碳碳复合材料可以通过渗透一种碳先驱体 到碳纤维预制体中，然后再升温到大约 1000℃碳化，或者1000℃通过CVD方法， 然后经过多次浸渍、碳化或CVD，最后加 热到2000℃以上石墨化。
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
碳基体
• 一般有三种碳基体先驱体
– 热塑型沥青 – 热固型树脂 – CVI方法
• 选择哪种方法的原则：很到程度上依赖于 生成复合材料部件的几何形状。
– 厚度薄的部件主要采用CVI方法； – 厚度厚的部件使用树脂或沥青渗透； – 复杂形状的几何部件使用树脂渗透。 – 一般利用混合方法对碳纤维增强复合材料进行
• CC复合材料的拉伸强度随着温度的升高而 增大的主要机制：
– 排出气体（吸收的水）的影响 – 基体强度与温度的依赖性 – 纤维基体界面 – 蠕变变形的影响 – 热应力的影响 – 纤维强度的影响
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
基体强度与温度的依赖性
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
因此，材料性能是细观组分材料响应的宏观表现
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
有限元方法
• 模拟实验法
– 含有缺陷 – 细观结构没有周期性
• 特征体元法
– 具有周期的细观几何结构 – 细观结构复杂
材料基础培训-碳碳复合材料（Composite materials）简介
炭炭复合材料
炭炭复合材料
炭炭复合材料是一种由碳纤维和炭基基体材料组成的复合材料。
它具有轻质、
高强度、耐高温、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车制造、能源领域等方面有着广泛的应用。
首先，炭炭复合材料的轻质特性使得它在航空航天领域有着重要的应用。
由于
碳纤维具有很高的比强度和比模量，因此制造出的炭炭复合材料非常轻盈，能够大幅减轻飞机、火箭等载具的重量，提高其载荷能力和燃料效率。
同时，炭炭复合材料还具有良好的抗热性能，能够在高温环境下保持稳定的性能，因此在航天器的外部热防护和引擎部件中有着重要的应用。
其次，炭炭复合材料在汽车制造领域也有着广泛的应用。
由于碳纤维具有优异
的抗拉强度和模量，因此制造出的炭炭复合材料能够用于汽车的车身结构和零部件制造，能够提高汽车的整体强度和刚性，同时减轻车身重量，提高燃油效率。
此外，炭炭复合材料还具有良好的耐腐蚀性能，能够在恶劣的环境下保持稳定的性能，因此在汽车制造领域有着广泛的应用前景。
最后，炭炭复合材料在能源领域也有着重要的应用。
由于碳纤维具有良好的导
热性能和耐高温性能，因此制造出的炭炭复合材料能够用于制造高温热交换器和耐高温零部件，能够提高能源设备的工作效率和使用寿命。
同时，炭炭复合材料还具有优异的导电性能，能够用于制造电磁屏蔽材料和导电部件，在电力设备和电子设备中有着重要的应用。
总之，炭炭复合材料具有轻质、高强度、耐高温、耐腐蚀等优异特性，在航空
航天、汽车制造、能源领域等方面有着广泛的应用前景，将会在未来的科技发展中发挥越来越重要的作用。
碳碳复合材料简介
四 发展趋势及应用
(1) 因其良好的生物相容性 ,在生物医学方面 ,可作人体骨 骼的替代材料 ,比如人工髋关节、 膝关 节、 牙根等.
(2) 汽车、 赛车的制动系统. (3) 在核反应堆中制造无线电频率限幅器. (4) 利用其高导电率和很高尺寸稳定性 ,制造卫星通讯抛物 面无线电天线反射器. (5) 用碳/碳复合材料代替石棉制造熔融玻璃的滑道 ,其寿命 可提高100倍以上. (6) 制作高温紧固件.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 载能力 ,可作高温下使用的螺栓、 螺母、 垫片等.
三 制备工艺
制备碳/碳复合材料主要步骤为: 预制体成型 → 致密化处理 → 最
终高温热处理
3.1
预制体成型
• 在进行预制体成型前,根据所设计复合材 料的应用和工作环境来选择纤维种类和编 织方式.例如 ,对重要的结构选用高强度、 高模量纤维.对要求导热系数低的则选用低 模量炭纤维 ,如粘
• 定义 • 性能 • 制备工艺 • 发展前景及用途
一 定义
• 碳/碳复合材料是复合材料的 一种 ,它是以碳为基体 ,由碳纤 维或其制品(碳毡或碳布)增强 的复合材料.
二 性能
• 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.而且 , 其质轻 ,比强度和比弹性模量都很 高 ,更重要的是这种材料随着温度 的升高(可达2 200 ℃)其强度不降 低 ,甚至比室温条件下还高。
气孔口 ,难 以达到致密要求 ,如树脂
3.4
化学气相沉积(Chemical Vapor Infiltration ,简称 CVI)
工艺.有的文献称化学气相沉积工艺是最早采用的一种致密化方 法 ,其工艺过程如图2所示.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.与液相浸渍工艺相比 ,化学气相沉积 工艺不仅过程便于精确控制 ,而且所制备的材料还具有结构均匀、 完整、 致密性好、石墨化程度高等优点.目前国外主要用等温 CV I法生产碳/碳复合材料刹车盘.
碳碳复合材料
碳/碳复合材料什么是碳/碳复合材料？它是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，具有低密度(<2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，尤其是在1650℃以上应用的少数备选材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是全球最有发展前途的高温材料之一。
虽然碳/碳复合材料有很多十分优良的高温性能，但它在温度高于400℃的有氧环境中发生氧化反应，从而导致材料的性能急剧下降。
所以，碳/碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须有氧化防护措施。
碳/碳复合材料的氧化防护主要通过以下两种途径，即在较低的温度下可以采取基体改性和表面活性点的钝化对碳/碳复合材料进行保护；随着温度的升高，则必须采用涂层的方法来隔绝碳/碳复合材料与氧的直接接触，以达到氧化防护的目的。
当前使用最多的是涂层的方法，随着科技不断进步，对碳/碳复合材料超高温性能的依赖越来越多，而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层防护。
值得一提的是，C/C基复合材料是近一些年来全球最受重视的一种更耐高温的新材料。
因为只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，曾经是美国21世纪重点发展的耐高温材料，尤其是全球先进工业国家拼力追求的最高战略目标。
所谓C/C基复合材料，就是碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的耐熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。
由于C/C基复合材料具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，因此，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而能够提高。
特别是在1650℃以下时仍然还保持着室温环境下的强度和风度。
因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有非常大的发展潜力。
值得一提的是，C/C基复合材料在航空发动机应用的一个主要问题是抗氧化性能较差，所以，近几年美国通过采取一系列的工艺措施，让这一问题获得解决，并且逐步应用在新型发动机上。
碳碳复合材料
工艺特点
–材料结构尺寸稳定性较好 –单边均匀沉积厚度不大于50mm，适用于薄壁、异型织 物，不适用于实心预制体 –需要几百甚至上千小时，中间往往需要多次去除材料 表层以打开沉积通道，且易形成密度梯度 –沉积密度很难超过1.7g/cm3
三维织物研究的重点在细编织及其工艺、各 向纤维的排列对材料的影响等方面。
2.致密化二法：CVD/CVI；液相浸渍 碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密 化，以实现预制体和碳基体的复合。 渗碳方法：液态浸渍热分解法、化学气相沉积法。 基本要求：基体的先驱体与预制体的特性相一致， 以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。
却
C/C复合材料是以碳
（或石墨）纤维 及其织物，或石 墨化的脂碳（沥 青）为增强材料，以 碳（或石墨）为基
体，通过加工处理和
碳化处理制成的全碳 质复合材料。
增强材料就象树木中的纤维，混凝 土中的钢筋一样，是复合材料的重 要组成部分，并起到非常重要的作 用
为复合材料中起到粘接增强体成为 整体并转递载荷到增强体的主要组 分之一。
C/C作为刹车盘
C/C在航空上的应用
C/C复合材料来源于ChanceVought由于实验室事故，在碳纤维树 脂基复合材料固化时超过规定的温度，
导致树脂碳化， 形成碳碳复合材 料。 我国对此的研究和开发主要集中在 航天航空等高新技术领域，较少涉及 民用高性能、低成本碳碳复合材料的 研究。整体研究水平还停留在对材料 宏观性能的追求上，对材料组织结构 和性能的可控性、可调性等基础研究 相当薄弱，难以满足国民经济发展对 高性能碳碳复合材料的需求。
碳碳复合材料
碳碳复合材料
碳碳复合材料是一种由碳纤维和碳基基体组成的复合材料。
碳纤维是一种高强度、轻质的纤维材料，可以抵抗高温和
化学腐蚀。
碳基基体则提供了材料的机械强度和耐磨性能。
碳碳复合材料具有以下特点：
1. 高温耐性：碳碳复合材料能够在高达3000°C的温度下
保持其稳定性和强度。
2. 轻质高强：碳纤维的轻质性能使得碳碳复合材料具有较
高的比强度和刚度。
3. 良好的机械性能：碳碳复合材料具有优异的抗拉、压缩
和抗剪强度，使其适用于各种高性能应用。
4. 耐磨性能：碳碳复合材料具有出色的耐磨性，可用于制
造高速运动部件和摩擦材料。
5. 抗氧化性：碳碳复合材料能够抵抗氧化和腐蚀，因此可
以在恶劣的环境条件下使用。
碳碳复合材料广泛应用于航空航天、汽车制造、能源领域以及高温和特殊工程等领域。
例如，它们可以用于制造火箭喷嘴、涡轮叶片、制动系统、石油炼厂设备等。
由于其优异的性能和广泛的应用领域，碳碳复合材料被视为一种重要的高性能材料。
碳碳复合材料
碳碳复合材料
碳碳复合材料是一种具有优异性能的新型材料，它由碳纤维和碳基胶粘剂组成，经过高温热处理而成。
这种材料具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等特点，因此在航空航天、汽车制造、船舶建造等领域有着广泛的应用。
首先，碳碳复合材料具有极高的强度和硬度。
碳纤维本身就是一种高强度材料，而且经过特殊工艺制成的碳碳复合材料，在高温环境下依然能够保持其强度和硬度，因此在航空航天领域被广泛应用于制造飞机机身、导弹外壳等部件。
其次，碳碳复合材料具有优异的耐高温性能。
这种材料在高温环境下不会发生
软化、熔化等现象，因此被广泛应用于航空发动机、航天器热屏蔽结构等部件的制造。
它能够承受极高的温度，保证设备在极端环境下的正常运行。
另外，碳碳复合材料还具有良好的耐腐蚀性能。
在恶劣的环境下，例如海水、
化学品腐蚀等，碳碳复合材料能够保持其原有的性能，不会发生腐蚀、氧化等现象，因此在船舶建造、化工设备制造等领域有着广泛的应用。
总的来说，碳碳复合材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，它在航空航天、汽车制造、船舶建造等领域有着重要的地位。
随着科技的不断进步，碳碳复合材料的性能将会得到进一步提升，其应用范围也将会不断扩大。
相信在不久的将来，碳碳复合材料将会成为各个领域中不可或缺的材料之一。
碳碳复合材料关键技术
碳碳复合材料关键技术碳碳复合材料（Carbon-Carbon Composite，简称C/C复合材料）是一种由碳纤维和碳基矩阵构成的复合材料。
由于其具有高温性能优异、热膨胀系数低、机械性能良好等特点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
以下将从碳纤维制备、矩阵制备、界面处理和复合加工等方面介绍碳碳复合材料的关键技术。
一、碳纤维制备技术碳纤维是C/C复合材料的增强材料，其性能直接影响到C/C复合材料的性能。
碳纤维的制备一般采用有机纤维作为前体材料，在高温下进行热解和碳化得到。
传统的碳纤维制备方法包括湿法纺丝法和气相沉积法。
湿法纺丝法是将前驱体纤维在溶胶-凝胶体系中纺丝，然后高温热解得到碳纤维。
气相沉积法是将前驱体纤维暴露在碳源气氛中，通过热解和碳化反应得到碳纤维。
此外，近年来发展起来的熔融纺丝法和电纺丝法也逐渐应用于碳纤维制备。
二、矩阵制备技术矩阵是C/C复合材料的基体材料，起到固定和保护纤维的作用。
常用的矩阵制备方法有化学气相沉积法、碳热还原法和化学气相渗透法。
化学气相沉积法是将碳源气体通过热解和反应沉积在碳纤维上，形成矩阵。
碳热还原法是将含碳化合物的预制体在高温下进行热解和碳化反应，生成矩阵。
化学气相渗透法是将含碳化合物的液体浸渗进碳纤维预制体中，通过热解和碳化反应形成矩阵。
三、界面处理技术界面处理是为了提高碳纤维与矩阵之间的结合强度和界面粘结性，常用的界面处理方法有化学处理、物理处理和涂覆处理等。
化学处理常用的方法是在碳纤维表面进行活化处理，增加官能团的引入，提高界面的粘结性。
物理处理包括机械刻蚀、喷砂和放电等方法，通过增加表面粗糙度来提高界面粘结强度。
涂覆处理是在碳纤维表面涂覆一层界面增强剂，增加界面的粘结性和耐热性。
四、复合加工技术复合加工是将碳纤维和矩阵进行预制件的成型和烧结，常用的复合加工方法包括热压、热处理和化学气相渗透等。
热压是将碳纤维和矩阵按照一定的层序和排列方式进行堆叠，然后在高温和高压的条件下进行热压成型。
碳碳复合材料标准
碳碳复合材料标准碳碳复合材料（Carbon-Carbon Composites）由碳纤维和炭素基体组成，具有高强度、高硬度、耐高温等特点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、机械工业等领域。
为了确保碳碳复合材料的质量和性能，制定了一系列标准，本文将详细介绍碳碳复合材料的标准规范。
一、材料要求1. 原材料要求：碳纤维：采用高强度、高模量的碳纤维，纤维直径要求在6-10μm 之间，纤维拉力强度不低于5000MPa。
炭素基体：炭素基体的热处理温度要求控制在2300℃以上，炭素密度不低于1.5g/cm³。
2. 成品要求：拉伸强度：拉伸强度不低于200MPa；抗压强度：抗压强度不低于400MPa；硬度：表面硬度要求在90HRA以上；热导率：热导率不低于100W/m·K；热膨胀系数：热膨胀系数在80-100×10^-6/℃之间。
二、制备方法碳碳复合材料的制备方法包括硅烷浸渍法、炭化热处理法、化学气相沉积法等。
具体制备方法需根据产品要求确定，但需符合以下通用要求：1. 前处理：将碳纤维经过表面处理，去除杂质和纤维端面脱落层。
2. 浸渍：将碳纤维浸渍在浸渍剂中，使其充分浸润，并控制浸渍时间和温度。
3. 热处理：将浸渍后的碳纤维进行热处理，使其炭化，形成炭素基体。
4. 各向异性控制：通过调整碳纤维在基体中的分布和取向，控制复合材料的各向异性。
三、产品检测方法为了确保碳碳复合材料的质量和性能，需要进行一系列的产品检测。
以下是常用的检测方法：1. X射线探伤检测：利用X射线对产品进行探伤，检测内部是否存在裂纹或缺陷。
2. 金相显微镜检测：通过金相显微镜对复合材料进行组织结构观察，检测材料是否均匀致密。
3. 热导率测量：采用热导率仪对样品进行测试，检测材料热导率是否满足标准要求。
4. 抗拉强度测量：利用拉伸试验机对样品进行拉伸测试，检测其抗拉强度是否符合标准。
四、贮存和包装要求为了防止碳碳复合材料受潮、氧化等影响，贮存和包装时需要符合以下要求：1. 环境要求：存放环境应干燥、温度控制在20℃以下，相对湿度不大于60%。
碳碳复合材料讲解
03
飞机刹车 材料关键
技术
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料预制体成型技术 C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术 C/C复合飞机刹车材料的氧化防护技术 C/C复合飞机刹车材料再生修复技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C/C复合材料产业现状
03
C/C复合飞机刹车材料预制体成型技术
预制体是C/C复合材料的增强骨架，它直接决定或影响着后续制备复合 材料的力学、热物理和摩擦等性能。
03
①先进碳/ 碳复合飞机刹车材料关键技术研究
先进碳/碳复合材料是我国大型飞机和高性能军机的关键刹车材料，碳/ 碳（C/C）复合材料刹车盘（简称碳盘）是飞机刹车装置普遍使用的关键器材， 它不仅是一种摩擦元件，而且是一种热库和结构元件。碳盘替换传统的钢刹 车盘可以获得明显减重以及大幅度进步刹车盘性能和使用寿命的效果，因此， 自从20世纪70年代装机首飞成功以来，目前国际上已有100余种大中型民航 客 机和先进军机采用了碳刹车技术，是否采用碳刹车装置已成为衡量现代航 空 机轮水平的重要标志之一。
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
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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
碳碳复合材料介绍
碳碳复合材料介绍
哎呀，今天老师给我们讲了一个新东西，叫做“碳碳复合材料”。
嗯，名字好像有点难，可是我听懂了点儿！老师说呀，这种材料就像是两种东西结合起来，变得更厉害更结实。
碳碳复合材料是用一种叫碳的东西做的，就像我们平时看到的黑黑的煤炭一样，特别特别坚硬。
老师还说，碳碳复合材料在很多地方都有用呢！比如说，飞飞的火箭啊，特别需要它来做外面的壳壳，这样火箭才能飞得更高更远。
而且呀，碳碳复合材料还可以在很高很高的温度下工作，不会变软软的，就像烧烤的烤架一样，能耐得住大火，真是太神奇啦！
我还在想，要是我能拿到这种材料做个玩具，那玩具一定超级耐用，摔也摔不坏！哈哈哈，好厉害哦，碳碳复合材料，真的是很神奇呢！
—— 1 —1 —。
碳碳复合材料
碳碳复合材料碳碳复合材料是一种由碳纤维和碳基复合材料组成的复合材料。
它具有优异的力学性能和热学性能，被广泛应用于航天、航空、能源、汽车等领域。
碳纤维是碳碳复合材料的主要组成部分之一，它具有轻、强、刚、耐高温等特点。
碳纤维的强度比钢高五倍，刚度更高，而且密度只有一般钢材的四分之一。
这种优异的性能使得碳纤维成为航天航空领域中的重要材料，如制造飞机翼、导弹外壳等。
同时，碳纤维还可以用来制造汽车部件，如车身和刹车盘，以提高汽车的性能和燃油效率。
碳基复合材料是由含碳基体和碳基增强材料组成的复合材料。
它具有良好的导热性能和高温稳定性，可以在高温和极端环境下工作。
碳基复合材料通常用于制造火箭喷嘴、导弹外壳等需要耐高温和高速摩擦的部件。
此外，碳基复合材料还具有良好的耐磨性能和耐腐蚀性能，可以用于制造机械密封件和化学设备。
碳碳复合材料由碳纤维和碳基复合材料通过炭化、烧结等工艺制得。
碳纤维和碳基复合材料相结合，互补了各自的优点，形成了一种具有良好力学性能和热学性能的复合材料。
碳纤维可以增加碳基复合材料的强度和刚度，而碳基复合材料可以提高碳纤维的热传导性能和高温稳定性。
由于碳碳复合材料的优异性能，它被广泛应用于航天、航空、能源和汽车等领域。
在航天领域，碳碳复合材料可以用于制造导弹外壳、火箭喷嘴等高温高速工作的部件。
在航空领域，碳碳复合材料可以用于制造飞机翼、垂直尾翼等，提高飞机的性能和安全性。
在能源领域，碳碳复合材料可以用于制造核反应堆的导热元件，提高核反应堆的效率和安全性。
在汽车领域，碳碳复合材料可以用于制造车身和刹车盘，提高汽车的性能和燃油效率。
总之，碳碳复合材料具有优异的力学性能和热学性能，被广泛应用于航天、航空、能源和汽车等领域，对推动高科技产业的发展和提高产品性能起到了重要作用。
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气相沉积法
在粉末冶金技术中应用气相沉积法有几种方式: 1) 金属蒸气冷凝 这种方法主要用于制取具有大的蒸气压的金属，如锌、 镉等的粉末，因为这些金属的特点是具有较低的熔点和 较高的挥发性。如果将这些金属蒸气在冷却面上冷凝下 来，便可形成很细的球形粉末。 2）羟基物热离解[Me（CO）n]。 3）气相还原，包括气相氢还原和气相金属热还原。 4）化学气相沉积（CVD） 。
气相沉积法
用氢气还原六氯化钨可以制取超细钨粉。这种方法 包括六氯化钨的制取和还原六氯化钨为钨粉两个部分。 钨的氯化反应为： W+3Cl2→WCl6
在反应中，如果形成多种氯化物，则需要按各种不
同氯化物的沸点分级蒸馏而去除。 六氯化钨的氢还原反应为： WCl6+3H2→W+6HCl 同样，在六氯化钨的还原过程中，由于反应速度的 不同，可能得到不同的反应产物。 还原过程中反应温度越高，钨粉粒度越细。
碳/碳复合材料(C/C)定义： 碳/碳复合材料：是指以碳纤维或其织物为增强相，以化 学气相渗透的热解碳或液相浸渍－碳化的树脂碳、沥青碳 为基体组成的一种纯碳多相结构材料。 碳/碳复合材料源于1958年，美国Chance－Vought公司由 于实验室事故，在碳纤维树脂基复合材料固化时超过规定 的温度，导致树脂碳化，却形成C/C复合材料。 碳/碳复合材料是一种新型高性能结构、功能复合材料， 具有高强度、高模量、高断裂韧性、高导热、隔热优异和 低密度等优异特性，在机械、电子、化工、冶金和核能等 领域中得到广泛应用，在航天、航空和国防领域中的关键 部件上获得大量应用。
预成型体和基体碳
制备的基本思路 先将碳增强材料预先制成预成型体，然后再以基体碳填充， 逐渐形成致密的C/C复合材料。 预成型体是一个多孔体系，含有大量孔隙，即使是在用成束 碳纤维编织的预成型体中，纤维束中的纤维之间仍含有大量 的孔隙。
预成型体和基体碳
基体碳 目前C/C复合材料的基体碳主要是通过化学气 相沉积(CVD)和液态浸渍碳化率高的高分子物 质的碳化来获得。 由于获得基体碳的方法不同，制备工艺分为 CVD法和液态浸渍法两类。 液态浸渍碳法所获得的基体碳根据浸渍-碳化 原料分为树脂碳和沥青碳。
二、碳/碳复合材料的应用
C/C复合材料作为刹车盘
二、碳／碳复合材料的应用
2. 先进飞行器 导弹、载人飞船、航天飞机等，在再入环境时飞行器头 部受到强激波，对头部产生很大的压力，其最苛刻部位 温度可达2760℃，所以必须选择能够承受再入环境苛刻 条件的材料。 设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能 量仅为整个热量1%～10%左右。对导弹的端头帽也要 求防热材料，在再入环境中烧蚀量低，且烧蚀均匀对称, 同时希望它具有吸波能力、抗核爆辐射性能和全天候使 用的性能。 三维编织的C/ C复合材料，其石墨化后的热导性足以满 足弹头再入时由160℃气动加热至1700℃时的热冲击要 求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏； 其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头 上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/C 复合材料还可 作热防护材料用于航天飞机。
预成型体和基体碳
CVD碳 化学气相沉积（CVD）原理：通过气相的分解或反 应生成固态物质，并在某固定基体上成核、生长。 分解或反应的气体：主要有甲烷、丙烷、丙烯、乙 炔、天然气或汽油等碳氢化合物。 固态碳的沉积过程十分复杂，并与工艺参数的控制 有密切关系。 CVD法沉积碳根据不同沉积温度可获不同形态的碳， 如在950~1100℃为热解碳，1750～2700℃为热解石 墨。二、碳/碳复合材ຫໍສະໝຸດ 的应用二、碳/碳复合材料的应用
7.生物医用材料方面的应用
三、碳／碳复合材料的制备工艺
根据碳/碳复合材料使用的工况条件、环境条件和所 要制备的具体构件, 可以设计和制备不同结构的C/C 复合材料。 碳/碳复合材料制备工艺包括： 基体碳制备：采用化学气相沉积或浸渍高分子聚合 物碳化。 增强材料制备：各类碳纤维和编织－构件基本形状 －预成型体。 主要工艺参数：温度、压力、时间。 成本问题：重要的是如何尽可能缩短工艺各工序,降 低成本。
化学气相沉积法
在沉积法中也可用等离子弧法。这种方法已经用来制 取微细碳化物，如碳化钛、碳化钽、碳化铌等。等离 子弧法的基本过程是使氢通过等离子体发生器将氢加 热到平均30000C的高温， 再将金属氯化物蒸气和碳 氢化合物气体喷入炽热的 氢气流（火焰）中，则金 属氯化物随即被还原、碳 化，在反射墙上骤冷而得 到极细的碳化物。
一、碳／碳复合材料概述
碳/碳复合材料的优点（续）： 3）力学特性随温度升高而增大（2200℃以前），是目前唯一 能在2200℃以上保持高温强度的工程材料； 4）线膨胀系数小，高温尺寸稳定性好； 5）优异的耐烧蚀性能； 6）损伤容限高，良好的抗热震性能； 7）摩擦特性好，摩擦系数稳定，可在0.2~0.45范围内调整；使 用寿命长，在同等条件下的磨损量约为粉末冶金刹车材料的 1/3～1/7； 8）承载水平高，过载能力强，高温下不会熔化，也不会发生 粘接现象； 9）导热系数高、比热容大，是热库的优良材料； 10）优异的抗疲劳能力，具有一定的韧性，维修方便。
碳／碳复合材料CVD工艺
CVD反应过程 1）反应气体通过层流流动向沉积衬底的边界层扩散； 2）沉积衬底表面吸附反应气体； 3）反应气体产生反应并形成固态产物和气体产物； 4）气体产物分解吸附，并沿一边界层区域扩散； 5）产生的气体产物排出。 CVD过程受反应温度及压力影响较大，一般低温低 压CVD受表面反应动力学控制，而在高温高压下则 是扩散为主。
二、碳／碳复合材料的应用
1. 刹车领域的应用 碳/碳复合材料在1973年第一次用于飞机刹车片，目前, 一半以上的C/C复合材料用做飞机刹车装臵。 高性能刹车材料要求高比热容、高熔点以及高温强度， C/C复合材料正好满足这一要求，制作的飞机刹车盘重 量轻、耐高温、比热容比钢高2.5倍，与金属刹车盘相比， 可减轻40%的结构重量。碳刹车盘的使用寿命是金属的 5~7倍，刹车力矩平稳，刹车噪音小，因此碳刹车盘的 问世被认为是刹车材料发展史上的重大技术进步。 目前法国欧洲动力、碳工业等公司已经批量生产C/C复 合材料刹车片，英国邓禄普公司也已大量生产C/C复合 材料刹车片，用于赛车、火车和战斗机的刹车材料。
材料科学与工程学院
材料加工前沿技术
大连理工大学材料学院 张兴国
Dalian University of Technology
碳－碳复合材料与制备技术
一、 碳／碳复合材料概述
二、 碳／碳复合材料的应用
三、 碳／碳复合材料制备工艺
四、 碳／碳复合材料的界面和显微组织
五、 碳／碳复合材料的性能
一、碳／碳复合材料概述
二、碳/碳复合材料的应用
主要应用 碳/碳复合材料因具 有高比强度、高比 模量、耐烧蚀、具 有传热导电、自润 滑、本身无毒等特 点，首先在导弹、 宇航工业中广泛应 用。
二、碳/碳复合材料的应用
二、碳／碳复合材料的应用
4. C/C 复合材料用作高温结构材料 由于 C/C 复合材料优异的高温力学性能，使之有可 能成为工作温度达1500～1700℃的航空发动机的理 想材料，有着潜在的发展前景。 5. 涡轮发动机 C/C 复合材料在涡轮机及燃气系统 (已成功地用于燃 烧室、导管、阀门) 中的静止件和转动件方面有着潜 在的应用前景，例如用于叶片和活塞，可明显减轻 重量，提高燃烧室的温度，大幅度提高热效率。 6. 内燃发动机 C/C 复合材料因其密度低、优异的摩擦性能、低的 热膨胀率，从而有利于控制活塞与汽缸之间的空隙, 目前正在研究开发用其制做活塞。
碳／碳复合材料CVD工艺
碳的CVD沉积过程 在由甲烷形成沉积碳的过程中，在C/C复合材料预 成型体的表面发生一系列脱氢／聚合反应，最后才 得到热解碳。 甲烷高温热解 工艺参量如温度、压力、反应气体流量以及载气的 流量、分压都会影响到CVD过程的扩散／沉积的平 衡，影响C/C复合材料的致密度和性能。 获得CVD碳时的工艺温度都在950℃以上，以获得 较快的沉积速度。除温度外，碳的沉积速度与反应 气体的种类有关。
化学气相沉积法
化学气相沉积（CVD）是从气态金属卤化物（主要 是氯化物）还原化合沉积制取难熔化合物粉末和各种 涂层，包括碳化物、硼化物和氮化物等的方法。 从气态卤化物还原化合沉积各种难熔化合物的反应通 式为： 碳化物：金属氯化物+CmHn+H2→MeC+HCl 硼化物：金属氯化物＋BCl3+H2→MeB+HCl 硅 化 物 ： 金 属 （ 或 金 属 氯 化 物 ） ＋ SiCl4+H2→ MeSi+HCl 氮化物：金属氯化物＋N2＋H2→MeN+HCl
一、碳／碳复合材料概述
我国碳/碳复合材料的研究和开发主要集中在航天、 航空等高技术领域，较少涉足民用高性能、低成本碳 /碳复合材料的研究。 目前整体研究水平还停留在对材料宏观性能的追求上， 对材料组织结构和性能的可控性、可调性等基础研究 还相当薄弱，难以满足国民经济发展对高性能碳/碳 复合材料的需求。 因此，开展高性能碳/碳复合材料的基础研究具有重 大的科学意义和社会、经济效益。 碳/碳复合材料的优点： 1）碳/碳复合材料具有可设计性； 2）质量轻，密度1.65~2.0g/cm3，仅为钢的四分之一；
气相沉积法
1）气相还原法 气相还原法包括气相氢还原法和气相金属热还原法。 用镁还原气态四氯化钛、四氯化锆等属于气相金属热 还原。 气相氢还原是指用氢还原气态金属卤化物，主要是 还原金属氯化物。 气相氢还原可以制取钨、钼、钽、铌、铬、钒、镍、 钴等金属粉末，也可以同时还原几种金属氯化物而制 得合金粉末，这种方法也可以制取包覆粉末。 气相氢还原法所得一般都是很细或超细的粉末。
二、碳／碳复合材料的应用
C/C在航天领域中的应用