第四章第三节 碳基复合材料
碳基复合材料用途
碳基复合材料用途碳基复合材料是由碳纤维和树脂基体组成的复合材料。
由于其独特的性能和优势，碳基复合材料在众多领域都有广泛的应用。
碳基复合材料在航空航天领域有着重要的用途。
由于其高强度和轻质特性，碳基复合材料可以用于制造飞机和航天器的结构件，如机身、机翼和升降舵等。
相比传统的金属材料，碳基复合材料可以显著减轻飞机的重量，提高燃油效率和航程，同时还能增加飞机的稳定性和耐久性。
碳基复合材料在汽车制造领域也有广泛的应用。
由于碳基复合材料具有高强度和优异的抗冲击性能，它可以用于汽车的车身和结构件的制造。
与传统的钢铁材料相比，碳基复合材料可以减轻汽车的重量，提高燃油经济性和行驶性能。
此外，碳基复合材料还可以提供更好的防撞保护，提高乘客的安全性。
碳基复合材料在体育器材领域也得到广泛应用。
例如，碳纤维复合材料可以用于制造高尔夫球杆、网球拍和自行车车架等。
碳基复合材料的高强度和刚度可以使体育器材更加轻便和耐用，提高运动员的表现和成绩。
碳基复合材料还可以用于船舶制造、建筑结构、电子器件等领域。
在船舶制造领域，碳基复合材料可以提供良好的耐腐蚀性能和轻质化的优势，延长船舶的使用寿命。
在建筑结构领域，碳基复合材料可以用于制造高层建筑的框架和构件，提高建筑物的抗震能力和安全性。
在电子器件领域，碳基复合材料可以用于制造高性能的散热器和电子封装件，保证电子器件的工作稳定性和可靠性。
碳基复合材料具有独特的性能优势，广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材、船舶制造、建筑结构和电子器件等领域。
随着科技的不断进步和碳基复合材料的不断发展，相信它在各个领域的应用会越来越广泛，为人们的生活带来更多的便利和创新。
碳基复合材料制备及其性能分析
碳基复合材料制备及其性能分析随着科学技术的不断发展，材料科学也逐渐得到了广泛的发展与应用。
其中，碳基复合材料具有着优异的性能优势，在航空、航天、汽车、体育器材等领域得到了广泛的应用。
本文将介绍碳基复合材料的制备方法以及性能分析。
一、碳基复合材料的制备方法碳基复合材料是由纤维素、玻璃、碳纤维或者其他高性能材料与树脂组合而成，技术成熟的制备方法包括热固化法、热熔法和射出法。
1. 热固化法热固化法是将预制的填料与热固化树脂混合后，在温度和压力的作用下进行固化。
该方法原理简单，通过控制温度、时间和压力等因素可以实现对复合材料的可控制制。
2. 热熔法热熔法将树脂加热成液态后放置在纤维材料表面，经过加压加热凝固后，形成完整的复合材料。
相较于热固化法，该方法制备周期短，但是缺点是材料容易出现角部溶解等质量问题。
3. 射出法射出法主要是将树脂加热成液态后，通过注射的方式将树脂注入到纤维材料中，根据制品要求使用不同的加压方式，如射出密实法、压模法、旋转法等等。
该方法不仅能够制备简单的产品，同时也能够制备复杂的形状和曲线。
以上三种方法各有优劣，可根据不同的复合材料要求来选择最合适的方法进行制造。
二、碳基复合材料性能分析碳基复合材料性能优异主要体现在以下几个方面：1. 高强度由于碳纤维具有极高的强度和刚性，碳基复合材料在强度和刚性方面表现出色。
同时，与传统的金属材料相比，碳基复合材料更加轻巧，具有更高的比强度和比刚度，适用于制造对强度要求较高但是要求轻量化的产品。
2. 耐热性碳基复合材料在高温环境下表现出色，其工作温度范围较广，通常可达到800℃，对于制造高温炉、发动机、航空航天器材等具有重要作用。
3. 耐腐蚀性碳基复合材料本身的化学惰性较强，不容易被腐蚀，对氧化性介质具有很好的耐腐蚀性。
适用于制造酸性、碱性环境下的化工设备和海洋设备等。
4. 耐疲劳性由于碳基复合材料具有较高的抗疲劳性能，因此适用于制造需要经受大量反复载荷的产品，如振动设备、风力设备等。
碳基复合材料的制备和应用研究
碳基复合材料的制备和应用研究碳基复合材料具有轻质、高强度、高刚度、耐高温、抗腐蚀、绝缘性好等优良性能。
因此，在军事、航空、航天、建筑、电子、能源、环保等众多领域得到了广泛应用。
本文将就碳基复合材料的制备和应用进行探讨。
一、碳基复合材料制备技术1.炭化理论和方法碳基复合材料制备的核心是炭化理论和方法。
炭化是指在非氧化性气氛下，焦碳质原料在一定温度下经脱氢、裂解、重组和石墨化等反应过程，形成结晶度高、纯度高的碳材料。
一般采用的炭化方法有CVD、PVD、PIB等方法。
其中，CVD 方法是目前应用最广泛的碳化方法。
2.复合技术碳基复合材料是以一种或几种碳化物为基质，加入一定比例的增强材料或其它碳化物制成的复合材料。
增强材料包括碳纤维、陶瓷纤维、金属颗粒等。
在制备中采用的复合技术主要有热压、CIP和浸渍等方法。
二、碳基复合材料应用研究1.航空航天领域碳纤维增强复合材料是发展最快的一类材料之一，其具有轻质、高强度和高刚度等特点，被广泛应用于航空航天领域的结构件、燃烧器、发动机叶片等部件上。
2.建筑领域碳基复合材料具有绝缘性好、耐腐蚀、防水、易加工等优点。
在建筑领域中广泛应用于梁柱、天花板、防水材料等方面。
3.电子领域碳基复合材料具有良好的导电性，可以用于电子元器件的制造，如IC封装、热散尽器、热管和液冷器等。
4.能源领域碳基复合材料具有耐高温、抗腐蚀、导热等特点，可以用于核反应堆容器、石油化工反应器等容器的制造。
5.环保领域碳基复合材料可以替代一些传统的材料，如钢铁、水泥等，减少污染物的排放。
同时，采用碳基复合材料制造的环保产品，具有防水、防火、耐磨、地震抗震等特点，受到了国内外市场的欢迎。
三、碳基复合材料发展趋势1.制备方法的多样化随着科技的发展，制备碳基复合材料的方法越来越多样化。
例如，生物合成法、自组装法等制备方法的出现，拓展了碳基复合材料的制备技术。
2.应用领域的拓展随着碳基复合材料的性能不断提高，其应用领域将进一步拓展。
碳基复合材料的制备和应用
碳基复合材料的制备和应用碳基复合材料是一种新型的材料，其由碳纤维等稳定性较高的薄膜与聚合物等物质结合而成，具有强度高、重量轻、硬度大、抗氧化性强等优良特性，被广泛应用于航空、航天、军事、汽车等领域。
制备方法碳基复合材料的制备方法主要分为两种：CVD法和预浸法。
CVD法是通过在高温气氛中使含有碳原子的气体与基料表面反应生成碳化物，从而在基料表面形成碳基材料。
预浸法则是将碳纤维吸附于基体面，并再次涂覆一层聚合物基质，经过固化加工而形成一体化的材料。
应用领域碳基复合材料具有很高的强度和硬度，因此广泛应用于民用和军用领域。
在户外运动方面，碳纤维复合材料被应用于滑雪板、高尔夫球杆、网球球拍等项目，其优良特性为运动员提供了更好的控制力和挥击力。
在航空领域中，碳纤维复合材料在制造飞机结构零件时得到了广泛应用。
因为其轻质、高强度、刚性好，被广泛应用于制造飞机的翼尖、机身、发动机罩等部分，能够大大减小机身比重，提高飞机飞行性能。
在航天领域，碳纤维复合材料的应用也越来越广泛。
在国际空间站建造过程中，复合材料技术被广泛应用于全压壳、抗压量杆和导热结构等领域。
碳基复合材料还可以用于制造太阳能电池板，以便于为航天器提供动力。
在医学方面，碳基复合材料也具有很高的应用价值。
碳纤维合材料可以作为人体修复及骨科手术用的材料。
人工骨骼具备纤维的强度、硬度，且具备人体吸收及成长性，可以在伤口处加速骨骼修复，肯定会给患者带来很大的康复效果。
结语碳基复合材料是一种优良的材料，具有广泛的应用前景。
以其优越的性能代替传统材料，成为了多个领域的不二选择。
随着科技的发展，碳基复合材料的生产工艺不断完善和创新，其用途也会越来越广泛。
碳基复合材料
碳基复合材料
碳基复合材料是一种由碳纤维和树脂等材料混合而成的高性能复合材料，具有轻质、高强度、高刚度和耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
在工程领域中，碳基复合材料的应用越来越受到重视，因为它能够满足对轻量化、高强度和高性能的需求。
首先，碳基复合材料具有优异的力学性能。
由于碳纤维具有很高的拉伸强度和模量，因此碳基复合材料的强度和刚度都很高，能够承受较大的载荷。
与金属材料相比，碳基复合材料的密度更低，因此在同样重量下，碳基复合材料的强度和刚度更高，能够减轻结构重量，提高整体性能。
其次，碳基复合材料具有优良的耐腐蚀性能。
由于碳纤维和树脂的化学性质稳定，不易受到腐蚀和氧化的影响，因此碳基复合材料在恶劣环境下能够保持良好的性能，具有较长的使用寿命。
这使得碳基复合材料在航空航天和海洋工程等领域得到广泛应用。
另外，碳基复合材料还具有良好的设计灵活性。
由于碳纤维可以根据需要进行编织和叠层，因此可以根据工程需求设计出不同方向的受力结构，满足复杂结构的要求。
而且碳基复合材料的成型工艺灵活多样，可以制作出各种形状和尺寸的零部件，满足不同工程的需要。
总的来说，碳基复合材料具有轻质、高强度、高刚度和耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
随着科技的不断发展，碳基复合材料的应用前景将会更加广阔，同时也需要不断加强对其性能和工艺的研究，以满足不断提高的工程需求。
希望本文能够对碳基复合材料有所了解，并为相关领域的科研和工程应用提供一些参考和帮助。
第四章C-C复合材料的连接
短纤维复合材料的成本低，容易加工，但强度不高；
连续纤维复合材料仅在纤维方向具有较高的强度； 层合织物可在纤维平面上提供高强度和良好的抗冲击性 能，而在垂直于纤维平面的方向上力学性能较差；
第四章C/C复合材料的连接
第四章C/C复合材料的连接
第四章C/C复合材料的连接
根据增强材料与基体材料的不同，碳／碳 复合材料可分为三种：碳纤维增强碳、石 墨纤 维增强碳、石墨纤维增强石墨。
null定义：C/C复合材料是以碳（或石墨） 纤维及其织物为增强材料，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。 C/C复合材料发展；
4.2.2
碳/碳复合材料的扩散连接
碳／碳复合材料的扩散焊的基本思路是 通过焊接过程中的物理、化学反应，在两个被 连接件之间生成石墨或高温稳定的化合物中间 层而将被连接件连接起来，为此，必须在连接 表面上涂敷一定的中间层反应材料。 可选用的中间层反应材料有三类：锰粉、 镁粉和铝粉；Ti、Zr、Nb、Ta、Hf等与非金 属或化合物的混合物高熔点金属；B或TiSi2等 非金属。
其他性能
生物相容性好：是人体骨骼、关节、颅盖 骨补块和牙床的优良替代材料；
安全性和可靠性高：若用于飞机，其可靠 性为传统材料的数十倍。飞机用铝合金构 件从产生裂纹至破断的时间是1mim，而 C/C是51mim。
神经探针新材料：碳纳米 管/琼脂糖生物复合纤维
碳基复合材料的应用
碳基复合材料的应用
《碳基复合材料的应用》
嘿，同学们！你们知道吗？有一种超级厉害的东西叫碳基复合材料！这玩意儿可不得了，在好多好多地方都大显身手呢！
先来说说航空航天领域吧！想象一下，那些巨大的飞机和火箭，要是没有碳基复合材料，那得多笨重呀！就好比让一只老鹰背着一块大石头飞翔，能飞得起来吗？肯定不行！碳基复合材料让飞机和火箭变得更轻更强，飞得更高更远。
你想想，要是没有它，那些宇航员怎么能顺利地在太空中遨游呢？
还有汽车行业！现在不是都提倡环保节能嘛，碳基复合材料就派上大用场啦！它能让汽车变得更轻巧，跑得更快，还能节省能源。
这就好像给汽车穿上了一双超级轻便的跑鞋，跑得呼呼生风！要是没有碳基复合材料，汽车可能就像背着大包袱的蜗牛，慢吞吞的，多着急人呐！
再讲讲体育用品。
你们喜欢打篮球、打羽毛球吗？那些高质量的球拍很多都是用碳基复合材料做的哟！它让球拍更有弹性，更坚固。
就像给运动员们配上了一把锋利的宝剑，在赛场上大杀四方！没有它，运动员们可能就没法发挥出最佳水平啦。
我曾经和爸爸讨论过这个问题，我问他：“爸爸，碳基复合材料这么厉害，是不是以后啥都能用它呀？”爸爸笑着说：“孩子，也不是啥都能全靠它，但它的应用肯定会越来越广泛。
”
我又好奇地问妈妈：“妈妈，那碳基复合材料制造起来是不是很难呀？”妈妈摸摸我的头说：“是不容易，但科学家们一直在努力研究，让它变得更好更实用。
”
在我看来，碳基复合材料就像是一个神奇的魔法材料，给我们的生活带来了太多的惊喜和改变。
它让我们的世界变得更高效、更精彩！我相信，未来它还会有更多让人惊叹的应用，让我们一起期待吧！。
复合材料-第四章复合材料界面
（1）物理因素
例1 粉末冶金制备的W丝/Ni，钨在镍中有很大的固溶度，在1100℃左右使用50小时后，钨丝发生溶解，造成钨丝直径仅为原来的60%，大大影响钨丝的增强作用，如不采取措施，将产生严重后果。为此，可采用钨丝涂覆阻挡层或在镍基合金中添加少量合金元素，如钛和铝，可以起到一定的防止钨丝溶入镍基合金的作用。
如何防止碳在镍中先溶解后析出的问题，就成为获得性能稳定的Cf / Ni的关键。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降。
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1.界面的形成 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： ①基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。 ②聚合物的固化阶段。聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。
1
2
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层组成。
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以下几种效应。……P61
复合材料界面设计的原则(总的原则)
界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。
碳基复合材料
碳基复合材料
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碳基复合材料
简介
以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。
碳基复合材料有两种制备方法：一是浸渍法，即用增强体浸渍熔融的石油或煤沥青，再经碳化和石墨处理，它的基体是石墨碳，呈层状条带结构，性能是各向异性的。
还有用增强体浸渍糠醇或酚醛等热固性树脂，只经碳化处理，它的基体是玻璃碳，即无定型碳结构，性能是各向同性的；另一是CVD法，即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体上来进行复合，这种方法的碳基体是类似玻璃碳的热解碳。
碳/碳复合材料不耐氧化，所以有时需要加抗氧化涂层。
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碳基复合材料分类课件
03
碳基复合材料的制备方法
化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种常用的制备碳基复合材料的方法， 通过将气态碳源和热解碳前驱体引入反应室，在高温条件 下发生化学反应，生成碳基复合材料。 该方法的优点是制备的碳基复合材料纯度高、结晶性好、 结构可控，适用于制备大面积、连续的碳基复合材料。
石墨烯增强复合材料
石墨烯增强复合材料是以石墨烯为增强相，树脂 、金属或陶瓷等为基体的复合材料。
石墨烯增强复合材料的制备方法主要包括化学气 相沉积、液相剥离法、溶胶-凝胶法等。
石墨烯增强复合材料具有高导热、高导电、高强 度、高模量等特点，在电子器件、传感器、电池 等领域有广泛应用。
石墨烯增强复合材料的制备方法多样，可以根据 实际需求选择合适的制备方法。在制备过程中， 需要控制石墨烯的尺寸和分散性，以及与基体的 界面结合力，以提高复合材料的整体性能。
。
汽车
用于制造汽车车身、刹车片、 传动轴等部件，提高汽车性能
和安全性。
体育器材
用于制造高尔夫球杆、网球拍 、自行车架等运动器材，提高
运动性能和舒适度。
其他领域
在电子、能源、医疗等领域也 有广泛应用，如用于制造电池
电极、医疗器械等。
02
碳基复合材料的分类
碳纤维增强复合材料
碳纤维增强复合材料是以碳纤维为增强相，树脂、金 属或陶瓷等为基体的复合材料。
于其纤
透光性是指材料对光的透过能力。碳基复合材料的透光性取决于其纤维和基体的透光性以 及它们的体积分数。
反射性
反射性是指材料对光的反射能力。碳基复合材料的反射性取决于其纤维和基体的反射性以 及它们的体积分数。
颜色与光泽
颜色与光泽是指材料对光的吸收、反射或散射所呈现出的颜色和外观效果。碳基复合材料 的颜色与光泽可以通过添加颜料或金属氧化物来调整。
高中数学《第四章元素与材料世界3、复合材料》25PPT课件 一等奖比赛优质课
4-3.复合材料【教学目标】1.了解常见的复合材料及其用途【引入】1.前面我们学习了金属材料、无机非金属材料、有机合成材料,请指出我们日常生活用品分别用什么材料制造的?2.那么这些材料是否已能完全满足人们生活的需要呢?3.运动员在撑杆跳项目中使用的撑杆极富弹性,这三种材料能满足要求吗?4.“神州五号”载人飞船穿过大气层时,外壳和大气层摩擦产生几千摄氏度的高温,这些材料又能否经受这种考验而使飞船安然无恙?一、认识复合材料1、传统无机非金属材料的基本特征_________、_________、___________,新型无机非金属材料则具有_______._________。
金属材料分为__________.______________两大类。
复合材料1、定义：复合材料是指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。
一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优良性能，在综合性能上超过了单一材料。
2、组成：复合材料有两部分组成，一部分为起黏结作用；另一部分称为，起骨架作用。
二、形形色色的复合材料1、复合材料的分类按基体分类：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料按增强体形状分类：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料、纤维增强复合材料2、几种复合材料的比较复合材料基体增强体主要性质玻璃钢合成树脂玻璃纤维强度高，密度小，耐化学腐蚀，绝缘性和机械加工性能好碳纤维增强复合材料合成树脂碳纤维韧性好，强度高，质轻航空复合材料金属最广泛的是碳纤维，还有硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等耐高温，强度高，导电性好，不吸湿和不易老化航天复合材料陶瓷多为碳纤维、碳化硅纤维或氧化硅纤维耐高温，韧性强例1：复合材料的使用使导弹的射程有了很大提高，其主要原因在于（）A、复合材料的使用可以使导弹能承受超高温的变化B、复合材料的使用可以使导弹的质量减轻C、复合材料的使用可以使导弹承受超强度的改变D、复合材料的使用可以使导弹承受温度剧烈变化例2、复合材料的优点是（）①强度高②质量轻③耐高温④耐腐蚀A、仅①④B、仅②③C、除③外D、①②③④例3、高温结构陶瓷优于金属材料的主要之点是（）A、耐高温、耐腐蚀，不怕氧化B、密度小，硬度大C、韧性好，易于切削、锻打、拉伸D、良好的传热导电性【巩固练习】1、在自然界中以游离态存在的金属是（）A．铁B．金C．钠D．铝2、下列金属中属于黑色金属的是（）A．铁B．金C．银D．铜3、下列金属中不属于货币金属的是（）A．铁B．金C．银D．铜4、下列说法不正确的是（）A．大量使用的不是纯金属而是它们的合金B．目前已制得的纯金属只有90多种，但制得的合金已达几千种C．钢是最纯的铁D．废弃铝质包装既浪费金属材料又造成环境污染5、关于合金性质的说法中，错误的是（）A．多数合金的硬度一般比其各成分金属的硬度高B．多数合金的熔点一般比其各成分金属的熔点低C．合金的物理性质一般与其各成分金属的的物理性质不同D．合金的化学性质一般与其各成分金属的的化学性质不同6、下列关于合金的叙述中，不正确的是（）A．合金的熔点一般比它的各成分金属的熔点低B．合金的硬度一般比它的各成分金属的大C．合金的性质一般是各成分金属性质的总和D．铝合金在工业上的用途比纯铝更广7、现代建筑的门窗框架，常用电解加工成古铜色的硬铝制造。
碳基复合材料
（1）三向正交织物
Carbon-Carbon
• 美国从六十年代中期到七十年代初期制成的代表性三向 增强碳/碳复合材料是以编好的石墨纤维布迭层后，再从 Z向穿入石墨纱，制成一种三向预制件。 • 特点： （A）三个方向的纱不交织．只有重合点。这就可以避免 或减少由于纱交织造成纤维折断和损伤。平直排列有利 于充分发挥增强碳结构中每根纤维的力学性能。 （B）各个方向上纱线的品种、股数和每股纱中纤维的根 数都可以根据需要进行合理的选择和设计，为碳/碳复合 材料的结构性能和烧蚀性能的设计提供了极大的灵活性。 • 试验中发现碳/碳复合材料的烧蚀性能与编织的细密程度 有关，即：增强碳的结构越细密，碳/碳材料的烧蚀率越 小．烧蚀外形也越匀称。美国从七十年代初期又开始研 制成三向正交细编碳/碳鼻锥材料。
Carbon-Carbon
增强材料
（一）对碳纤维的要求
含碳量尽量高，含杂质尽量少。特别是有害杂质：碱 金属尽量少（据说抗热氧化性能好的碳纤维，碱金属的含量 都比较低）。 由于杂质成分和微观结构上的差别，不仅影响到碳纤维的强 度和弹性模量，某些杂质含量过高还会削弱材料的耐烧蚀性 能。 一般说，如果碳/碳复合材料是用于一般的防热或隔热，则 不必选用价格昂贵的高强度高模量碳纤维。 若用于制造导弹弹头等再入飞行器鼻锥和固体火箭发动机喷 管，由于工作环境恶劣，要求碳/碳复合材料不仅仅是耐高 温耐烧蚀，耐热冲击，还要能经受机械冲刷和剥蚀，因此应 选择强度和模量适中的碳纤维，而且有害杂质碱金属的含量 越低越好。
Carbon-Carbon
（二）碳纤维的使用形式
1、碳毡 • 先用几十个毫米长的短切粘胶人造丝或聚丙烯睛的毛絮层 迭在一起．经针刺加工使10-20%的纤维处于垂直方向。 • 毡是多孔材料，因此，它不仅是CVD工艺渗碳的理想骨架， 而且还可以直接用它作耐高温隔热材料。 2、碳纤维多向织物 • 碳毡内纤维是任意取向的，单向和两向的增强材料也都因 为低强度或极端的各向异性、或者是兼有低强度和极端的 各向异性而不能满足使用要求。
复合材料学 第四章 复合材料的界面.
于复合材料的破坏形式随作用力的类型、原 材料结构组成不同而异，故破坏可开始在树 脂基体或增强剂，也可开始在界面。有人通 过力学分析指出，界面性能较差的材料大多 呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、 纤维拔出、纤维应力松弛等现象。但界面间 粘结过强的材料呈脆性也降低了材料的复合 性能。界面最佳态的衡量是当受力发生开裂 时，这一裂纹能转为区域化而不产生进一步 界面脱粘。即这时的复合材料具有最大断裂 能和一定的韧性。由此可见，在研究和设计 界面时， 不应只追求界面粘结而应考虑到最
第四章 复合材料的界面
4.1 概 述 复合材料的界面是指基体与增强物之间化 学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能 起载荷传递作用的微小区域。界面虽然很小， 但它是有尺寸的，约几个纳米到几个微米， 是一个区域或一个带、或一层，厚度不均匀， 它包含了基体和增强物的部分原始接触面、 基体与增强物相互作用生成的反应产物、此 产物与基体及增强物的接触面，基体和增强 物的互扩散层，增强物上的表面涂层、基体 和增强物上的氧化物及它们的反应产物等。
基体的表面薄层构成的，基体表面层的厚度 约为增强纤维的数十倍，它在界面层中所占 的比例对复合材料的力学性能有很大影响。 对于玻璃纤维复合材料，界面层还包括偶联 剂生成的偶联化合物。增强纤维与基体表面 之间的距离受化学结合力、原子基团大小、 界面固化后收缩等方面因素影响。 2. 界面作用机理 界面层使纤维与基体形成一个整体，并通 过它传递应力，若纤维与基体之间的相容性 不好，界面不完整，则应力的传递面仅为纤 维总面积的一部分。 因此，为使复合材料内
界面虽然很小但它是有尺寸的约几个纳米到几个微米是一个区域或一个带或一层厚度不均匀它包含了基体和增强物的部分原始接触面基体与增强物相互作用生成的反应产物此产物与基体及增强物的接触面基体和增强物的互扩散层增强物上的表面涂层基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物等
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。
碳碳复合材料的制备方法课件
❖ 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。
❖ 在三向编织的基础上, 对四向和七向编织物也进行了 研究, 四向织物是在相应于立方体的四个长对角线方 向上进行编织, 由于编织方向增多, 改善了三向织物的 非轴线方向的性能, 使材料的各部分性能超于平衡, 提 高了强度（主要是剪切强度）, 降低了材料的热膨胀 系数。 No
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2.碳/碳复合材料的发展
❖ 碳/碳复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响。它 具有高的烧灼热、低的烧蚀率, 抗热冲击和超热环境下 具有高强度等一些列优点, 被认为是一种高性能的烧蚀 材料。
碳/碳复合材料可以作为导弹的鼻锥, 烧蚀率低且烧蚀均 匀, 从而提高导弹的突防能力和命中率。
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抽真空过程中有利于气体反应产物的排除。由于它能
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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, 制品的密度和密度梯度也能够加以控制, 所以 此法近年来发展较快。
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工艺结合起来以提高碳/碳复合材料的物料性能。
（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。
碳基复合材料的主要成分
碳基复合材料的主要成分说起碳基复合材料，嗯，这个名字听上去挺高大上的，咱们平时的生活中可能不常接触，但它的确在我们的世界里大显身手，尤其是在高科技领域。
你看，飞机、卫星、汽车、甚至运动器材里都有它的身影，简直就是个隐形英雄。
那么它到底是个啥？说白了，碳基复合材料就是一种用碳元素为基础，和其他材料混合，经过特殊工艺加工而成的高性能材料。
想象一下它就像是超级英雄穿上的战衣，原本单薄的碳元素和其他材质结合后，爆发出强大的力量，强度大、重量轻，还耐高温。
听起来有点复杂？别急，接着往下看。
咱们得从它的主要成分说起。
简单来说，碳基复合材料最主要的成分就是碳。
碳这个元素呢，在自然界中是非常常见的，你可以在煤、石油里找到它，甚至咱们自己身体里也有。
可它和其他材料结合后，却能产生出完全不同的效果。
例如，碳纤维就是其中一个最重要的成分，它看起来细得像丝线一样，但比钢铁还要坚硬，而且重量轻得吓人。
有人可能会觉得：嘿，这不是跟某些科幻电影里的神奇材料差不多吗？是的，碳纤维的确有着不容小觑的强度和耐久性，这让它在航空航天、赛车、甚至高端运动器材中都占据了非常重要的位置。
不过，光有碳纤维可不够，复合材料的精髓就在于它能够将不同材料的优势结合起来，发挥出比单一材料更强的性能。
像碳基复合材料里除了碳纤维外，通常还会加入一些树脂、塑料等材料，形成坚固的基底，保证材料的稳定性和抗压性。
树脂就像是给这块“超级材料”上了个保护膜，不仅增强了它的耐腐蚀性，还能让材料更加柔韧，不容易裂开。
你可以想象，树脂就像是一个细腻的裁缝，把所有的碳纤维、其他的强化物料缝合在一起，形成了一个既结实又灵活的整体。
再说了，碳基复合材料不仅仅是碳纤维和树脂的简单组合，它还常常会根据不同的需求，加入各种强化材料。
例如，硅、氮、硼这些元素，有时候也会作为填充物加入到碳基复合材料中，提升它的耐高温性和抗氧化能力。
这里面有个小秘密，大家可能不知道。
碳基复合材料中有时还会加入一些陶瓷材料，像是碳化硅（SiC），这种材料不仅耐高温，而且抗腐蚀，拿来做航天器的外壳那是再合适不过了。
碳基复合材料的合成及其在电池中的应用
碳基复合材料的合成及其在电池中的应用碳基复合材料是一类结构复杂、性能优异的新型材料，由碳纳米管、石墨烯、石墨烯氧化物等碳材料与金属、无机物等其他材料组成。
由于其独特的结构和性能，碳基复合材料在高效能储能装置、传感器、海洋环保等领域得到了广泛的应用。
本文将着重介绍碳基复合材料的合成方法及其在电池中的应用。
一、碳基复合材料的合成方法碳基复合材料的制备方法很多，其中最常用的是化学气相沉积、溶胶凝胶法、电化学沉积法、水热法等。
以下将简要介绍这些方法的原理和特点。
1. 化学气相沉积化学气相沉积是利用化学反应在高温下在基底表面沉积功能材料的方法。
在沉积过程中，反应物分解释放出的气体在升温后在基底表面上反应生成晶体。
通常采用的碳源为乙烯、丙烯等有机物。
该方法具有反应速度快、沉积厚度均匀、可控性强等优点。
2. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种低温合成新型材料的方法，具有简单易行、成本低廉、环保等优点。
该方法通过化学反应将有机物和无机物分子混合在一起，并形成均匀的凝胶。
随后，经过煅烧、冷却等处理过程，即可获得碳基复合材料。
3. 电化学沉积法电化学沉积法是利用电化学反应在基底表面上沉积功能材料的方法。
在该方法中，玻璃碳、不锈钢等做为符合电极放入溶液中，湿式化学气相沉积或电解沉积等方法进行电极沉积。
4. 水热法水热法是一种溶剂热法，是指在高温高压的水相或其它溶剂介质中加入某种物质，在一定的反应温度下在自然氧化还原反应中合成出具有特定结构、形貌及性质的新材料。
该法具有操作简单、环保等优点。
二、碳基复合材料在电池中的应用随着可再生能源的不断发展，高效能储能装置的需求越来越大，碳基复合材料作为一种优秀的储能材料，得到了广泛的应用。
1. 锂离子电池锂离子电池是一种可充电电池，由于其优异的电化学性能和长寿命，被广泛应用于电子设备、航空航天、交通工具等领域。
碳基复合材料作为锂离子电池负极材料，具有优异的导电性、稳定性和高的放电容量，可以显著提高锂离子电池的循环性能和能量密度。
碳基复合材料
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4.6.4 C/C复合材料抗氧化途径
a. 873K以下, 采用抑制剂法 b. 大于873K,采用高温抗氧化涂层法
1773K以下: SiC 和 Si3N4硅类陶瓷 1773K----2073K的抗氧化防护
硅基复合涂层: Si2O3/SiC(外层/内层)
c. 更高温度，采用复合涂层法
正在研究中
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4.5 工 艺
按基体成碳的工艺分 液相法 浸渍---碳化法 气相法 化学气相沉积、化学气相渗透
（固相法？）
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4.5.1 液态浸渍-碳化工艺
（Liquid Impregnation – Carbonization, LIC）
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4.5.2 化学气相沉积（C V D）
热导率高； 烧蚀性能 化学稳定性
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4.9 应 用 航空航天 一般工业 生物材料*
碳材料有很好的生物相容性
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Summary
C/C复合材料的抗氧化防护是研 究和应用的重点内容之一。重点掌握防 护原理、采用的途径及涂层设计原则。
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作业
为降低C/C复合材料的成本，减少 浸渍—碳化循环次数，请确定浸渍剂的 选用依据；并给出不同的使用温度下， C/C复合材料的抗氧化防护措施。
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Problem
In view of the highly inert nature of carbon materials, what waste disposal practices can you recommend for carbon fiber carbon composites ?
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酚醛树脂经碳化后转化为难石墨化的玻璃碳，耐烧蚀性
能优异；
back
液相浸渍和气相沉积的填孔和堵塞图解
沥青与气孔壁有良好的润湿和粘接性，碳化后残留的碳向 孔壁收缩，有利于第二次再浸渍和再碳化， 树脂与孔壁粘接不良而自身粘接强，碳化后树脂碳与孔壁 脱粘，自身成为一团而堵塞气孔，不利于再浸渍和密度的 再提高。
2 预成形体
•
维编织为
纤维含量高，但 具有显著的各向 异性和层间易剥 离性
3D排列中纤维含 量比较少，但各向 异性和层间剥离得 到改善
3 制备工艺
3.1 化学气相沉积法
• 3.1.1 挥发 烃 甲烷、 烷、苯 它 对 质 碳 过热 积 热 孔隙 ， 达
3.1.2 CVD反应过 程
①反应气体通过层流向沉积衬底 的边界层扩散； ②沉积衬底表面吸附反应气体， 反应气体产生反应并形成固态产 物和气体产物； ③ 所产生的气体产物解吸附，并 沿一边界层区域扩散； ④ 产生的气体产物排出。
4.2 热物理性能
• C/C复 热 胀系数 属 1／10 1／5，并 剧变 温 条件 对 稳 ， 别适 温 变 空环境 • C/C复 导热系数 较高 • 热 较 ， 热 胀系数 数较 ， 级 动 车 。
高
c/c复合材料置于高温和快速加热的环境中，由于蒸发升 华和可能的热化学氧化、其部分表面可被烧蚀，但其表 面的凹陷浅，良好地保留其外形，且烧蚀均匀而对称， 碳的升华温度是3700℃，
纤维免受损伤，强度得到提高
1.2 基体树脂的选择
• 1.2.1
树
:
残碳率高、有粘性、流变性好、与碳纤维具有良好物 理相容性等特点
1.2.2 常用树脂基体
呋喃树脂、酚醛树脂、糠酮树脂等热固性树脂 石油沥青、煤焦油沥青：石油沥青等的石墨化程度高， 与碳纤维一样具有良好的物理相容性。
go
物理相容性
主要是指热膨胀系数和固化或碳化过程中的收缩行为 主要
C/C复合材料的强度下降
未经表面处理的碳纤维，两相界面粘接薄弱，基体的收缩使 两相界面脱粘，纤维不会损伤；当基体中裂纹传播到两相界 面时，薄弱界面层可缓冲裂纹传播速度或改变裂纹传播方向， 或界面剥离,使碳纤维免受损伤,复合材料的强度高
石墨化
基体树脂碳经石墨化
裂纹支化
具有一定塑性的石墨化碳
缓和或消除了集中的应力
3.1.3 工艺特点
沉积碳直接沉积在碳纤维的孔壁的表面及丝束之间 的孔隙里，有利于提高产品性能 沉积碳易石墨化，与碳纤维的物理相容性好， 所得C／C复合材料结构致密，强度高。
扩散与沉积速度对孔隙封闭影响示意图
(a)沉积速度＞扩散速度 (b)扩散速度 ＞沉积速度
3.2 预成纱工艺：工艺简化，基体与纤维结合好
不同树料的有效烧蚀热的比较
C/C
苯
烯
龙、酚醛
高硅氧/酚醛
烧蚀热（kc 11000al/kg） 14000
1730
2490
4180
4.3 化学稳定性
•
温
学稳
，
热氧
4.4 抗氧化防护
涂层法
添加抗氧化剂
涂层法是在制备好的C/C材料上进行SiC、SiN或 其它耐火材料的涂层，包括扩散法和化学气相 沉积法等。
主要工序
坯体预成形
浸渍
碳化
致密化
石墨化
抗氧化涂层
工艺过程
1 碳纤维和基体的选择
• 1.1 碳纤维 选择 1.1.1 碳纤维 备
三种,?
1.1.2 碳纤维的碱金属含量:
越少越好
?
碱金属是碳的氧化催化剂
1.1.3 表面处理
碳纤维表面处理对C／C复合材料的性能有着显著的影响，
碳化时
经过表面处理的石墨纤维M40与基体呋喃树脂的界面粘结强 度，在碳化过程中由于两相断裂应变不同而在收缩过程中纤 维受到剪切应力或被剪切断裂；同时基体收缩产生的裂纹在 通过粘结界面时，纤维产生应力集中，严重时导致纤维断裂。
3.3 自烧结性焦烧结法
•
残碳 高 为 ， 结剂，工艺 处
烧结
4 性能
• 4.1
学
密度小，抗拉强度为300一3000MPa、 抗拉模量为30一350GPa，比强度是钢的 3倍左右，在2000℃以下强度不随温度的 升高而下降，反而略有上升，模量则随 温度的上升一致增加，这是任何材料所 无法比拟的。 耐疲劳性好
站长素材 站长素材
•第三节 碳基复合材料
C/C(碳／碳)复合材料是碳纤维增强碳基体 特点: 相对密度轻(理论密度为2.28／cm3) 高温下强度、模量高，断裂韧性良好 耐磨性能优异，耐烧蚀好
随温度升高强度不仅不降低反而升高
因此在航空、航天、核能及许多民用工业领域受到 极大关注，近年来得以迅速发展和广泛应用。