第四章第三节 碳基复合材料

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
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。
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
Leabharlann Baidu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
坯体的预成形
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。
站长素材 SC.CHINAZ.COM站长素材 SC.CHINAZ.COM
•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。
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
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。
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