碳基复合材料

Carbon-Carbon
一、概述
（一）碳/碳复合材料简介 （二）碳/碳复合材料的发展 （三）碳/碳复合材料的制法 （四）碳/碳复合材料的应用
二、增强材料 三、基体碳材料 四、碳/碳复合材料的复合工艺 五、碳/碳复合材料的性能
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（一）碳/碳复合材料简介
• 碳/碳复合材料是六十年代发展起来约一种新型耐高温材 料，它是由增强碳和基体碳所组成的多相材料。 • 增强碳可以是不同类型的碳(或石墨)纤维及其织物。在碳 /碳复合材料中起着骨架和增强剂的作用。 • 基体碳起粘接作用，也可以是碳或石墨。 • 碳/碳复合材料目前在国外已经被公认是高级再入飞行器 鼻锥和固体火箭发动机喷营等关键部位最理想的耐烧蚀、 防热材料。碳/碳复合材料的工程应用也日趋成熟。己用 于美国民兵Ⅲ洲际导弹弹头，全碳/碳化的火箭发动机喷 管也成功地通过了试验。
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（1）三向正交织物
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• 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。
（二）碳/碳复合材料的发展
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碳/碳复合材料大约于1 9 5 8年问世。开始是钱 斯〃渥特飞机公司宇航分公司的实验人员在研究酚 醛树脂基复合材料时．由于事故而偶然发观的。经 鉴定认为性能优越。 大约在同一时期，美国联合碳化物公司(UCC)就用 石墨布增强树脂，经固化、碳化和石墨化后，制成 了第一个块状碳/碳复合材料，并作为商品出售。
（四）碳/碳复合材料的应用
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航天技术方面 在航天飞机机翼和尾翼的前缘由于使用了碳/碳材料．大大地减轻了航天 飞机的重量。 全碳/碳化固体火箭发动机喷管是今后的发展方向。碳/碳材料还可以制作 液体火箭发动机的喷喉。 在卫星和飞船上还大量地用碳/碳材料制作热防护罩，如：阿波罗载人指 令舱上光学仪器的防热罩，阿波罗飞船上核动力发生器的外壳。 航空工业方面 英、美、法等国家制造的碳/碳刹车盘，为飞机提供了磨擦制动，能控 制飞机在地面运动的方向和速度。碳/碳刹车盘不仅用于高性能的军用飞 机，并已投入民用航线使用，如：协和号飞机。这种刹车盘比钢刹车盘 强度高，刚性好，可以节省约50%的重量，操作安静，着陆次数可提高 5-6倍。 在医疗上的应用 已经用碳/碳复合材料制成了人工心瓣膜。
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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。
（三）碳/碳复合材料的制法
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• 碳/碳复合材料的制造方法与树脂基复合材料截然不同。 这里起粘接剂作用的基体碳既不溶于任何溶剂也不能加热 使它熔融，在常压下碳只是在3500℃直接升华。 • 主要是利用有机物或有机高聚物在高温下能够热解成碳这 一固有特性，通过间接方法制备基体碳。 • 碳/碳材料的复合是与基体碳的形成是同时进行的。 • 基本的方法有两种： 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）、 浸渍－碳化法。
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（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。
（二）碳/碳复合材料的发展
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以美国的情况为代表碳/碳复合材料的发展大体上可以分为三个阶段： 1、第一阶段：自1958年到六十年代中期为初始发展阶段。 主要是对碳/碳复合材料用的碳纤维、碳/碳基本复合工艺进行的研究工作。 找到了提高碳纤维弹性模量和强度的技术关键。 1965年又开始把化学气相沉积方法引入碳/碳的复合工艺中， 2、第二阶段：六十年代中期至七十年代初期是碳/碳复合材料的开始应用阶段。 在此期间对增强碳，基体碳和复合工艺都继续做了大量工作。 开始把碳/碳复合材料作为防热和热结构材料应用于火箭发动机喷管、卫星、 飞船等尖端技术领域。 3、第三阶段：自七十年代初期至今是碳/碳复合材料的发展提高阶段。 材料的性能得到进一步的提高； 较成功地解决了材料的各向异性问题； 研制成三向正交细编碳/碳复合材料； 而且对碳/碳复合材料的应用性能(抗应力波、抗热震性等)和微观结构进行了研 究； 碳/碳复合材料作为战略核武器头部防热材料的研究更加广泛和深入。MK-12A 碳/碳鼻锥成功地用作美国第三代洲际弹道导弹弹头防热材料。
碳/碳复合材料
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顾名思义它的基体是碳材料，增强体也 是碳材料。最显著的特性是耐高温、低比 重等。 碳、石墨的优点：耐高温、抗热震、导 热性能好、弹性模量高、化学惰性、强度 随温度升高而增加。是一种优异的、适用 于惰性气氛和烧蚀环境的高温材料。 碳、石墨的缺点：韧性差、对裂纹敏感、 性能易变。 碳/碳复合材料：保持了碳（石墨）的 优点，克服了碳（石墨）的缺点。大大提 高了韧性和强度，降低了热膨胀系数。