高性能炭炭复合材料制备及性能表征PPT课件
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自由基链的甲基化为 CH3+C2H2→CH3CHCH CH3CHCH→CH3CCH+H
CH4+H→CH3+H2
总反应为 C2H2+CH4→CH3CCH+H
2
5. C3H6的次级反应
CH3+C3H6→CH4+C3H5
C3H5→CH2CCH2+H
CH4+H→CH3+H2
总反应为 C3H6→CH2CCH2+H2
LOGO
/炭复合材料
二OO九年七月
1
提纲
1 炭/炭复合材料及其应用 2 炭/炭复合材料的制备 3 炭/炭复合材料的结构与性能 4 炭/炭复合材料快速CVI致密化技术 5 炭/炭复合材料的研究前沿
2
1 C/C复合材料及其应用
C/C复合材料是一种炭纤维增强炭基体的 先进复合材料。。
性能特点
低密度(约1.8 g/cm3) 高比强/比模 耐高温(3000℃) 摩擦磨损性能优异
热解炭的化学气相沉积——是指含碳气体(主要是烃类 气体)发生复杂的热解化学反应并在基体表面生成固体 炭的过程。
Leabharlann Baidu
17
1atm和不同温度下烃分子、氢气、石墨、 C60和无定形碳的吉布斯自由能比较
18
从甲烷生成C2的主要化学反应路线(1100℃，10kPa)
19
甲烷热解的部分基元化学反应
1. 生成C2H6和H2的初级反应 CH4→CH3+H
非均匀 形核
热解炭
22
延长气相滞留时间τ
表面扩散
表面化学反应
均气相化学反应
基体表面
气-固相边 界层
沉积速率 曲线
热解炭
热解炭的化学气相沉积是复杂的均气相化学反应 和气-固表面化学反应相互竞争作用的结果。 23
整个CVI过程可分步骤表述如下 ：
反应气体进入反应室； 反应气体扩散进入预制纤维多孔体； 反应气体分子吸附在纤维表面； 吸附分子热解成炭； 气相副产物分子脱附并扩散排出多孔体； 气相副产物排出反应室。
CH4+H→CH3+H2 2CH3→C2H6
总反应为 2CH4→C2H6+H2 2. C2H6的次级反应
CH3+C2H6→CH4+C2H5 C2H5→C2H4+H CH4+H→CH3+H2
可逆（单分子）反应为 C2H6→2CH3
总反应为 C2H6→C2H4+H2
3. C2H4的次级反应 CH3+C2H4→CH4+C2H3
碳化 900~1500℃
化学气相沉积 （CVD或CVI）
C/C复合材料
石墨化处理 （2100~2800℃）
C/C复合材料
沥青浸渍 反 复 多 次
碳化1000℃
13
C/C复合材料制备的关键技术 坯体的制备
致密化
石墨化 抗氧化涂层
14
坯体的制备
0.3±0.1
0.7±0.1
＋
炭纤维针刺整体毡(0o/90o，0.55±0.05g/cm3)
炭纤维 基体炭 孔隙
10m 3
炭是难熔材料,石墨的熔点高达4177℃。
4
优异的高温力学性能
5
C/C材料应用－现代交通
C/C复合材料质轻、摩擦磨损性能优异，是飞机、高速列 车、磁悬浮列车、赛车等现代交通工具最新一代制动材料。
与金属基相比，C/C 使波音757
减重550Kg 刹车副寿命提高5〜6倍
成对固体表面和气体分子双方都具有选择性。
气体分子在固体表面的化学吸附随温度的升高而增强，并且当发生脱
附时，往往有新物质生成。
24
CVI工艺的局限性
1. 在1100℃和10kPa压强条件下，甲烷和氢气分子的平均自由程分别 为2.53μm和5.83μm。根据气体分子运动的平均自由程与孔直径的差别 大小，由浓度梯度引起的气体分子在多孔体内的扩散，可分为分子扩 散（Fick diffusion）和努森扩散（Knudsen diffusion）两种。分子 扩散通过气体分子之间的碰撞进行，努森扩散通过气体分子与孔壁的 碰撞进行。
C2H3→C2H2+H CH4+H→CH3+H2 总反应为 C2H4→C2H2+H2 自由基链的甲基化 CH3＋C2H4→n-C3H7
n-C3H7→C3H6+H
CH4+H→CH3+H2 总反应为
C2H4+CH4→C3H6+H2
20
4. C2H2的次级反应 CH3+C2H2→CH4+C2H
C2H→C2+H
结构重量减轻80% 射程显著增加
导弹发动机喷管
发动机燃烧室
没有高性能C/C复合材料，就没有现代化的国防
10
战略、战术导弹炭/炭复合材料推进系统
重量减轻80% 射程显著增加
过渡环
喉衬
扩散段
11
其它应用领域
高温热防护 半导体工业 热压模具
12
2 C/C复合材料的制备
碳纤维预制体
热固性树脂 浸渍、固化
飞机用制动盘
高速列车
磁悬浮列车
赛车
6
C/C材料应用－大型制造业
C/C复合材料耐热、耐腐蚀，广泛应用于现代大型工业加 热、化工等领域。
工业热处理炉
热结构
支架
大型化工 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
7
C/C材料应用－国家大型核能工程
C/C复合材料具有抗强辐射、耐等离子体冲刷、高导 热等优异综合性能，是“国家大科学工程－聚变实验装 置” 先进第一壁材料。
细编穿刺毡
15
致密化
热解炭的化学气相沉积或渗透
CVI工艺是把炭纤维预制体置于专用的CVI炉中，加热至要求的温度， 通入碳源气（CH4、C2H4、C3H6、C3H8）这些气体热解并在炭纤维上 沉积炭，以填充多孔预制体中的孔隙。 它是高性能炭/炭材料实现增密的 首选工艺。
16
热壁式CVI
冷壁式CVI
➢ 炭材料表面的活
性位是指某种气体组 分能够在上面发生化
学吸附的碳原子。
➢ 活性碳原子都有
未饱和的SP单电子 或者空的成键轨道。
气体分子在固体表面的吸附：
气体分子可以在固体表面上发生物理吸附和化学吸附。
物理吸附是高度可逆的过程，气体分子在固体表面的物理吸附随温度
的升高迅速减弱。
化学吸附是气体分子和固体表面的原子发生的成键作用，化学键的形
C/C
热核反应实验堆 8
C/C材料应用－航天工程
C/C复合材料具有十分优异的耐高温、抗烧蚀性能，是火 箭发动机喷管、翼缘、鼻锥等关键部件的首选材料。
C/C 可使运载火箭发动机
承受温度提升至3000℃以上 结构重量减轻30〜50%
运载火箭发动机喷管
9
C/C材料应用－现代国防建设
相比于钨渗铜
高超声速飞行器部件
自由基链的甲基化为
CH3+C3H6→CH3CH2CHCH3
CH3CH2CHCH3→CH3CH2CH=CH2 +H
CH4+H→CH3+H2
总反应为 C3H6+CH4→CH3
CH2CH=CH2+H2
21
均气相反应
气相热解 芳香烃和多 气相形核
烃类气体
环芳香烃
固体炭颗粒
气-固两相反应
表面吸附 烃类气体
表面化学 反应与表 面脱附
CH4+H→CH3+H2
总反应为 C2H2+CH4→CH3CCH+H
2
5. C3H6的次级反应
CH3+C3H6→CH4+C3H5
C3H5→CH2CCH2+H
CH4+H→CH3+H2
总反应为 C3H6→CH2CCH2+H2
LOGO
/炭复合材料
二OO九年七月
1
提纲
1 炭/炭复合材料及其应用 2 炭/炭复合材料的制备 3 炭/炭复合材料的结构与性能 4 炭/炭复合材料快速CVI致密化技术 5 炭/炭复合材料的研究前沿
2
1 C/C复合材料及其应用
C/C复合材料是一种炭纤维增强炭基体的 先进复合材料。。
性能特点
低密度(约1.8 g/cm3) 高比强/比模 耐高温(3000℃) 摩擦磨损性能优异
热解炭的化学气相沉积——是指含碳气体(主要是烃类 气体)发生复杂的热解化学反应并在基体表面生成固体 炭的过程。
Leabharlann Baidu
17
1atm和不同温度下烃分子、氢气、石墨、 C60和无定形碳的吉布斯自由能比较
18
从甲烷生成C2的主要化学反应路线(1100℃，10kPa)
19
甲烷热解的部分基元化学反应
1. 生成C2H6和H2的初级反应 CH4→CH3+H
非均匀 形核
热解炭
22
延长气相滞留时间τ
表面扩散
表面化学反应
均气相化学反应
基体表面
气-固相边 界层
沉积速率 曲线
热解炭
热解炭的化学气相沉积是复杂的均气相化学反应 和气-固表面化学反应相互竞争作用的结果。 23
整个CVI过程可分步骤表述如下 ：
反应气体进入反应室； 反应气体扩散进入预制纤维多孔体； 反应气体分子吸附在纤维表面； 吸附分子热解成炭； 气相副产物分子脱附并扩散排出多孔体； 气相副产物排出反应室。
CH4+H→CH3+H2 2CH3→C2H6
总反应为 2CH4→C2H6+H2 2. C2H6的次级反应
CH3+C2H6→CH4+C2H5 C2H5→C2H4+H CH4+H→CH3+H2
可逆（单分子）反应为 C2H6→2CH3
总反应为 C2H6→C2H4+H2
3. C2H4的次级反应 CH3+C2H4→CH4+C2H3
碳化 900~1500℃
化学气相沉积 （CVD或CVI）
C/C复合材料
石墨化处理 （2100~2800℃）
C/C复合材料
沥青浸渍 反 复 多 次
碳化1000℃
13
C/C复合材料制备的关键技术 坯体的制备
致密化
石墨化 抗氧化涂层
14
坯体的制备
0.3±0.1
0.7±0.1
＋
炭纤维针刺整体毡(0o/90o，0.55±0.05g/cm3)
炭纤维 基体炭 孔隙
10m 3
炭是难熔材料,石墨的熔点高达4177℃。
4
优异的高温力学性能
5
C/C材料应用－现代交通
C/C复合材料质轻、摩擦磨损性能优异，是飞机、高速列 车、磁悬浮列车、赛车等现代交通工具最新一代制动材料。
与金属基相比，C/C 使波音757
减重550Kg 刹车副寿命提高5〜6倍
成对固体表面和气体分子双方都具有选择性。
气体分子在固体表面的化学吸附随温度的升高而增强，并且当发生脱
附时，往往有新物质生成。
24
CVI工艺的局限性
1. 在1100℃和10kPa压强条件下，甲烷和氢气分子的平均自由程分别 为2.53μm和5.83μm。根据气体分子运动的平均自由程与孔直径的差别 大小，由浓度梯度引起的气体分子在多孔体内的扩散，可分为分子扩 散（Fick diffusion）和努森扩散（Knudsen diffusion）两种。分子 扩散通过气体分子之间的碰撞进行，努森扩散通过气体分子与孔壁的 碰撞进行。
C2H3→C2H2+H CH4+H→CH3+H2 总反应为 C2H4→C2H2+H2 自由基链的甲基化 CH3＋C2H4→n-C3H7
n-C3H7→C3H6+H
CH4+H→CH3+H2 总反应为
C2H4+CH4→C3H6+H2
20
4. C2H2的次级反应 CH3+C2H2→CH4+C2H
C2H→C2+H
结构重量减轻80% 射程显著增加
导弹发动机喷管
发动机燃烧室
没有高性能C/C复合材料，就没有现代化的国防
10
战略、战术导弹炭/炭复合材料推进系统
重量减轻80% 射程显著增加
过渡环
喉衬
扩散段
11
其它应用领域
高温热防护 半导体工业 热压模具
12
2 C/C复合材料的制备
碳纤维预制体
热固性树脂 浸渍、固化
飞机用制动盘
高速列车
磁悬浮列车
赛车
6
C/C材料应用－大型制造业
C/C复合材料耐热、耐腐蚀，广泛应用于现代大型工业加 热、化工等领域。
工业热处理炉
热结构
支架
大型化工 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
7
C/C材料应用－国家大型核能工程
C/C复合材料具有抗强辐射、耐等离子体冲刷、高导 热等优异综合性能，是“国家大科学工程－聚变实验装 置” 先进第一壁材料。
细编穿刺毡
15
致密化
热解炭的化学气相沉积或渗透
CVI工艺是把炭纤维预制体置于专用的CVI炉中，加热至要求的温度， 通入碳源气（CH4、C2H4、C3H6、C3H8）这些气体热解并在炭纤维上 沉积炭，以填充多孔预制体中的孔隙。 它是高性能炭/炭材料实现增密的 首选工艺。
16
热壁式CVI
冷壁式CVI
➢ 炭材料表面的活
性位是指某种气体组 分能够在上面发生化
学吸附的碳原子。
➢ 活性碳原子都有
未饱和的SP单电子 或者空的成键轨道。
气体分子在固体表面的吸附：
气体分子可以在固体表面上发生物理吸附和化学吸附。
物理吸附是高度可逆的过程，气体分子在固体表面的物理吸附随温度
的升高迅速减弱。
化学吸附是气体分子和固体表面的原子发生的成键作用，化学键的形
C/C
热核反应实验堆 8
C/C材料应用－航天工程
C/C复合材料具有十分优异的耐高温、抗烧蚀性能，是火 箭发动机喷管、翼缘、鼻锥等关键部件的首选材料。
C/C 可使运载火箭发动机
承受温度提升至3000℃以上 结构重量减轻30〜50%
运载火箭发动机喷管
9
C/C材料应用－现代国防建设
相比于钨渗铜
高超声速飞行器部件
自由基链的甲基化为
CH3+C3H6→CH3CH2CHCH3
CH3CH2CHCH3→CH3CH2CH=CH2 +H
CH4+H→CH3+H2
总反应为 C3H6+CH4→CH3
CH2CH=CH2+H2
21
均气相反应
气相热解 芳香烃和多 气相形核
烃类气体
环芳香烃
固体炭颗粒
气-固两相反应
表面吸附 烃类气体
表面化学 反应与表 面脱附