碳_碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展
碳/碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展
摘要：阐述了国内外近几年来碳/碳复合材料抗氧化涂层的研究新进展,并并从碳/碳复合材料的抗氧化涂层的基本条件以及抗氧化涂层类型等方面重点介绍了抗氧化涂层技术。最后指出了目前关于抗氧化涂层技术研究中存在的问题。
关键词：C/C复合材料; 抗氧化涂层; 研究进展
Advances in Research on High Temperature Anti-oxidation Coatings of
C/C Composites
ABSTRACT:Research progress of high temperature anti-oxidation coatings of C/C composites at home and abroad has been reported. The types of anti-oxidation coatings of C/C composites are emphasized. The problems existing in the oxidation resistance coating research are pointed out .
KEY WORDS:C/C composite; anti-oxidation coating ; research progress.
1 引言
碳/碳复合材料是炭纤维增强炭基体的新型复合材料,具有低密度(理论密度为2. 2 g/ cm33,实际密度通常为1. 75～2. 10 g/ cm3 ) 、低热膨胀系数(仅为金属的1/ 5～1/ 10) 、高强度、高模量、耐高温、抗热震、抗热应力、抗裂纹传播、耐烧蚀、摩擦系数小等特点,尤其是它在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[1,2]。然而,碳在370 ℃的有氧气氛中开始氧化,高于500 ℃时迅速氧化,导致碳/ 碳复合材料毁灭性破坏。这一致命弱点限制了碳/ 碳复合材料的直接应用。因此,对用作高温热结构材料的碳/ 碳复合材料必须进行合适的抗氧化保护。目前碳/ 碳复合材料的抗氧化设计思路有两种[3] : (1) 基体改性技术。(2)抗氧化涂层技术。由于基体改性技术防氧化效果十分有限,一般只能在1 000 ℃以下,而且保护时间不长,再者会因为基体中引入盐类或陶瓷、金属类颗粒使碳/碳复合材料力学性能和热学性能下降。因此,高温抗氧化涂层技术的研究成为热点。本文仅就近年来国内外学者在碳/碳(C/C )复合材料高温抗氧化涂层技术领域的研究进展情况进行评述。
2 抗氧化涂层的基本条件
C/C复合材料的抗氧化关键在于把易在高温下氧化的碳材料与氧化环境隔离开来。因此,设计可靠有效、耐长时间高温的抗氧化涂层必须具有以下基本条件[4-6]。
(1)保证涂层均匀、致密、无缺陷,且具有高的熔点和自愈合能力。
(2)基体与涂层要有适当的粘附性,既不脱粘又不过分渗透基体。最好是化学结合,不形成明显的界
面。
(3)涂层系统必须能够有效阻止氧向内侵入,即具有低的氧扩散率,并完好的包覆在C/C复合材料周
围,阻止各种氧化性物质向基体内部扩散,引起次表面基体氧化。
(4)涂层系统与C/C复合材料基材之间以及涂层系统自身要有稳定的化学相容性和较高的粘结强度,
避免组分间有害的相变。
(5)涂层系统能够阻挡碳向外扩散,对于含有氧化物成分的涂层系统尤为重要,因为氧化物在高温下
易被碳还原。
(6)涂层系统内以及涂层系统与C/C复合材料基材间应最大限度实现热匹配,以避免涂层制备过程中
产生裂纹以及因热循环引起涂层的剥落。
(7)涂层系统应具有低挥发性,即要求涂层材料的蒸气压要低,避免高温下自行退化和降低高速燃气
气流侵蚀速率。
(8)对不同环境下使用的C/C复合材料而言,涂层系统要尽可能承受一定的压力和冲击力,并且具有
良好的耐腐蚀性能,包括耐酸碱盐和耐潮湿性等。
以上诸因素中第(3)点和第(6)点尤为关键。
3 抗氧化涂层类型
满足以上要求的涂层并不多,目前研制的涂层主要有氧化铝、镁铝尖晶石、二硅化钼、二硅化钨、莫来石及它们的复合体系。根据温度来分,有低温(低于1 000℃)涂层和高温(1 000～1 800 ℃)涂层之分。前者主要是B2O3系涂层,后者则主要是SiC和MoSi2系。根据涂层结构形式来分,有单一涂层和多层梯度涂层,单一涂层主要用于温度较低,抗氧化时间较短的情况。多层梯度涂层则多用于高温长时间抗氧化。
3.1 氧化铝涂层
Al2 O3具有熔点高、硬度高和化学稳定性好、低热导率和电导率、价格低廉等优势,广泛应用于耐腐蚀、耐磨损领域的陶瓷涂层中[7 ]。马壮等[ 8 ]采用热化学反应法在Q235钢上制备氧化铝基陶瓷涂层,该涂层在600℃固化产生了新陶瓷相; 涂层较致密,与基体结合良好; 大大提高了基体的耐蚀性和耐磨性问题。然而, Al2 O3氧化物不宜直接涂覆在C/ C复合材料基体上作为抗氧化涂层,这是因为:一方面由于与基体CTE(热膨胀系数) 不匹配,在热循环时会引起涂层产生裂纹甚至剥落;另一方面考虑化学相容性问题,高温下碳易与氧化物发生还原反应,而使涂层失效。此时, 可采用硅基陶瓷材料( SiC、Si3N4等) 和铝基陶瓷材料(如AlN等)作中间过渡层来克服以上缺点。
3.2 镁铝尖晶石涂层
镁铝尖晶石( MgAl2O4 )熔点高(2 105℃),在很大温度范围内具有较宽的单相区,作为高温抗氧
化涂层具有较大的潜力。潘牧等[ 9 ]用等离子喷涂法在SiC基体上制备了结晶良好、晶粒细小、阳离子分布较有序的稳定的尖晶石涂层。但是,镁铝尖晶石中的杂质和游离态的Al2O3、MgO相变会造成
涂层的严重破坏。而且使用过程中表面玻璃封填层中的SiO2以及SiC氧化生成的SiO2都会与MgAl2O4生成新矿物,矿物间转变时的体积效应对涂层产生了巨大的破坏作用。因此, MgAl2O4作为高性能抗氧化涂层还需要进行大量的研究工作。
3.3 MoSi2、WSi2涂层
MoSi2、WSi2涂层二硅化钼(MoSi2,熔点2 030 ℃) 、二硅化钨(WSi2,熔点2 180 ℃) 作为硅基金属间化合物, 因熔点高, 使用过程中表面可生成SiO2膜对涂层起到封填和阻止氧扩散的作用, 使该体系成为目前C/C、SiC基复合材料特别是电热元件生产中常用的涂层材料。且MoSi2具有1 800 ℃氧化气氛下的高温稳定性, 并且在高温下表现出一定的塑性变形能力[9],正是其他陶瓷涂层材料所不具备和欠缺的性能。用包埋法或渗透法制备的MoSi2/ SiC、WSi2 /Si 、MoSi2 / WSi2、WSi2 / SiC抗氧化涂层,通过Mo、W的扩散形成梯度分布,可以将C/C复合材料的抗氧化温度大幅度提高。但硅基金属间化合物热膨胀系数比SiC的大得多,烧结温度极高,限制了该体系涂层的应用。此外,MoSi2、WSi2低温(小于600 ℃) 时生成MoO3、WO3等挥发性物质[10 ],使涂层出现灾难性破坏,涂层抗氧化性能急剧劣化。
西北工业大学的曾燮榕等人[3]采用包埋法研制了Si2MoSi2涂层,结果表明,当涂层中MoS2含量为20 %时,涂层具有优良的抗氧化和抗热震性能。经过242 h的氧化,试样的失重率为0. 57 %,质量损失微小,失重主要表现为涂层自身的蒸发损耗,C/C基体没有受到氧化。
3.4 莫来石涂层
莫来石(mullite)作为高熔点氧化物,对环境的耐久性和化学相容性很好,且与碳化硅有相似的热膨胀系数,因此近年来成为研究的热点。有文献报道一种在SiC涂层上涂覆1μm左右厚度的莫来石涂层,以提高C/C复合材料使用温度和延长使用寿命。该双体系涂层能使C/C复合材料1 600 ℃时的质量损失仅为SiC单一涂层的四分之一。研究表明[12]:SiC基体表面上的莫来石涂层和无基体的莫来石薄层一样,在1 000 ℃热循环时产生裂纹。根据测定的等离子喷涂mullite 涂层的热膨胀系数,涂层在第一次热循环时(25～1 000 ℃),从600 ℃开始发生体积收缩,这可能是从玻璃态析出莫来石而导致的体积收缩。莫来石结晶化后的涂层热膨胀系数与SiC非常接近,因此可以认为等离子喷涂时玻璃态莫来石涂层的结晶化是涂层产生裂纹的关键。
3.5 晶须复合涂层
由于C/C复合材料需要在燃气冲刷剪切力作用下服役,因此,涂层与基体之间结合力以及涂层本身内聚力的提高是一个比较现实的问题。晶须作为增强、增韧相能有效提高这种结合力和增强涂层的韧性。付前刚、李贺军[13-14]等提出采用SiC晶须增韧陶瓷的复合涂层模式。其制备的SiC f-SiC/ MoSi2-SiC-Si复合涂层能在1 500℃下有效保护碳/碳复合材料200 h, SiC晶须具有优异的力学和化学稳定性能。SiC内涂层得到SiC晶须增韧后,强度和韧性都得到一定程度的提高[15-16],能够克服穿透性裂纹的产生,提高涂层高温抗氧化和抗冲刷能力。武七德等[ 8]通过在抗氧化涂层中原位合成晶须的
方法制备了抗氧化、抗热冲击性能优良的莫来石/莫来石复合涂层。与掺入晶须制备晶须复合涂层相比,该方法能够在涂层内部原位合成晶须,涂层制备工艺简单,原料低廉,涂层性能更加优良。
3.6 SiC/ SiO2涂层
SiC与C/C复合材料有较好的物理化学相容性,是很好的阻挡层,玻璃质的SiO2在一定温度下高温玻璃封填层。过渡层的制备工艺是液态渗硅法,阻挡层的制备工艺是CVD法,封填层的制备工艺是液相反应生成法。过渡层的作用是改善界面匹配程度,阻挡层的作用是阻止氧扩散和碳逸出,封填层的作用是降低裂纹生成温度和隔离原子氧。按照这种涂层结构制备的C/C长寿命抗氧化涂层能在1 600℃下工作168 h以上。
3.7 梯度复合涂层
由于碳/碳复合材料基体与涂层之间不可避免的热膨胀差异, 故在涂层中易产生裂纹。裂纹可以通过功能梯度材料原理制作热膨胀系数梯度变化的涂层消除裂纹[11]。黄剑锋等采用Sol-gel方法在SiC 内涂层表面制备了ZrO2-SiO2组分梯度变化的涂层, 该涂层很好地缓解了涂层间热膨胀不匹配的问题。在此涂层体系中, 多孔的SiC 内涂层孔隙被硅-锆混合溶胶填充, 涂层中越靠近涂层表面ZrO2含量越高, 而SiO2含量越低, ZrO2-SiO2浓度的梯度变化大大缓解了内应力,有效阻止穿透性裂纹的产生, ZrO2作为热障涂层, 可以降低涂层内部和基体所承受的温度,且中间层中ZrO2和SiO2反应生ZrSiO4也有效的提高涂层的抗氧化性能。
4 存在的问题
C/C复合材料抗氧化问题是国际上材料界主攻的方向之一,也是热点之一。应该说经过近三十年的研究,已有很大进展。目前存在的主要问题有:
(1)提出的一些新涂层大多属于对小试样而做的试验的研究结果,若真正作为零件涂层,尚需研究其
稳定性、均匀性和实用性问题。
(2)大多数涂层体系只能在特定的温度范围内保护C/C复合材料,而实际上,C/ C复合材料零部件的
不同部位需要具有承受不同温度侵蚀的能力,因此全温度段的防护是一个基本的要求。而目前所制备的全温度段的防护涂层尚达不到长时间工作的能力。
(3)能在高温高速冲刷动态条件下长时间稳定工作的涂层还不多见,这要求涂层既要具有很高的致
密性,还要有很高的耐冲刷剪切强度。
(4)涂层的制备周期过长,制备工艺复杂,成本较高。
(5)能在1 800℃下长时间工作的涂层和能承受高于1 800℃高温的涂层尚未见太多研究。
因此：对C/C复合材料防氧化问题还需进一步深入进行研究,以期满足C/C复合材料更加广阔的应用前景。
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耐热钢性能和耐腐蚀指标
耐热钢性能和耐腐蚀指标 在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。它包括抗氧化钢(或称高温不起皮钢)和热强钢两类。抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力、机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。此外，还发展出一些新的低铬镍抗氧化钢种。 耐热钢基本信息 简介： 耐热钢（heat-resisting steels) 在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作耐热钢。 类别： 耐热钢按其性能可分为抗氧化钢和热强钢两类。抗氧化钢又简称不起皮钢。热强钢是指在高温下具有良好的抗氧化性能并具有较高的高温强度的钢。 耐热钢按其正火组织可分为奥氏体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢及珠光体耐热钢等。
用途 耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。 中国自1952年开始生产耐热钢。以后研制出一些新型的低合金热强钢，从而使珠光体热强钢的工作温度提高到600～620℃；此外，还发展出一些新的低铬镍抗氧化钢种。耐热钢和不锈耐酸 在使用范围上互有交叉，一些不锈钢兼具耐热钢特性，既可用作为不锈耐酸钢，也可作为耐热钢使用。合金元素的作用铬、铝、硅这些铁素体形成的元素，在高温下能促使金属表面生成致密的 氧化膜，防止继续氧化，是提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐的主要元素。但铝和硅含量过高会使室温塑性和热塑性严重恶化。铬能显著提高低合金钢的再结晶温度，含量为2％时，强化效果最好。 镍、锰可以形成和稳定奥氏体。镍能提高奥氏体钢的高温强度和改善抗渗碳性。锰虽然可以代镍形成奥氏体，但损害了耐热钢的抗氧化性。钒、钛、铌是强碳化物形成元素，能形成细小弥散的碳化物，提高钢的高温强度。钛、铌与碳结合还可防止奥氏体钢在高温下或焊后产生晶间腐蚀。碳、氮可扩大和稳定奥氏体，从而提高耐热钢的高温强度。钢中含铬、锰较多时，可显著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替价格较贵的镍。硼、稀均为耐热钢中的微量元素。硼溶入固溶体中使晶体点阵发生畸变，晶界上的硼又能阻止元素扩散和晶
Mo合金高温抗氧化涂层的研究
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。＋＋ ＋＋ 表面改性技术 Mo 合金高温抗氧化涂层的研究 夏 斌，张 虹，白书欣，陈 柯，张家春，钟文丽 （国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙 410073） 摘要：用粉末固体渗法在钼合金表面制备了Mosi 2渗层，研究了铝硅共渗和硼硅共渗对渗层的结构和抗氧化性能的影响。结果表明，与渗硅相比，铝硅共渗层厚度保持不变，渗层由单层结构变成多层复合结构，抗氧化性下降；硼硅共渗层厚度减少，结构没有明显改变，抗氧化性能得到了明显改善。关键词：钼合金；高温；抗氧化涂层；铝硅共渗；硼硅共渗 中图分类号：TG156.8；TG174.4 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2007）04-0054-04 High Temperature Oxidation-resistance Coatings on Mo Alloy XIA Bin ，ZHANG Hong ，BAI shu-xin ，CHEN Ke ，ZHANG Jia-chun ，ZH0NG Wen-li （College of Aerospace and Materials Engineering ，National University of Defense Technology ，Changsha Hu'nan 410073，China ） Abstract ：Mosi 2coatings on Mo alloy were prepared by pack cementation.The influences of aluminosiliconizing and bo-ronsiliconizing on the microstructure and oxidation resistance of the coatings were researched.The results show that com-pared with the siliconizing monolayer ，the aluminosiliconizing coating with eguivalent thickness is multilayered and has worse oxidation resistance while the boronsiliconizing coating is thinner and has better oxidation resistance without signifi-cant structure change. Key words ：molybdenum alloy ；high temperature ；oxidation-resistance coating ；aluminosiliconizing ；boronsiliconizing 作者简介：夏 斌（1981.11—），男，四川遂宁人，硕士生，主要 从事材料高温抗氧化涂层的研究。联系电话：0731-******* E-mail ： handsome_ps@https://www.360docs.net/doc/3d17847265.html, 收稿日期：2006-11-09 随着科学技术的发展，难熔材料在国防军工、航空 航天、能源、和核工业等领域有着不可替代的作用［1］。 其中钼的高温性能好，热导率高，比热容低，并具有良好的抗热冲击、抗热疲劳能力，在难熔金属中性价比最高。并且加入1wt%~2wt%La 203的钼合金的再结晶温度可达到1600C ［2］。但是钼及其合金在高温氧化气氛中很容易被氧化，在400C 以上便开始形成氧化 物，造成钼的迅速破坏［3］。Mosi 2具有优异高温抗氧 化性能，可作为钼合金上的高温抗氧化涂层。然而Mosi 2在低温区会发生 “pesting ”现象［4］，直接影响Mosi 2的高温抗氧化能力。Cockeram ［5］发现B 的加入可提高硅化物涂层的抗氧化性能。另有研究发现［6-9］， Mo-si-B 三元合金体系具有良好的抗氧化性与高温力学性能。铝硅共渗可改进单一Mosi 2的性能， 渗层在1050C 的周期抗氧化性很高 ［10-11］ 并且晶型结构也会发生转变 ［12］ 。本文通过多元共渗的方法在钼合金表面制备含Al 或B 元素的硅化物渗层，研究了其渗层结构和抗氧化性能。 1 试验材料及方法 基体材料采用市售的40mm X 40mm X 0.5mm Mo-La 203高温钼合金， 经表面预处理后，进行1000C X 5h 的固体渗处理，随炉降温冷却。固体渗装置见图1，固体渗剂成分如表1所示。 采用转靶X 射线衍射仪分析渗层表面的相组成，采用扫描电镜观察渗层的截面形貌特征，采用能谱分析确定渗层截面的成分，用氧-乙炔焰喷烧考察渗层的动态高温抗氧化性能。 图1 固体渗处理装置示意图 Fig.1 schematic layout of pack processing device 表1 各种渗剂的配方（质量分数，%） Table 1 Composition of penetrating reagent powder （wt%） 固体渗工艺 硅粉催渗剂A 铝粉 碳化硼 催渗剂B 渗硅982铝硅共渗88210 硼硅共渗 88 2 5 5 2 试验结果与讨论 2.1 渗层结构及组织 经渗硅处理和硼硅共渗处理后样品的表面为铁灰色，铝硅共渗的样品表面为深褐色和灰白色相间。图 4 5《金属热处理》2007年第32卷第4期
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耐热钢的优质性能 在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。 类别： 耐热钢按其性能可分为抗氧化钢和热强钢两类。抗氧化钢又简称不起皮钢。热强钢是指在高温下具有良好的抗氧化性能并具有较高的高温强度的钢。 耐热钢按其正火组织可分为奥氏体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢及珠光体耐热钢等。 简介： 耐热钢（heat-resisting steels) 在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作耐热钢。 用途: 耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。 中国自1952年开始生产耐热钢。以后研制出一些新型的低合金热强钢，从而使珠光体热强钢的工作温度提高到600～620℃；此外，还发展出一些新的低铬镍抗氧化钢种。耐热钢和不锈耐酸在使用范围上互有交叉，一些不锈钢兼具耐热钢特性，既可用作为不锈耐酸钢，也可作为耐热钢使用。合金元素的作用铬、铝、硅这些铁素体形成的元素，在高温下能促使金属表面生成致密的氧化膜，防止继续氧化，是提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐的主要元素。但铝和硅含量过高会使室温塑性和热塑性严重恶化。铬能显著提高低合金钢的再结晶温度，含量为2％时，强化效果最好。 镍、锰可以形成和稳定奥氏体。镍能提高奥氏体钢的高温强度和改善抗渗碳性。锰虽然可以代镍形成奥氏体，但损害了耐热钢的抗氧化性。钒、钛、铌是强碳化物形成元素，能形成细小弥散的碳化物，提高钢的高温强度。钛、铌与碳结合还可防止奥氏体钢在高温下或焊后产生晶间腐蚀。碳、氮可扩大和稳定奥氏体，从而提高耐热钢的高温强度。钢中含铬、锰较多时，可显著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替价格较贵的镍。硼、稀均为耐热钢中的微量元素。硼溶入固溶体中使晶体点阵发生畸变，晶界上的硼又能阻止元素扩散和晶界迁移，从而提高钢的高温强度；稀土元素能显著提高钢的抗氧化性，改善热塑性。耐热钢分类珠光体钢合金元素以铬、钼为主，总量一般不超过5％。其组织除珠光体、铁
碳纤维及其复合材料的发展及应用_上官倩芡
第37卷第3期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.37,N o.3 2008年6月J ou rnal of ShanghaiNor m alUn i versity(Natural S ci en ces)2008,J un 碳纤维及其复合材料的发展及应用 上官倩芡,蔡泖华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘要:叙述了碳纤维的结构形态、分类以及在力学、物理、化学方面的性能,介绍了碳纤维增强复合材料的特性,着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类、选择和应用,指出了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势. 关键词:碳纤维;复合材料 中图分类号:O636文献标识码:A文章编号:1000-5137(2008)03-0275-05 碳纤维作为一种高性能纤维,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能.此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1~3].碳纤维既可用作结构材料承载负荷,又可作为功能材料发挥作用.因此碳纤维及其复合材料近几年发展十分迅速.本文作者就碳纤维的特性、分类及其在复合材料领域的应用等内容进行介绍. 1碳纤维特性、结构及分类 碳纤维是纤维状的碳材料,由有机纤维原丝在1000e以上的高温下碳化形成,且含碳量在90%以上的高性能纤维材料.碳纤维主要具备以下特性:1密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5~2g/c m3,相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;o强度、弹性模量高,其强度比钢大4~5倍,弹性回复为100%;?热膨胀系数小,导热率随温度升高而下降,耐骤冷、急热,即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂;?摩擦系数小,并具有润滑性;?导电性好,25e时高模量碳纤维的比电阻为775L8/c m,高强度碳纤维则为1500L8/c m;?耐高温和低温性好,在3000e非氧化气氛下不熔化、不软化,在液氮温度下依旧很柔软,也不脆化;?耐酸性好,对酸呈惰性,能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀[4~7].除此之外,碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性. 碳纤维的结构取决于原丝结构和碳化工艺,但无论用哪种材料,碳纤维中碳原子平面总是沿纤维轴平行取向.用X-射线、电子衍射和电子显微镜研究发现,真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构[8],如图1所示.构成此结构的基元是六角形碳原子的层晶格,由层晶格组成层平面.在层平面内的碳原子以强的共价键相连,其键长为0.1421n m;在层平面之间则由弱的范德华力相连,层间距在0.3360~0.3440n m之间;层与层之间碳原子没有规则的固定位置,因而层片边缘参差不齐.处于石墨层片边缘的碳原子和层面内部结构完整的基础碳原子不同.层面内部的基础碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于表面边缘处的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性 收稿日期:2008-01-04 基金项目:上海市教委科研基金项目(06D Z034). 作者简介:上官倩芡(1974-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.
碳_碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展
碳/碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展 摘要：阐述了国内外近几年来碳/碳复合材料抗氧化涂层的研究新进展,并并从碳/碳复合材料的抗氧化涂层的基本条件以及抗氧化涂层类型等方面重点介绍了抗氧化涂层技术。最后指出了目前关于抗氧化涂层技术研究中存在的问题。 关键词：C/C复合材料; 抗氧化涂层; 研究进展 Advances in Research on High Temperature Anti-oxidation Coatings of C/C Composites ABSTRACT:Research progress of high temperature anti-oxidation coatings of C/C composites at home and abroad has been reported. The types of anti-oxidation coatings of C/C composites are emphasized. The problems existing in the oxidation resistance coating research are pointed out . KEY WORDS:C/C composite; anti-oxidation coating ; research progress. 1 引言 碳/碳复合材料是炭纤维增强炭基体的新型复合材料,具有低密度(理论密度为2. 2 g/ cm33,实际密度通常为1. 75～2. 10 g/ cm3 ) 、低热膨胀系数(仅为金属的1/ 5～1/ 10) 、高强度、高模量、耐高温、抗热震、抗热应力、抗裂纹传播、耐烧蚀、摩擦系数小等特点,尤其是它在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[1,2]。然而,碳在370 ℃的有氧气氛中开始氧化,高于500 ℃时迅速氧化,导致碳/ 碳复合材料毁灭性破坏。这一致命弱点限制了碳/ 碳复合材料的直接应用。因此,对用作高温热结构材料的碳/ 碳复合材料必须进行合适的抗氧化保护。目前碳/ 碳复合材料的抗氧化设计思路有两种[3] : (1) 基体改性技术。(2)抗氧化涂层技术。由于基体改性技术防氧化效果十分有限,一般只能在1 000 ℃以下,而且保护时间不长,再者会因为基体中引入盐类或陶瓷、金属类颗粒使碳/碳复合材料力学性能和热学性能下降。因此,高温抗氧化涂层技术的研究成为热点。本文仅就近年来国内外学者在碳/碳(C/C )复合材料高温抗氧化涂层技术领域的研究进展情况进行评述。 2 抗氧化涂层的基本条件 C/C复合材料的抗氧化关键在于把易在高温下氧化的碳材料与氧化环境隔离开来。因此,设计可靠有效、耐长时间高温的抗氧化涂层必须具有以下基本条件[4-6]。 (1)保证涂层均匀、致密、无缺陷,且具有高的熔点和自愈合能力。 (2)基体与涂层要有适当的粘附性,既不脱粘又不过分渗透基体。最好是化学结合,不形成明显的界
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题(一)
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题(一) 文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。 1聚合物/碳纳米管复合材料的制备 聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。 1.1溶液共混复合法 溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来，均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，主要用来制备膜材料。Xuetal8]和Lauetal.9]采用这种方法制备了CNT/环氧树脂复合材料，并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂，其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用这种方法制备复合材料。 1.2熔融共混复合法 熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。Jinetal.10]采用这种方法制备了PMMA/MWNT复合材料，并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。 1.3原位复合法 将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jiaetal.11]采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈代写论文的黏结作用。这主要是因为AIBN在引发过程中打开碳纳米管的π键使之参与到PMMA的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备PMMA/碳纳米管复合材料，不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例，复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。 2聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状 2.1聚合物/碳纳米管结构复合材料 碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。
碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)
·开发与创新· Development and Applications of Carbon Fiber and Its Composites GAO Bo ,XU Zi-Li (Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,China Abstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix 0引言 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa 以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa ,也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。 1碳纤维的发展史 1.1国外碳纤维的发展历史 20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959 年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝
碳纳米管纳米复合材料的分析现状及问题
碳纳米管纳米复合材料的分析现状及问题 [摘要]文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 [关键词]碳纳米管；复合材料；结构；性能 自从1991 年日本筑波NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为1~2 TPa 和200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达2800 ℃，导热率是金刚石的 2 倍，电子载流容量是铜导线的1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。 1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备 聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。
碳纳米复合材料
碳纳米管及其复合材料 2007-4-3 14:18:08 【文章字体：大中小］打印收藏关闭 纳米技术是21世纪的前沿科学技术，碳纳米管技术则是该领域中一个强有力的生长点。碳纳米管问世十三年来，日益引起了人们极大的兴趣，其独特的性能正在被认识并加以利用，如何降低成本，大量生产有特定结构的碳纳米管依然是人们的努力方向，含碳纳米管的聚合物复合材料蕴含着巨大的发展潜力。 高聚物/碳纳米管复合材料 碳纳米管于1991年由s.iijima 发现，其直径比碳纤维小数千倍，其性能远优于现今普遍使用的玻璃纤维。其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。 碳纳米管基本上可分为单壁型和多壁型两类。虽然他们乍看起来非常相似，但其制作方法和性能不尽相同。纳米管的结构决定它们是具有金属性还是具有半导体性质。大约三分之二的单壁纳米管属于半导体型，三分之一属金属型。至于多壁纳米管，由于各层壳的性能的叠加，难以做出明显区别，但大体上是金属型。单壁型碳纳米管外径一般为1到2nm多壁型纳米管直 径则在8到12nm之间，它的典型长度一般为10微米，最长可达100微米, 长径比至少可达1000: 1。 美国国内纳米管的生产商有Hyperion Catalysis （产品是多壁纤维纳米管）和新登陆的Zyvex Corp （产品有单壁和多壁纳米管）。这两家厂商提供的母料中都含有15%到20%的纳米管。 碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出多壁纳米管的平均弹性模量为 1.8TPa。碳纳米管的拉伸强度实验值约为200GPa是钢的100倍，碳纤维的20倍。碳纳米管弯曲强度为14.2GPa,尽管碳纳米管的拉伸强度如此之高，但它们的脆性不象碳纤维那样高。碳纤维在约1^变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才会断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa比传 统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。 在电性能方面，碳纳米管用作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加 入的碳黑相比，碳纳米管有高的长径比，因此，其体积含量可比球状碳黑减少很多。多壁碳纳米管的平均长径比约为1000；同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，它们填入聚合物基体时不会断裂，因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林trinity 学院进行的研究表明，在塑料中含2%-3%勺多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级，从10-12s/m提高到了102s/m。
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 （上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司） 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 （1）军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人
有关碳纳米管复合材料的探讨(doc 9页)
有关碳纳米管复合材料的探讨(doc 9页)
有关碳纳米管复合材料的研究 摘要：自从上个世纪末纳米技术的出现，纳米材料的独特性能引起人们的广泛关注。把纳米材料与高分子材料复合，制备高性能和功能化的复合材料成为高分子材料领域的热点之一。作为纳米材料领域之一的碳纳米管（CNTs）具有独特的物理性能，是一种具有纳米直径的管状碳纤维，它具有超强的韧性和强度以及优异的导电性能。通过不同的复合方法可制备出增强、导电和电磁屏蔽的优异性能的材料，具有广泛的应用前景。 本论文通过不同的方法制备了不同高分子基碳纳米管复合材料，研究了CNTs在基体中分散状况和复合材料的力学、热学和导电性能，并探讨了CNTs对复合材料的结构和性能的影响。 关键词：纳米材料碳纳米管复合材料 前言：由于高分子材料来源丰富、制造方便、加工容易、节省能源和投资、效益显著、品种繁多、用途广泛，因而在材料领域占有的比重越来越大。但是随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高，对高分子材料不断提出各种各样的新要求，使高分子材料科学的发展呈现出高性能化、功能化、复合化、精细化和智能化的趋势。而纳米技术的出现则为材料科学的发展带来革命性的变化，为高性能、功能化的材料开创了新的领域。因而世界上许多国家把纳米材料的开发放在了特别重要的位置，并形成一股纳米复合材料的热潮[1]。 纳米材料是指平均粒径在纳米级（1-100nm）范围内的固体材料的总称。而作为其中重要的一个部分则是聚合物/无机纳米粒子复合材料，一般是指以有机高分子聚合物为连续相与纳米粒子进行复合而得到的复合材料。这种材料能够充分的结合高分子材料以及纳米粒子所具有的特性，大大的扩展了高分子材料的应用领域，而成为纳米材料里的研究热门。 1、纳米材料的特性 1992年国际纳米材料会议对纳米材料定义如下:一相任一维的尺寸达到 100nm以下的材料为纳米材料[2]。由此可知,纳米材料的几何形状既可以是粒径小于100nm的零维纳米粉末,也可以是径向尺寸小于100nm的一维纳米纤维或二维纳米膜、三维纳米块体等。纳米材料的材质可以是金属或非金属;相结构可以是单相或多相;原子排列可以是晶态或非晶态。当物质进入纳米级后,其在催化、光、电、热力学等方面都出现特异化,这种现象被称为“纳米效应”。具体表现在以下几个方面： （1）表面效应
碳纤维增强复合材料概述
碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、
碳化硅抗氧化涂层的失效分析
碳化硅抗氧化涂层的失效分析X 张伟刚 成会明X X 沈祖洪 (中国科学院金属研究所 沈阳110015) 周本濂 (国际材料物理中心 沈阳110015) 摘 要 用理论模型计算和实验测定的方法,研究了带有碳化硅涂层的炭纤维和2D C/C复合材料的抗氧化性能。结果表明涂层炭纤维的氧化,实验值高于模型计算值,并且纤维越长,差值越大;说明纤维的氧化,不仅发生在暴露的纤维末端,而且因为涂层本身存在着缺陷,不能完全阻挡氧的输运,氧化也在纤维的径向同时发生。SEM观察结果也证实了这一结论。对于C/C复合材料,实验中观察到了横向、纵向裂纹和孔洞三类不同的缺陷,涂层的失效同样是氧气通过材料表面缺陷的输运而造成的,穿过表面的氧首先使热解炭基体气化,继而引起基体整体的破坏。 关键词 炭纤维 C/C复合材料 SiC涂层 氧化 分类号 T Q174.758.16 炭纤维以其杰出的比强度,作为多类复合材料的增强材料,在航天、航空等领域已经得到广泛的应用,并且日益向民用品扩展。炭纤维是具有多晶、乱层石墨结构的一类炭材料,具有炭素材料的一些基本性能,例如在常温和低温下(673K以下),化学性能非常稳定,然而在高温下却很容易受到氧及活泼金属的侵蚀,这给炭纤维增强金属基、陶瓷基复合材料的制备,以及炭材料在高温氧化环境中的使用等,都带来了困难。以热解炭等炭材料为基体、炭纤维为增强体的C/C复合材料,是迄今为止唯一能够在1800K以上使用的高温结构与烧蚀材料,但也正是由于其抗氧化能力较差,而限制了它的应用范围,降低了使用可靠性。航天飞机和高冲质比运载火箭的发展,推动着抗氧化炭材料的研究与开发,在炭纤维表面、C/C复合材料表面涂覆SiC涂层,是其中一种比较成功的方法[1]。本文采用CVD方法制备SiC涂层PAN基炭纤维以及2D C/C复合材料,用模型计算分析方法和氧化实验研究了SiC涂层表面缺陷对其抗氧化性能的影响。 1 实验方法 采用吉林炭素厂生产的PAN-Ⅱ型高强炭纤维,用化学气相沉积法在其表面沉积SiC薄层[1,2],得到SiC涂层炭纤维;采用上述厂家生产的PAN基1K平纹编织炭布,层叠作为增强体,气相沉积热解炭后,再用化学气相沉积法在其表面沉积SiC薄层,得到SiC涂层2D C/C复合材料。具体工艺见文 1998年 6 月 N EW CA RBO N M AT ERIA L S Jun. 1998第13卷 第2期 新 型 碳 材 料 V ol.13N o.2 X XX通讯联系人 第一作者:张伟刚,男,1968年出生,博士研究生。主要从事纤维增强树脂基复合材料、碳/陶复合材料、炭材料抗氧化等方面的研究。 收稿日期:1998-02-06 国家自然科学基金资助课题No.59402006
高温抗氧化柔性石墨密封材料的制备和性能研究
12FLUID MACHINERY Vol. 45,No.2,2017文章编号：1005 -0329(2017)02-0012-05 高温抗氧化柔性石墨密封材料的制备和性能研究 谢苏江，朱宗亮 (华东理工大学，上海200237) 摘要：柔性石墨作为密封材料广泛应用于石油、汽车、化工、核电等密封领域，但其高温抗氧化性能差大大限制了它 的使用范围和应用寿命。本文采用浸渍法制备了高温抗氧化柔性石墨密封材料，系统研究了制备工艺等对其密度、抗拉 强度、热失重、压缩回弹性能及密封性能的影响，结果表明所制备的高温抗氧化柔性石墨密封材料具有较好的高温抗氧 化性能，同时具有较好的压缩回弹性能和优异的密封性能，可以广泛应用于高温氧化场合。 关键词：柔性石墨;抗氧化;密封性能 中图分类号：TH136 ;TB302 文献标志码： A d〇i：10. 3969/j. issn. 1005 -0329. 2017. 02. 003 The Preparation and Performance Research of High Temperature Oxidation Resistance of Graphite XIE Su-jiang,ZHU Zong-liang (East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China) Abstract：Flexible graphite is widely used in petrochemical,automotive,nuclear power and other fields. As a sealing material, the easy oxidation of flexible graphite under the condition of high temperature and oxygen enrichment of weightlessness disadvanta-ges limits the scope of its use. This paper adopts the impregnation method for the high temperature oxidation resistant flexible graphite ； at the same time, the change rules of density, tensile strength, compression resilience and sealing performance of high temperature oxidation resistant flexible graphite were studied by experiments. High temperature oxidation resistant flexible graphite prepared by the whole impregnation process can be used as a substitute for domestic and foreign products. Key words ：flexible graphite ； oxidation resistant ； sealing performance i前言 柔性石墨（Flexible Graphite,简称F G)通常由 天然鳞片石墨制备成的石墨层间化合物经高温膨 化而成，与金刚石、碳60、多孔碳、碳纳米管、石墨 烯等互为同素异形体[1]。柔性石墨不仅保持了 天然石墨优异的物理化学特性，同时又具有其特 有的高压缩变形和回弹能力、低应力松弛性能和 较好的柔软性及密封性，是石油、化工、汽车、核电 等领域高温、极低温、强辐射等极端工况下的首选 密封材料[2’3]。 但是柔性石墨和其他碳材料一样都存在着高 温富氧条件下易氧化腐蚀的缺点，而且由于其比 表面积大、孔隙率高等特点，其高温抗氧化性能比 一般碳材料更差。研究表明，在空气中当温度超 收稿日期：2016 -07 -22过450°C时，柔性石墨就会发生较严重的氧化失 重，且随着温度的升高和时效时间的增加，氧化失 重越明显[4]。氧化失重使柔性石墨的结构受到 严重的破坏，性能受到影响，这大大限制了柔性石 墨的使用范围和应用寿命。因此，解决柔性石墨 高温抗氧化性能差的问题就显得尤为重要。 近年来，碳石墨材料的抗氧化研究和应用取 得了不断发展，不同领域及学科的科技工作者研 究开发了多种碳石墨材料的抗氧化方法，具体的 技术途径主要有:溶液浸渍法、基体改性法和表面 涂覆抗氧化涂层法[4~7]，但对柔性石墨密封材料 的抗氧化研究相对较少。 本文主要通过溶液浸渍法制备了一种高温抗 氧化柔性石墨密封材料，并对其相关性能进行了 较系统的研究。
碳纤维及复合材料的种类、制备和应用
碳纤维及复合材料的种类、制备及应用 杨晨材研0906 （北京化工大学材料学院，100029） 摘要：本文主要陈述总结了复合材料及其碳纤维的种类、制备及应用方面的相关知识。 关键词：碳纤维；复合材料；种类；制备；应用 1.复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。具有比强度高，比模量高，剪切强度和剪切模量高，高温性能高，耐热性高等特性广泛应用于各个领域。 1.1种类 复合材料按其性能高低可分为常用复合材料和先进复合材料；根据其用途可分为结构复合材料和功能复合材料；按照复合方式可分为宏观复合材料和微观复合材料。根据不同增强体形式可分为纤维复合材料、颗粒复合材料、片材复合材料和叠层复合材料。还有，可以根据基体材料的不同细分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料。本文主要以基体材料的细分方式介绍复合材料的制备及其应用。 其生产流程见图1.1。 图1.1 复合材料制品的生产流程图 1.2聚合物基复合材料 聚合物基复合材料是聚合物或俗称树脂作为基体与粒状、片状、纤维状填充组分作为增强体的复合材料。按基体的不同还可以分成热固性树脂基、热塑性树脂基和橡胶基。
1.2.1制备 其主要制备方法有：预浸料、手糊成型工艺、喷射成型、袋压成型、模压成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、熔融流动成型、增强反应注射成型和树脂传递模塑。 1.2.2应用 聚合物基复合材料在建筑、化学、交通运输、机械电器、电子工业及医疗、国防、航天航空及火箭等领域都有广泛应用。如手糊成型制得的广播卫星抛物面天线、太阳能电池帆板；纤维缠绕成型可制得雷达罩、火箭发动机壳、压力容器；模压成型制得的整体浴室和汽车保险杠等等。 1.3金属基复合材料 金属基复合材料是以金属、合金和金属间化合物为基体，以无机纤维和金属间化合物等为增强体，通过浸渗、固结工艺制成的复合材料。根据其基体的种类可细分为轻金属基、高熔点金属基和金属间化合物基。 1.3.1制备 金属基复合材料的主要制备工艺方法有：固相法、液相法和原位复合法。固相法主要有粉末冶金、固态热压法、热等静压法；液态法主要有真空压力浸渍法、挤压铸造法；原位复合法主要包括共晶合金定向凝固、直接金属氧化物法、反应生成法。 1.3.2应用 金属基复合材料主要可应用于航天、航空、汽车、医疗、体育用品等领域。如航天飞机中段主机身的B/Al关键桁架、臂状支柱；齿轮；高尔夫球杆击球头及各种支架等等。 1.4无机非金属基复合材料 无机非金属复合材料主要有陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳基复合材料。 1.4.1陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体，并以陶瓷、碳纤维和难熔金属的纤维、晶须、晶片和颗粒为增强体，通过适当的复合工艺所构成的复合材料。主要可细分为高温陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料和玻璃陶瓷基复合材料。 其制备工艺主要有：粉末冶金法(颗粒）、浆体法（液体法）、热压烧结法、液态浸渍法、直接氧化法、溶胶-凝胶法、化学气相浸渍法（CVI）、先驱体转化和反应熔融浸渗（RMI）等。 陶瓷基复合材料可应用于切削工具方面及航空航天领域的研究。如刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强炭化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。