CC复合材料PPT课件
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《CC复合材料》PPT课件
才能成为真正的结构致密、 性能
优良的碳/碳复合材料 ,此即致密
化过程.传统的致密化工艺大பைடு நூலகம்分
为液相浸渍和化学气相沉积(CVI)
两种.
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7
3.3
液相浸渍工艺
液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行.
重复浸渍 — — — 炭化 — — — 石墨化 ,达 到致密预制体.此工艺存在问题是:
(1) 工艺繁复、 周期长、 效率低;
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10
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11
四 发展趋势及应用
(1) 因其良好的生物相容性 ,在生物医学方面 ,可作人体骨 骼的替代材料 ,比如人工髋关节、 膝关 节、 牙根等.
(2) 汽车、 赛车的制动系统. (3) 在核反应堆中制造无线电频率限幅器. (4) 利用其高导电率和很高尺寸稳定性 ,制造卫星通讯抛物 面无线电天线反射器. (5) 用碳/碳复合材料代替石棉制造熔融玻璃的滑道 ,其寿命 可提高100倍以上. (6) 制作高温紧固件.在700 ℃ 以上 ,金属紧固件强度很低 , 而碳/碳复合材料在高温下呈现优异承 载能力 ,可作高温下使用的螺栓、 螺母、 垫片等.
性及热、电传导特性等特点.而
且 ,其质轻 ,比强度和比弹性模量
都很高 ,更重要的是这种材料随
着温度的升高(可达2 200 ℃)其
强度不降低 ,甚至比室温条件下
还高。
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4
三 制备工艺
制备碳/碳复合材料主要步骤为: 预制体成型 → 致密化处理 →
最终高温热处理
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5
3.1
预制体成型
• 在进行预制体成型前,根据所设计复合材 料的应用和工作环境来选择纤维种类和编 织方式.例如 ,对重要的结构选用高强度、 高模量纤维.对要求导热系数低的则选用低 模量炭纤维 ,如粘胶基炭纤维
碳碳复合材料ppt课件
循环浸渍－碳化曲线反映了浸渍－碳化工艺特点：
❖ 在进行1～3次浸渍碳化时，复合材料的密度增加较快， 从预制体密度（约1.2～1.3g/cm3）增加到1.6g/cm3以上；
❖ 从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增 加相对较慢。
❖ 为了减少浸渍－碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复 合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压 力浸渍碳化工艺（PIC, Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍－碳化工艺中得 到应用。
沥青碳化率＝0.95QI＋0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS
因此，沥青的碳化率随高分子量芳香族化合物的含量增加而增加。 最高的碳化率达90％，但与碳化时的压力有关。当碳化压力增强时， 低分子量物质挥发气化，并在压力下热解得到固态沥青碳。
★ 沥青碳化特性
★ 沥青碳化特性
沥青的压力碳化经历以下过程：
沥青液态压力浸渍－碳化 工艺是在常压、250℃下先浸 渍，然后在此温度下加压至 100MPa压力下继续浸渍，再 此压力下经650℃碳化。
同样需经历多次PIC工艺 使/C复合材料致密化。
● HIPIC工艺
HIPIC工艺是热等静压浸 渍碳化工艺（Hot Isostatic Pressure Carbonization）,即 在等静压炉中进行PIC工艺。
沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别
C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：
❖ 等温 (Isothermal)法； ❖ 压力梯度 (Pressure gradient)法； ❖ 温度梯度(Thrmal gradient)法； ❖ 化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour
《复合材料》PPT课件
界面作用
界面在复合材料中起到传递载荷、阻止裂纹扩展和调节内应力的作 用。
界面优化
通过改变界面形态、引入界面相容剂或采用表面处理技术等方法，可 改善界面性能，提高复合材料的综合性能。
03
复合材料的制备工艺
原材料选择与预处理
增强材料选择
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比强度、高比模量等 优点。
医疗器械
复合材料可用于制造医疗器械如手术器械、牙科 设备和医疗床等，具有轻质便携、X光透过性好 和耐消毒等优点。
能源领域
复合材料可用于制造风力发电机叶片、太阳能板 支架和石油管道等，具有耐候性强、抗腐蚀和轻 质高强等优点。
06
复合材料的未来发展趋势
新型复合材料研究进展
碳纳米管增强复合材料
具有优异的力学、电学和热学性能，广泛应用于航空航天、汽车 、电子等领域。
航天器结构
复合材料用于制造卫星、火箭和导弹等航天器的结构件，如碳纤维/环 氧树脂复合材料在卫星结构中的应用。
03
发动机部件
复合材料可用于制造航空发动机的叶片、机匣和涡轮等部件，提高发动
机的推力和效率，如陶瓷基复合材料在发动机热端部件中的应用。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度 。
桥梁和道路
复合材料可用于制造桥梁结构、道路护栏和标志牌等，具有耐久性强、维护成本低等优点 。
其他领域应用
1如网球拍、高尔 夫球杆和自行车车架等，具有轻质高强和良好的 力学性能。
界面在复合材料中起到传递载荷、阻止裂纹扩展和调节内应力的作 用。
界面优化
通过改变界面形态、引入界面相容剂或采用表面处理技术等方法，可 改善界面性能，提高复合材料的综合性能。
03
复合材料的制备工艺
原材料选择与预处理
增强材料选择
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比强度、高比模量等 优点。
医疗器械
复合材料可用于制造医疗器械如手术器械、牙科 设备和医疗床等，具有轻质便携、X光透过性好 和耐消毒等优点。
能源领域
复合材料可用于制造风力发电机叶片、太阳能板 支架和石油管道等，具有耐候性强、抗腐蚀和轻 质高强等优点。
06
复合材料的未来发展趋势
新型复合材料研究进展
碳纳米管增强复合材料
具有优异的力学、电学和热学性能，广泛应用于航空航天、汽车 、电子等领域。
航天器结构
复合材料用于制造卫星、火箭和导弹等航天器的结构件，如碳纤维/环 氧树脂复合材料在卫星结构中的应用。
03
发动机部件
复合材料可用于制造航空发动机的叶片、机匣和涡轮等部件，提高发动
机的推力和效率，如陶瓷基复合材料在发动机热端部件中的应用。
汽车工业应用
车身结构
复合材料用于制造汽车车身、车门、车顶等结构件，具有 减重、提高刚度和耐撞性等优点，如碳纤维复合材料在高 端跑车和电动汽车中的应用。
外墙材料
复合材料可用于制造建筑外墙板、保温材料和装饰材料等，提高建筑的保温性能和美观度 。
桥梁和道路
复合材料可用于制造桥梁结构、道路护栏和标志牌等，具有耐久性强、维护成本低等优点 。
其他领域应用
1如网球拍、高尔 夫球杆和自行车车架等，具有轻质高强和良好的 力学性能。
cc复合材料
（2）抗氧化涂层要能减少碳向外扩散，这 点对含有氧化物的涂层尤为重要，因为 氧化物易被C 还原；
（3）涂层与基体碳之间要能良好结合，形 成较高的结合强度，对多层涂层来说， 各层之间也要有良好的结合强度，以免 分层或脱落；
（4）涂层与基体、涂层的各层之间的热膨 胀系数要尽可能接近，避免在较大的热 应力作用下涂层出现裂纹或剥落；
碳/碳复合材料
碳/碳复合材料的端头帽 碳/碳复合材料加工件
1.碳碳复合材料特性及性能
1.1碳碳复合材料特性 C/C复合材料是新材料领域中重点研究和开发 的一种新型超高温材料，它具有以下显著特 点：
(1)密度小(<2.0 g/cm )，仅为镍基高温合金的 1/4，陶瓷材料的1/2，这一许多结构或装备 要求轻型化至关重要。
3.1内部抗氧化技术 该化技术是从两方面来解决C/C 复合材料的
抗氧化问题。 （1）改进纤维的抗氧化问题。纤维抗氧化性能 的提高手段有两种，一是提高纤维的石墨化度， 从而提高纤维的抗氧化性；另一种方法是在纤 维的表面进行涂层，使纤维得到保护。
（2）提高C/C 材料基体的抗氧化性。可以通过 加入氧化抑制剂的方法来提高C/C 材料基体的 抗氧化性，如加入含磷化合物等，通过磷与氧 的作用，使氧失去氧化活性，从而达到抗氧化 的目的，但效果并不理想。另外一种方法是在 基体中加入抗氧化组分，如重金属、陶瓷等可 以提高C/C 复合材料的抗氧化性；还可以在基 体中加入有机硅、有机钛等，使基体C被SiC和 TiC取代，也可达到抗氧化的目的。
2.1.2 热梯度式（差温式）CVD技术 将热梯度式CVD技术应用于碳刹车盘的制备， 其基本思路是在碳盘工件的径向（而不是厚度
方向）形成温度梯度，并通过压差使碳源气逆 温度梯度定向流动，从而提高了增密速度。并 研究了温度、气氛压力及其流量等参数对CVD 增密过程的影响。发现当温度、气氛压力搭配 合理时，热梯度式CVD增密效果大大优于均温 式，总致密时间仅为相应均温式的1/3。若在差 温式CVD基础上实现差温-差压式CVD可进一步 改善CVD增密效果。
（3）涂层与基体碳之间要能良好结合，形 成较高的结合强度，对多层涂层来说， 各层之间也要有良好的结合强度，以免 分层或脱落；
（4）涂层与基体、涂层的各层之间的热膨 胀系数要尽可能接近，避免在较大的热 应力作用下涂层出现裂纹或剥落；
碳/碳复合材料
碳/碳复合材料的端头帽 碳/碳复合材料加工件
1.碳碳复合材料特性及性能
1.1碳碳复合材料特性 C/C复合材料是新材料领域中重点研究和开发 的一种新型超高温材料，它具有以下显著特 点：
(1)密度小(<2.0 g/cm )，仅为镍基高温合金的 1/4，陶瓷材料的1/2，这一许多结构或装备 要求轻型化至关重要。
3.1内部抗氧化技术 该化技术是从两方面来解决C/C 复合材料的
抗氧化问题。 （1）改进纤维的抗氧化问题。纤维抗氧化性能 的提高手段有两种，一是提高纤维的石墨化度， 从而提高纤维的抗氧化性；另一种方法是在纤 维的表面进行涂层，使纤维得到保护。
（2）提高C/C 材料基体的抗氧化性。可以通过 加入氧化抑制剂的方法来提高C/C 材料基体的 抗氧化性，如加入含磷化合物等，通过磷与氧 的作用，使氧失去氧化活性，从而达到抗氧化 的目的，但效果并不理想。另外一种方法是在 基体中加入抗氧化组分，如重金属、陶瓷等可 以提高C/C 复合材料的抗氧化性；还可以在基 体中加入有机硅、有机钛等，使基体C被SiC和 TiC取代，也可达到抗氧化的目的。
2.1.2 热梯度式（差温式）CVD技术 将热梯度式CVD技术应用于碳刹车盘的制备， 其基本思路是在碳盘工件的径向（而不是厚度
方向）形成温度梯度，并通过压差使碳源气逆 温度梯度定向流动，从而提高了增密速度。并 研究了温度、气氛压力及其流量等参数对CVD 增密过程的影响。发现当温度、气氛压力搭配 合理时，热梯度式CVD增密效果大大优于均温 式，总致密时间仅为相应均温式的1/3。若在差 温式CVD基础上实现差温-差压式CVD可进一步 改善CVD增密效果。
化学课件《复合材料》优秀ppt5 鲁科版1
1）、玻璃钢
玻璃钢
基体：合成树脂 增强体：玻璃纤维
玻璃钢克服了玻璃易碎、密度较大，合成树脂强 度不够高的缺点，它具有强度高、密度小、韧性 好、耐腐、耐磨、耐撞、绝缘、产品美观、制造 方便等优良特性。可广泛用于制作小型娱乐设施、 管道、小舟、化工设施、小型建筑等
2）、碳纤维复合材料
碳纤维复 合材料
基体：合成树脂 增强体：碳纤维
2）机身隔热复合材料：
组成
基体：陶瓷
增强体：碳纤维、碳化硅纤维、氧 化铝纤维
性能：耐高温、韧性好
85.每一年，我都更加相信生命的浪费是在于：我们没有献出爱，我们没有使用力量，我们表现出自私的谨慎，不去冒险，避开痛苦，也失去了快乐。――[约翰·B·塔布] 86.微笑，昂首阔步，作深呼吸，嘴里哼着歌儿。倘使你不会唱歌，吹吹口哨或用鼻子哼一哼也可。如此一来，你想让自己烦恼都不可能。――[戴尔·卡内基]
97.有三个人是我的朋友爱我的人.恨我的人.以及对我冷漠的人。 爱我的人教我温柔；恨我的人教我谨慎；对我冷漠的人教我自立。――[J·E·丁格] 98.过去的事已经一去不复返。聪明的人是考虑现在和未来，根本无暇去想过去的事。――[英国哲学家培根] 99.真正的发现之旅不只是为了寻找全新的景色，也为了拥有全新的眼光。――[马塞尔·普劳斯特] 100.这个世界总是充满美好的事物，然而能看到这些美好事物的人，事实上是少之又少。――[罗丹] 101.称赞不但对人的感情，而且对人的理智也发生巨大的作用，在这种令人愉快的影响之下，我觉得更加聪明了，各种想法，以异常的速度接连涌入我的脑际。――[托尔斯泰] 102.人生过程的景观一直在变化，向前跨进，就看到与初始不同的景观，再上前去，又是另一番新的气候――。[叔本华] 103.为何我们如此汲汲于名利，如果一个人和他的同伴保持不一样的速度，或许他耳中听到的是不同的旋律，让他随他所听到的旋律走，无论快慢或远近。――[梭罗] 104.我们最容易不吝惜的是时间，而我们应该最担心的也是时间；因为没有时间的话，我们在世界上什么也不能做。――[威廉·彭] 105.人类的悲剧，就是想延长自己的寿命。我们往往只憧憬地平线那端的神奇【违禁词，被屏蔽】，而忘了去欣赏今天窗外正在盛开的玫瑰花。――[戴尔·卡内基] 106.休息并非无所事事，夏日炎炎时躺在树底下的草地，听着潺潺的水声，看着飘过的白云，亦非浪费时间。――[约翰·罗伯克] 107.没有人会只因年龄而衰老，我们是因放弃我们的理想而衰老。年龄会使皮肤老化，而放弃热情却会使灵魂老化。――[撒母耳·厄尔曼] 108.快乐和智能的区别在于：自认最快乐的人实际上就是最快乐的，但自认为最明智的人一般而言却是最愚蠢的。――[卡雷贝·C·科尔顿] 109.每个人皆有连自己都不清楚的潜在能力。无论是谁，在千钧一发之际，往往能轻易解决从前认为极不可能解决的事。――[戴尔·卡内基] 110.每天安静地坐十五分钟·倾听你的气息，感觉它，感觉你自己，并且试着什么都不想。――[艾瑞克·佛洛姆] 111.你知道何谓沮丧---就是你用一辈子工夫，在公司或任何领域里往上攀爬，却在抵达最高处的同时，发现自己爬错了墙头。－－[坎伯] 112.「伟大」这个名词未必非出现在规模很大的事情不可；生活中微小之处，照样可以伟大。――[布鲁克斯] 113.人生的目的有二：先是获得你想要的；然后是享受你所获得的。只有最明智的人类做到第二点。――[罗根·皮沙尔·史密斯] 114.要经常听.时常想.时时学习，才是真正的生活方式。对任何事既不抱希望，也不肯学习的人，没有生存的资格。
CC复合材料(1)(详细分析：复合材料)共5张PPT
基青体经材 碳料化分或为石热墨解化碳制与得浸。渍碳两种，热解碳主要是甲烷、乙树烷、脂丙或烷和沥乙青烯以浸及渍低分子芳烃等组成，经高温裂解生成碳，浸渍碳是树脂或沥
树脂浸渍碳是经高温生成的，通常产碳率较高，但难以石墨化，且电阻率高，热导率差，最终生成的石墨为各向异性的。 碳/碳复合材料是由各种碳纤维或各种碳织物增强碳,或石墨化的树脂碳(或沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所形成的复合材料。 热解碳原料来源丰富，质量可靠，品种多，且成本低，选材范围广。 C/C复合材料且质量小、刚性好，并且是极耐高温的材料，其强度随温度升高而增加，在2500℃达到最大值，同时它有良好的抗烧蚀性能和
抗沥热青震 浸性渍能碳，通是常宇于纤航低维中压非或与常常树重压要下脂的残预材余料碳浸，，料例因如而作产为碳导率弹较的低鼻，锥但体易热。于石压墨制化坯，最终生成的石墨为各向同碳性化的，其电阻率低，C热/导C性复好合，材模料量高
。 2 C/C复合材料的制备
短纤维与沥青或
树脂混合物
喷射制坯
石墨化
石墨化C/C复合材料
基体材料分为热解碳与浸渍碳两种，热解碳主要是甲烷、乙烷、丙烷和乙烯以及低分子芳烃等组成，经高温裂解生成碳，浸渍碳是树脂或沥 青经碳化或石墨化制得。
热解碳原料来源丰富，质量可靠，品种多，且成本低，选材 基体材料分为热解碳与浸渍碳两种，热解碳主要是甲烷、乙烷、丙烷和乙烯以及低分子芳烃等组成，经高温裂解生成碳，浸渍碳是树脂或沥
碳/碳复合材料
9.1 概述
碳/碳复合材料是由各种碳纤维或各种碳织物增强碳,或石 墨化的树脂碳(或沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所形 成的复合材料。
C/C复合材料且质量小、刚性好，并且是极耐高温的材料，其强 度随温度升高而增加，在2500℃达到最大值，同时它有良好的 抗烧蚀性能和抗热震性能，是宇航中非常重要的材料，例如作 为导弹的鼻锥体。C/C复合材料还具有优异的耐摩擦性能和高 的热导率，使其在飞机、汽车刹车片和轴承等方面得到应用。 但是C/C复合材料不能在氧化性气氛中耐受高温，因此关于C/C 复合材料的抗氧化研究是一个重点内容。
树脂浸渍碳是经高温生成的，通常产碳率较高，但难以石墨化，且电阻率高，热导率差，最终生成的石墨为各向异性的。 碳/碳复合材料是由各种碳纤维或各种碳织物增强碳,或石墨化的树脂碳(或沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所形成的复合材料。 热解碳原料来源丰富，质量可靠，品种多，且成本低，选材范围广。 C/C复合材料且质量小、刚性好，并且是极耐高温的材料，其强度随温度升高而增加，在2500℃达到最大值，同时它有良好的抗烧蚀性能和
抗沥热青震 浸性渍能碳，通是常宇于纤航低维中压非或与常常树重压要下脂的残预材余料碳浸，，料例因如而作产为碳导率弹较的低鼻，锥但体易热。于石压墨制化坯，最终生成的石墨为各向同碳性化的，其电阻率低，C热/导C性复好合，材模料量高
。 2 C/C复合材料的制备
短纤维与沥青或
树脂混合物
喷射制坯
石墨化
石墨化C/C复合材料
基体材料分为热解碳与浸渍碳两种，热解碳主要是甲烷、乙烷、丙烷和乙烯以及低分子芳烃等组成，经高温裂解生成碳，浸渍碳是树脂或沥 青经碳化或石墨化制得。
热解碳原料来源丰富，质量可靠，品种多，且成本低，选材 基体材料分为热解碳与浸渍碳两种，热解碳主要是甲烷、乙烷、丙烷和乙烯以及低分子芳烃等组成，经高温裂解生成碳，浸渍碳是树脂或沥
碳/碳复合材料
9.1 概述
碳/碳复合材料是由各种碳纤维或各种碳织物增强碳,或石 墨化的树脂碳(或沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所形 成的复合材料。
C/C复合材料且质量小、刚性好，并且是极耐高温的材料，其强 度随温度升高而增加，在2500℃达到最大值，同时它有良好的 抗烧蚀性能和抗热震性能，是宇航中非常重要的材料，例如作 为导弹的鼻锥体。C/C复合材料还具有优异的耐摩擦性能和高 的热导率，使其在飞机、汽车刹车片和轴承等方面得到应用。 但是C/C复合材料不能在氧化性气氛中耐受高温，因此关于C/C 复合材料的抗氧化研究是一个重点内容。
复合材料PPT教学课件
原有材料的特点，又使各组分间 协同作用，形成了优于原材料的 特性。
4 复合材料的分类：
（1）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
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
4 复合材料的分类：
（1）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
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
《复合材料》PPT课件
纳米绘画艺术—— 纳米中国
这是中国科学院化学所的科技人员利用 纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制 出的世界上最小的中国地图。
碳纳米球（富勒稀）
The Nobel Prize i n Chemistry 1996 for discovery of fullerenes（C60).
碳原子组成的小单元看起来和 足球一样。碳原子的活性差， 导电，非常稳定。绝佳的材料 和电性能
材料的创新：新材料的出现为产品设计提供更广阔 的前，由于其独
有的体积和表面效应，它从宏观上显示出许多奇妙 的特征。
制备纳米粒子的物理方法
1．球 磨
实施方法
2．振动 球磨
3．振动磨
4．搅拌磨
5．胶体磨
6．纳米气流粉碎 气流磨
球磨 (Milling)
新型日光温室复合材料 温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成
绿可木，生态木塑 复合材料，木塑复
合材料吸音板
复合材料（玻璃 钢）制品
采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑
碳纤维/树脂复合 材料
碳/碳复合材料
生物医学制品和体育运动
复合材料被用来预防受伤， 矫正生理机能，和帮助病人 复原。
生物医学制品和以体育运动器 材为主的碳纤维复合材料制品
• 台湾碳纤维约有3000吨/年的产能。
体育休闲用品应用
山地车
工业应用
这是一个覆盖甚广，内容甚多，也是一个发展最快， 前景最好的应用领域。
1、基础设施领域（混凝土结构加固补强）
基础设施（Infrastructure）系指建筑领域的房屋 、桥梁、隧道、涵洞、地铁及其相关的混凝土工程，其修 复、更新、加固已构成复合材料目前极重要的应用领域。
② 碳纤维增强复合材料 由碳纤维与酚醛、环氧、聚酯、聚四氧乙烯 等树脂组成的复合材料 特点：密度更低，比强度和比模量更高 具有优良的疲劳性能、耐冲击性能、自润滑 性能和耐磨、耐蚀、耐热性能
C-C复合材料 PPT
特点：该法制得的C/C中碳沉积均匀，因而 性能也较均匀。但沉积时间较长，容易使 材料表面产生热裂纹。
6.5 C/C复合材料的应用
世界各国均把C/C复合材料用作先进飞行 器高温区的主要热结构材料，其次是作为 飞机和汽车等的刹车材料。 飞行器中的应用 刹车材料方面应用 其他应用 发展趋势与应用前景
技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体 中。
影响因素：预制体的性质、气源和载气、 温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳 基体的性能及均匀性。
工艺方法：等温法、温度梯度法、差压法。
1）等温法
工艺过程：将预制体放入等温感应炉中加 热，导入碳氢化合物和载气，碳氢化合物 分解后，碳沉积在预制体中。
工艺控制：为使碳均匀沉积，温度应该控 制得使碳氢化合物的扩散速度低于碳的沉 积速度。
热固性树脂：经热解其碳的质量转化率为 50%～60%；
沥青：常压下产碳率为50%左右，在 10MPa氮压和550℃下产碳率可高达90%。
2）低压浸渍
预制件的浸渍：通常在真空下进行，有时 为保证树脂或沥青渗入所有空隙也需施加 一定压力。
固化及碳化：若先驱体为树脂需先固化， 然后碳化。碳化在惰性气氛中进行，温度 范围为650～1100℃；
C/C复合材料：以碳纤维增强碳基体的C/C 复合材料。它除能保持碳（石墨）原来的 优良性能外，又能克服它的缺点，大大提 高了韧性和强度，降低了热膨胀系数，尤 其是因为相对密度小，具有很高的比强度 和比模量。
材料的发展与需求相联系
耐烧蚀材料需求：飞船返回舱和航天飞机 的鼻嘴最高温度分别为1800 ℃和1650℃。 C/C 具有高烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击 和超热环境下具有高强度等优点。可耐受 10000℃的驻点温度，在非氧化环境下可保 持在2000℃以上。是再入环境中高性能的 理想烧蚀材料。
6.5 C/C复合材料的应用
世界各国均把C/C复合材料用作先进飞行 器高温区的主要热结构材料，其次是作为 飞机和汽车等的刹车材料。 飞行器中的应用 刹车材料方面应用 其他应用 发展趋势与应用前景
技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体 中。
影响因素：预制体的性质、气源和载气、 温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳 基体的性能及均匀性。
工艺方法：等温法、温度梯度法、差压法。
1）等温法
工艺过程：将预制体放入等温感应炉中加 热，导入碳氢化合物和载气，碳氢化合物 分解后，碳沉积在预制体中。
工艺控制：为使碳均匀沉积，温度应该控 制得使碳氢化合物的扩散速度低于碳的沉 积速度。
热固性树脂：经热解其碳的质量转化率为 50%～60%；
沥青：常压下产碳率为50%左右，在 10MPa氮压和550℃下产碳率可高达90%。
2）低压浸渍
预制件的浸渍：通常在真空下进行，有时 为保证树脂或沥青渗入所有空隙也需施加 一定压力。
固化及碳化：若先驱体为树脂需先固化， 然后碳化。碳化在惰性气氛中进行，温度 范围为650～1100℃；
C/C复合材料：以碳纤维增强碳基体的C/C 复合材料。它除能保持碳（石墨）原来的 优良性能外，又能克服它的缺点，大大提 高了韧性和强度，降低了热膨胀系数，尤 其是因为相对密度小，具有很高的比强度 和比模量。
材料的发展与需求相联系
耐烧蚀材料需求：飞船返回舱和航天飞机 的鼻嘴最高温度分别为1800 ℃和1650℃。 C/C 具有高烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击 和超热环境下具有高强度等优点。可耐受 10000℃的驻点温度，在非氧化环境下可保 持在2000℃以上。是再入环境中高性能的 理想烧蚀材料。
CC复合材料
碳 增强碳纤维
碳
复
合
树脂碳
材 料
基体碳 沥青碳 热解碳
C/C复合材料在偏光下 的三种基本显微结构
C/C复合材料的性能
1．高温性能好：耐烧蚀 （3000℃ ）；耐高温（升华温度 3800℃）；强度随温度的升高不降反升的独特性能，使其作为 高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统。 2．低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数。 3．耐热冲击、耐烧蚀、耐含固体微粒燃气的冲刷。 4．质量轻，密度为1.65-2.0g/cm3，仅为钢的四分之一。
人工关节
C/C复合材料的制备工艺
制备步骤：预制体的制备→预制体和碳基体的复合 预制体成型---- 编织碳纤维 二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能； 三维编织物：改善层间和垂直面方向性能； 多向编织物：编织成四、五、七、十一向增强的预制体，使 其接近各向同性。
预制体和碳基体的复合
3.高温结构材料
涡轮发动机
用于叶片和活塞, 可明显减轻重量, 提高燃烧室的温度, 大幅度提高热效率。
4．内燃发动机
发动机活塞和活塞环； 高性能密封材料
C/C复合材料因其密度低、优异的摩 擦性能、热膨胀率低,从而有利于控 制活塞与汽缸之间的空隙,目前正在 研究开发用其制活塞。
5．生物医学
(1) 生物相容性好,强度高,耐疲劳,韧性好; (2) 在生物体内稳定,不被腐蚀; (3) 与骨的弹性模量接近,具有良好的生物力学相容性。
碳化、 石墨化
通入HC化 合物气体
加热分解、 沉积
化学气相沉积法
C/C复 合材料
立式化学气相沉积炉
C/C复合材料的展望
今后将以结构C/C复合材料为主，向功能和多功能C/C复 合材料发展；
复合材料ppt课件文字可编辑
铺层优化设计
通过调整复合材料的铺层顺序、纤维方向和厚度分布等参数，实现结构的最优化。
制造工艺优化
针对复合材料的制造工艺进行优化，提高生产效率和产品质量。
试验验证与反馈
对优化后的复合材料结构进行试验验证，并将结果反馈至设计阶段，不断完善和优化设计方案。
优化设计策略探讨
06
CHAPTER
复合材料加工与制造技术
自动铺放技术及应用实例
自动铺放技术概述
自动铺放技术是一种高效、精确的复合材料制造方法，主要包括自动铺带技术和自动铺丝技术。
应用实例
自动铺放技术在航空航天、汽车、船舶等领域具有广泛应用。例如，在航空航天领域，自动铺放技术可用于制造飞机机翼、机身等部件，提高生产效率和产品质量。
树脂传递模塑（RTM）是一种闭模成型技术，将低粘度树脂注入到闭合模具中，浸润增强材料并固化成型。
航空航天领域
汽车工业领域
体育器材领域
分享汽车轻量化设计中的复合材料应用案例，如车身、底盘、发动机罩等部件。
介绍高尔夫球杆、网球拍、自行车车架等体育器材中复合材料的设计与应用。
03案例分享
01
02
03
04
有限元分析
利用有限元分析方法对复合材料结构进行力学性能和热学性能分析，以指导优化设计。
07
CHAPTER
复合材料回收利用与环保问题探讨
当前复合材料回收利用率较低，大量废弃物未得到有效利用。
回收利用率低
复合材料种类繁多，回收处理技术复杂，难以实现高效、低成本回收。
技术挑战
缺乏成熟的复合材料回收市场，回收产业链尚不健全。
市场机制不完善
回收利用现状及挑战
生产成本增加
环保法规的实施导致企业生产成本增加，对产业发展带来一定压力。
通过调整复合材料的铺层顺序、纤维方向和厚度分布等参数，实现结构的最优化。
制造工艺优化
针对复合材料的制造工艺进行优化，提高生产效率和产品质量。
试验验证与反馈
对优化后的复合材料结构进行试验验证，并将结果反馈至设计阶段，不断完善和优化设计方案。
优化设计策略探讨
06
CHAPTER
复合材料加工与制造技术
自动铺放技术及应用实例
自动铺放技术概述
自动铺放技术是一种高效、精确的复合材料制造方法，主要包括自动铺带技术和自动铺丝技术。
应用实例
自动铺放技术在航空航天、汽车、船舶等领域具有广泛应用。例如，在航空航天领域，自动铺放技术可用于制造飞机机翼、机身等部件，提高生产效率和产品质量。
树脂传递模塑（RTM）是一种闭模成型技术，将低粘度树脂注入到闭合模具中，浸润增强材料并固化成型。
航空航天领域
汽车工业领域
体育器材领域
分享汽车轻量化设计中的复合材料应用案例，如车身、底盘、发动机罩等部件。
介绍高尔夫球杆、网球拍、自行车车架等体育器材中复合材料的设计与应用。
03案例分享
01
02
03
04
有限元分析
利用有限元分析方法对复合材料结构进行力学性能和热学性能分析，以指导优化设计。
07
CHAPTER
复合材料回收利用与环保问题探讨
当前复合材料回收利用率较低，大量废弃物未得到有效利用。
回收利用率低
复合材料种类繁多，回收处理技术复杂，难以实现高效、低成本回收。
技术挑战
缺乏成熟的复合材料回收市场，回收产业链尚不健全。
市场机制不完善
回收利用现状及挑战
生产成本增加
环保法规的实施导致企业生产成本增加，对产业发展带来一定压力。
CC复合材料解析
7
高温下的稳 定性比较好
碳/碳复合材料与其他材料温度上升 时比强度的比较
几种材料拉伸比强度的比较
8
碳/碳复合材料和其他材料各种性能的比较
9
• 3 热学及烧蚀性能 碳/碳复合材料导热性能好、 热膨胀 系数低,因而热冲击能力很强,不仅可用于 高温环境, 而且适合温度急剧变化的场合。 其比热容高, 这对于飞机刹车等需要吸收 大量能量的应用场合非常有利。碳/碳复合 材料是一种升华-辐射型烧蚀材料,且烧蚀 均匀。通过表层材料的烧蚀带走大量的热, 可阻止热流传入飞行器内部。因此该材料 被广泛用作宇航领域中的烧蚀防热材料。
碳/碳复合材料的主要制备步骤为： 预制体的成型 致密化处理 石墨化，其中致密化是制备碳/碳复合材 料的关键技术。
12
• 致密化
成型后的预制体含有许多孔隙,密度也低,不 能直接应用,须将炭沉积于预制体,填满其孔隙, 才能成为真正的结构致密、 性能优良的碳/碳复 合材料,此即致密化过程. 传统的致密化工艺大 体分为液相浸渍和化学气相沉积两种。
三、 碳/碳复合材料的性能
• 1 物理性能 碳/碳复合材料在高温热处理后的 化学成分,碳元素高于99%,像石墨一样, 具有耐酸、 碱和盐的化学稳定性。其比 热容大,热导率随石墨化程度的提高而增 大,线膨胀系数随石墨化程度的提高而降 低等。
6
• 2 力学性能 碳/碳复合材料的力学性能主要取决于碳纤 维的种类、 取向、 含量和制备工艺等。单向增 强的碳/碳复合材料,沿碳纤维长度方向的力学性 能比垂直方向高出几十倍。随着温度的升高,碳/ 碳复合材料的强度不仅不会降低,而且比室温下 的强度还要高。一般的碳/碳复合材料的拉伸强 度大于 270MPa, 单向高强度碳/碳复合材料可达 700MPa 以上。在1000 ℃以上,强度最低的 碳/ 碳复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的 高。碳/碳复合材料的断裂韧性较碳材料有极大 的提高,其破坏方式是逐渐破坏, 而不是突然破 坏, 因为基体碳的断裂应力和断裂应变低于碳纤 维。
高温下的稳 定性比较好
碳/碳复合材料与其他材料温度上升 时比强度的比较
几种材料拉伸比强度的比较
8
碳/碳复合材料和其他材料各种性能的比较
9
• 3 热学及烧蚀性能 碳/碳复合材料导热性能好、 热膨胀 系数低,因而热冲击能力很强,不仅可用于 高温环境, 而且适合温度急剧变化的场合。 其比热容高, 这对于飞机刹车等需要吸收 大量能量的应用场合非常有利。碳/碳复合 材料是一种升华-辐射型烧蚀材料,且烧蚀 均匀。通过表层材料的烧蚀带走大量的热, 可阻止热流传入飞行器内部。因此该材料 被广泛用作宇航领域中的烧蚀防热材料。
碳/碳复合材料的主要制备步骤为： 预制体的成型 致密化处理 石墨化，其中致密化是制备碳/碳复合材 料的关键技术。
12
• 致密化
成型后的预制体含有许多孔隙,密度也低,不 能直接应用,须将炭沉积于预制体,填满其孔隙, 才能成为真正的结构致密、 性能优良的碳/碳复 合材料,此即致密化过程. 传统的致密化工艺大 体分为液相浸渍和化学气相沉积两种。
三、 碳/碳复合材料的性能
• 1 物理性能 碳/碳复合材料在高温热处理后的 化学成分,碳元素高于99%,像石墨一样, 具有耐酸、 碱和盐的化学稳定性。其比 热容大,热导率随石墨化程度的提高而增 大,线膨胀系数随石墨化程度的提高而降 低等。
6
• 2 力学性能 碳/碳复合材料的力学性能主要取决于碳纤 维的种类、 取向、 含量和制备工艺等。单向增 强的碳/碳复合材料,沿碳纤维长度方向的力学性 能比垂直方向高出几十倍。随着温度的升高,碳/ 碳复合材料的强度不仅不会降低,而且比室温下 的强度还要高。一般的碳/碳复合材料的拉伸强 度大于 270MPa, 单向高强度碳/碳复合材料可达 700MPa 以上。在1000 ℃以上,强度最低的 碳/ 碳复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的 高。碳/碳复合材料的断裂韧性较碳材料有极大 的提高,其破坏方式是逐渐破坏, 而不是突然破 坏, 因为基体碳的断裂应力和断裂应变低于碳纤 维。
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1）碳纤维碱金属等杂质含量越低越好
C/C的一个重要用途是耐烧蚀材料，钠等碱金属是 碳的氧化催化剂；
当C/C用来制造飞行器烧蚀部件时，飞行器飞行过 程中由于热烧蚀而在尾部形成含钠离子流，易被 探测和跟踪，突防和生存能力受到威胁。
制造C/C的碳纤维碱金属含量要求<100mg/kg，目 前黏胶基碳纤维和PAV基碳纤维（特别是石墨纤 维）碱金属含量均满足要求。碱金属含量 <50mg/kg的超纯碳纤维的研制也正在进行中。
.
3
6.2 C/C复合材料的特性
C/C复合材料的性能与纤维的类型、增强方 向、制造条件以及基体碳的微观结构等密 切相关。
力学性能 热物理性能 烧蚀性能 化学稳定性
.
4
6.2.1 力学性能
➢ C/C复合材料强度与组分材料性质、增强材料的 方向、含量以及纤维与基体界面结合程度有关；
室温强度和模量
的高温力学性能最好的材料。
对热应力不敏感：一旦产生裂纹，不会像石墨和
陶瓷那样严重的力学性能. 损失。
5
6.2.2 物理性能
热膨胀性能低：常温下为-0.4～1.8×10-6/K，仅为 金属材料的1/5～1/10；
导热系数高：室温时约为0.38～0.45 cal/cm·s·℃ （铁：0.13），当温度为1650℃时，降为0.103 cal/cm·s·℃。
.
8
6.2.5 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。
.
9
表6-2 C/C与宇航级石墨ATJ-S性能比较
性能
温度 ℃
密度 24
.
12
2）对性能要求
采用高模量中强或高强中模量碳纤维制造 C/C不仅强度和模量的利用率高，而且具有 优异的热性能。
例如：选用HM（高模量型）MP（中间相）
或MJ系列纤维由于发达的石墨层平面和较
好的择优取向，抗氧化性能不仅优于通用
的乱层石墨结构碳纤维，而且热膨胀系数
小，可减小浸渍碳化过程中产生的收缩以%
抗弯强度 /MPa
24 2500
24 2500
24 2500
24 2500
T-50-221-44 X-y向 Z向
1.9
140 126 280 231 59.4 52.4 40.9 30.5 0.18 0.2 0.2 0.21
142 190
ATJ-5 结晶向 ⊥结晶向
.
2
材料的发展与需求相联系
耐烧蚀材料需求：飞船返回舱和航天飞机 的鼻嘴最高温度分别为1800 ℃和1650℃。 C/C 具有高烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击 和超热环境下具有高强度等优点。可耐受 10000℃的驻点温度，在非氧化环境下可保 持在2000℃以上。是再入环境中高性能的 理想烧蚀材料。
高温耐磨材料需求：C/C是唯一能在极高温 度下使用的摩阻材料，且密度仅为1.7～1.9。
1.83
39.6 30.5
54.3 43.4
11.7
7.8
11.2
7.4
0.45 0.54
2.0
2.2
42.7 38.2
70.4 68.5
•T-50-221-44为三向正交细编C/C复合材料
.
10
6.3 C/C用组分材料选择
C/C用碳纤维选择 C/C的基体前驱体
.
11
6.3.1 C/C用碳纤维选择
及减少因收缩而产生的裂纹，使整体的综
合性能得到提高。
.
13
3）对碳纤维表面处理及界面特性的要求
➢ 碳纤维表面处理对C/C有显著的影响
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；当基体的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传 播方向，或界面剥离吸收掉集中的应力， 从而使碳纤维免受损伤而充分发挥其增强 作用，使C/C强度提高。
烧蚀性能：在高温高压气流冲刷下，通过材 料发生的热解、气化、融化、升华、辐射等 物理和化学过程，将材料表面的质量迁移带 走大量的热量，达到耐高温的目的。
C/C的升华温度高达3600℃，在这样的高温 度下，通过表面升华、辐射除去大量热量， 使传递到材料内部的热量相应地减少。
表6-1 不同材料的有效烧蚀热的比较
.
7
6.2.4 化学稳定性
C/C除含有少量的氢、氮和微量金属元素外， 几乎99%以上都是元素C，因此它具有和C 一样的化学稳定性。
耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和 盐的化学稳定性；
氧化性能：C/C在常温下不与氧作用，开始 氧化温度为400℃，高于600℃会严重氧化。 提高其耐氧化性方法—成型时加入抗氧化 物质或表面加碳化硅涂层。
一般C/C：拉伸强度>270GPa、弹性模量>69GPa
先进C/C：强度>349MPa，其中单向高强度C/C可 达700MPa。（通用钢材强度500～600MPa）
高温力学性能：室温强度可以保持到2500℃，在 1000℃以上时，强度最低的C/C的比强度也较耐热 合金和陶瓷材料的高，是当今在太空环境下使用
第六章 C/C复合材料
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；
C/C复合材料的特性；
C/C复合材料的原材料；
C/C复合材料成型加工方法；
C/C复合材料应用。
.
1
6.1 C/C复合材料的发展
石墨：具有耐高温、抗热震、导热好、弹 性模量高、耐磨、化学惰性以及强度随温 度升高而增加等性能，是优异的适合于惰 性气体环境和烧蚀环境的高温材料。但韧 性差，对裂纹敏感。
C/C复合材料：以碳纤维增强碳基体的C/C 复合材料。它除能保持碳（石墨）原来的 优良性能外，又能克服它的缺点，大大提 高了韧性和强度，降低了热膨胀系数，尤 其是因为相对密度小，具有很高的比强度 和比模量。
比热高：其值随温度上升而增大，因而能储存大 量的热能，室温比能约为0.3 kcal/kg·℃（铁： 0.11）,1930℃时为0.5 kcal/kg·℃。
密度：<1.7～1.9；
熔点：4100℃。
耐磨性：摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损性 能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。
.
6
6.2.3 烧蚀性能