4.5 碳碳复合材料的制备方法.ppt
碳碳复合材料
二、碳/碳复合材料的应用
C/C复合材料作为刹车盘
二、碳／碳复合材料的应用
2. 先进飞行器 导弹、载人飞船、航天飞机等，在再入环境时飞行器头 部受到强激波，对头部产生很大的压力，其最苛刻部位 温度可达2760℃，所以必须选择能够承受再入环境苛刻 条件的材料。 设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能 量仅为整个热量1%～10%左右。对导弹的端头帽也要 求防热材料，在再入环境中烧蚀量低，且烧蚀均匀对称, 同时希望它具有吸波能力、抗核爆辐射性能和全天候使 用的性能。 三维编织的C/ C复合材料，其石墨化后的热导性足以满 足弹头再入时由160℃气动加热至1700℃时的热冲击要 求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏； 其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头 上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/C 复合材料还可 作热防护材料用于航天飞机。
碳／碳复合材料CVD工艺
在CVD过程中特殊问题--防止预成型体封口。 在工艺参量控制时应使反应气体和反应生成气 体的扩散速度大于沉积速度。
预成型体和基体碳
碳／碳复合材料制备的基本思路 先将碳增强材料预先制成预成型体，然后再以基体碳填充， 逐渐形成致密的C/C复合材料。 预成型体是一个多孔体系，含有大量孔隙，即使是在用成束 碳纤维编织的预成型体中，纤维束中的纤维之间仍含有大量 的孔隙。
二、碳／碳复合材料的应用
C/C在航天领域中的应用
二、碳/碳复合材料的应用
二、碳／碳复合材料的应用
3. 固体火箭发动机喷管上的应用 C/C 复合材料自上世纪70 年代首次作为固体火箭发动机 (SRM) 喉衬飞行成功以来，极大地推动了固体火箭发动 机喷管材料的发展。 采用 C/C 复合材料的喉衬、扩张段、延伸出口锥，具有 极低的烧蚀率和良好的烧蚀轮廓, 可提高喷管效率1 %～ 3%，即可大大提高固体火箭发动机的比冲。 喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基C/C复合材料, 增强体多为整体针刺碳毡、多向编织结构等，并在表面 涂覆SiC以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。 美国在此方面的应用有：①“民兵2Ⅲ”导弹发动机第三 级的喷管喉衬材料； ②“北极星”A27 发动机喷管的收 敛段;③MX 导弹第三级发动机的可延伸出口锥(三维编织 薄壁 C/C 复合材料制品)。 俄罗斯用在潜地导弹发动机的喷管延伸锥(三维编织薄壁 C/C复合材料制品) 。
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
碳碳复合材料的制备及研究进展
炭/ 炭复合材料的制备及研究进展摘要：综合国内外各种文献资料，总结了炭炭复合材料的用途、制备工艺，简要介绍了几种主要的致密化方法，并对炭炭复合材料的抗氧化研究、石墨化研究做了初步的介绍，最后提出了炭炭复合材料今后发展的方向.关键词：炭炭复合材料，致密化，化学气相沉积，抗氧化，石墨化.1 引言炭/ 炭复合材料是具有优异耐高温性能的结构与功能一体化工程材料。
它和其它高性能复合材料相同, 是由纤维增强相和基体相组成的一种复合结构, 不同之处是增强相和基体相均由具有特殊性能的纯碳组成[1-2]。
炭/ 炭复合材料具有低密度、高强度、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2 000 C 以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性（组织成分及力学性能上均相容）、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能[1-3], 使炭/ 炭复合材料在众多领域有着广泛用途。
在发达国家，炭/ 炭复合材料已被成功用于航天飞机的机翼前缘、鼻锥、货舱门，高推动比战机发动机的涡轮，高性能火箭发动机喷管、喉衬、燃烧室等，新一代先进飞机、坦克、赛车、高速列车等的刹车材料，以及火箭、飞机的密封圈等构件[4]，同时，炭/ 炭复合材料作为生物医学材料，人造心脏瓣膜、人工骨、牙种植体及作为植入材料用于矫形是近年来的研究重点[5-7]; 作为智能材料，由于其受拉力后电阻增加，是很好的拉伸传感器，具有广阔的发展前景[8]。
炭/炭复合材料由碳纤维增强碳基体复合而成。
碳基体以热解炭的形式存在，由碳源先驱体经热解碳化而成。
炭/炭复合材料的制备工艺包括: 碳纤维及其结构的选择; 基体碳先驱物的选择; 炭/炭复合材料坯体的成型工艺; 坯体的致密化工艺以及工序间和最终产品的加工等[9]。
其中，关键技术在于坯体的致密化。
2 炭/炭复合材料的致密化工艺传统的炭/炭复合材料致密化工艺主要有化学气相沉积（CVD、化学气相渗透（CVI）和浸渍法。
碳碳复合材料的制备方法
碳碳复合材料的制备方法
碳碳复合材料的制备方法主要包括以下步骤：
增强纤维及其织物的选择：碳纤维束的选择和纤维织物的结构设计是制造C/C复合材料的基础，通过合理选择纤维种类和织物的编制参数，可以决定C/C复合材料的力学性能和热物理性能。
碳纤维预制坯体的制备：预制坯体是指按产品形状和性能要求先把纤维成型为所需结构形状的毛坯，以便进行致密化工艺。
目前C复合材料主要使用的编织工艺是三维整体多向编织，编织过程中所有编织纤维按照一定的方向排列，每根纤维沿着自己的方向偏移一定的角度互相交织构成织物，其特点是可以成型三维多向整体织物，可以有效的控制C/C复合材料各个方向上纤维的体积含量，使得C/C复合材料在各个方向发挥合理的力学性能。
C/C的致密化工艺：致密化程度和效率主要受织物结构、基体材料工艺参数的影响。
目前使用的工艺方法有浸渍碳化、化学气相沉积（CVD）、化学气相渗透（CVI）、化学液相沉积、热解等方法。
主要使用的工艺方法有两大类：浸渍碳化工艺和化学气渗透工艺。
cc复合材料
（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。
CC复合材料(1)(详细分析：复合材料)共5张PPT
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。
碳-碳复合材料的制备方法
碳-碳复合材料的制备方法1. 碳-碳复合材料的制备方法碳-碳复合材料是一类具有优异性能的新型材料，常用于热学性能及高温抗烧结性能之外的特殊应用。
它具有高强度、高热稳定性、低模量和良好的耐化学腐蚀性，并且可以设计成各种复杂形状，因此被广泛应用于航空、航天等高科技行业中。
碳-碳复合材料的制备一般包括集成复合物的各个组成部分的制备以及它们的组装联结等，而这些制备和组装工艺又被称为“复合工艺”。
基本来说，碳-碳复合材料由一系列由碳和其它修饰材料组成的复合物组成，这是由溶液法、烧结法、粉末冶金法、直接快速植入方法以及功能介层固化法等多种工艺组合而成的。
溶液法是碳复合材料制备方法中最常用的一种，主要由三个步骤组成：碳基物制备、碳基物成型和碳基物焙烧。
在此过程中，主要利用溶剂来分解有机物，如碳化硅、苯乙烯等，然后向浆状物中添加适量的碳，最后经过热处理使之形成碳复合材料。
此方法具有成本低、效率高、便于控制碳/粘结剂结构关系等优点，因此在航空航天等行业中被广泛应用。
烧结法是另一种非常常用的碳复合材料制备工艺，主要由三个基本步骤组成：碳基物成型、焙烧和共烧，其中烧结过程基本上是由碳基物材料与焙烧助剂、聚分散剂等组成的混合物经过热反应后形成碳复合材料的一系列烧结步骤。
由于不存在溶剂抽提过程，保留的焦炭少、结构紧密、充分反映基物材料的性能特性，因此在生产过程中可以充分发挥出基物材料的最大潜力，为碳复合材料提供更好的性能。
功能介层固化法是将固体和液体介质固体化的一种新方法，这类固体化工艺把多种固体介质及/或液体溶剂在功能介质的介层中形成固相复合，因此可以在不改变碳基物特性的情况下控制碳基物成型，并获得良好的成膜性能。
这种方法的应用非常宽泛，不仅用于碳-碳复合材料的制备，还可用于各类非金属材料的制备，为复杂结构材料的制备建立了新的技术基础。
以上就是关于碳-碳复合材料制备方法的一些概要介绍。
这类复合材料具有一定特殊性能，被广泛应用于航空航天等行业，但其制备工艺仍有许多发展空间，因而有许多研究者们不断探究改进方法以提高其性能，从而扩大碳-碳复合材料的使用范围。
碳纤维复合材料
6.5.1 先进飞行器上应用
作为高性能的重返大气层飞行器的鼻嘴和 热屏蔽材料，先进的推进装置的耐冲蚀、 尺寸稳定和热稳定材料。 表6-7 C/C在航天飞机上的应用 表6-8 C/C在战略导弹上的应用。
体时应考虑下列特性-黏度、碳收获率、碳 的微观结构和晶体结构。通常有热固性树 脂和沥青两大类。其中常用的有酚醛树脂 和呋喃树脂以及煤焦油沥青和石油沥青。 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%。
24 2500
142 190
42.7 70.4
38.2 68.5
•T-50-221-44为三向正交细编C/C复合材料
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
6.3.1 C/C用碳纤维选择
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。
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· ℃。 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。
碳碳复合材料制备方法
碳碳复合材料制备方法
碳碳复合材料是一种由碳纤维增强体和碳基质组成的高性能复合材料，因其卓越的高温性能、高强度重量比以及良好的耐磨损和抗热震性，在航空航天、核能、汽车工业等领域有着广泛应用。
制备碳碳复合材料的方法主要有以下几种：
1.液相浸渍-炭化法：
-步骤包括：首先选择合适的碳纤维预制件（如编织布、层压板或三维编织结构），然后将其浸入树脂或其他碳前驱体溶液中进行渗透。
-接着在惰性气氛下经过预氧化处理，将树脂转化为中间相炭素或其他炭质物质。
-最后通过多级高温炭化过程，逐步去除非碳元素，使碳纤维与基质紧密结合，形成连续的碳网络。
2.热解化学气相沉积法：
-在该方法中，碳纤维预制件置于反应腔内，并通入含碳气体（如甲烷、丙烯等）。
-当气体在纤维预制件内部扩散并吸附于纤维表面时，会在高温条件下分解并在预制件内部沉积成碳，从而逐渐填充空隙形成连续的碳基质。
3.热压烧结法：
-该方法通常用于制备短切碳纤维/石墨粉末复合材料。
-首先将碳纤维和石墨粉混合均匀，然后放入模具中，在高温高压下直接进行烧结，使得纤维和粉末之间实现致密化连接。
4.碳源熔融渗透法：
-使用碳源（如聚丙烯腈、沥青等）熔融后渗透到碳纤维预制体中，随后经过一系列热处理得到碳碳复合材料。
5.真空袋灌注成型技术结合以上浸渍工艺：
-采用真空袋技术可以提高液相浸渍过程中树脂或碳前驱体的渗透效率。
碳碳复合材料讲解
03
飞机刹车 材料关键
技术
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料预制体成型技术 C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术 C/C复合飞机刹车材料的氧化防护技术 C/C复合飞机刹车材料再生修复技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C/C复合材料产业现状
03
C/C复合飞机刹车材料预制体成型技术
预制体是C/C复合材料的增强骨架，它直接决定或影响着后续制备复合 材料的力学、热物理和摩擦等性能。
03
①先进碳/ 碳复合飞机刹车材料关键技术研究
先进碳/碳复合材料是我国大型飞机和高性能军机的关键刹车材料，碳/ 碳（C/C）复合材料刹车盘（简称碳盘）是飞机刹车装置普遍使用的关键器材， 它不仅是一种摩擦元件，而且是一种热库和结构元件。碳盘替换传统的钢刹 车盘可以获得明显减重以及大幅度进步刹车盘性能和使用寿命的效果，因此， 自从20世纪70年代装机首飞成功以来，目前国际上已有100余种大中型民航 客 机和先进军机采用了碳刹车技术，是否采用碳刹车装置已成为衡量现代航 空 机轮水平的重要标志之一。
03
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术
为了解决制备周期长这一关键题目，国外进行了大量的研发工作。 早在1994年，美国Textron公司报道，他们研发的高效工艺能在8h内制 备出碳盘样品，但主要题目是该方法一炉只能制备一个样品，至今仍未 能实现工程化。Vaidyaraman S等人研究的强制活动热梯度法能使沉积 速率进步12～30倍，但仅适用于制备外形简单的小样品（直径小于 100mm，厚度小于10mm），同样一炉只能制备一个样品，仍然无法
03
C/C复合材料产业现状
C/C复合飞机刹车材料快速致密化技术
化学气相沉积制备碳碳复合材料
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种重要的制备碳碳复合材料（C/C）的方法。
碳碳复合材料具有优异的高温性能和抗氧化性能，因此在航空航天和汽车制造等领域有着广泛的应用。
本文将介绍化学气相沉积制备碳碳复合材料的原理、工艺及其在工程领域的应用。
一、碳碳复合材料的特点1. 高温性能：碳碳复合材料具有优异的高温强度和稳定性，在高温下依然能够保持较好的力学性能。
2. 抗氧化性能：碳碳复合材料在高温氧化条件下依然能够保持较好的性能，不易氧化。
3. 导热性能：碳碳复合材料具有优异的导热性能，能够有效传导热量。
4. 轻质高强：碳碳复合材料具有较低的密度和较高的强度，是一种优秀的结构材料。
二、化学气相沉积制备碳碳复合材料的原理化学气相沉积是一种将气态前体物质经化学反应沉积到基底表面上形成薄膜或者块体材料的方法。
在制备碳碳复合材料中，通过该方法可以实现碳元素在高温条件下的重复沉积，形成高纯度的碳碳复合材料。
1. 原料气体的选择：一般采用含碳气体作为原料气体，如甲烷、乙烷等，同时还需要控制供气速率和混合气的比例。
2. 反应机理：原料气体在高温条件下发生裂解或氧化等反应，产生碳原子或碳烷基自由基。
这些自由基在基底表面上发生聚合反应，逐渐形成碳碳键，最终形成碳碳复合材料。
3. 控制条件：制备碳碳复合材料需要控制反应温度、反应压力、反应时间等参数，来实现碳元素的高纯度沉积。
三、化学气相沉积制备碳碳复合材料的工艺步骤1. 基底处理：对基底进行表面处理，包括清洗、激活等工艺，以增强基底表面对碳的吸附能力。
2. 原料气体供给：将经过预处理的原料气体供给到反应室内，并在一定的温度和压力条件下进行反应。
3. 沉积过程：原料气体在基底表面发生化学反应，并逐渐形成碳碳复合材料。
4. 后处理工艺：对沉积后的材料进行退火、表面处理等工艺，以提高碳碳复合材料的性能。
四、化学气相沉积制备碳碳复合材料的应用碳碳复合材料由于其优异的性能，在航空航天、汽车制造、船舶制造等领域有着广泛的应用。