碳碳复合材料剖析

2020/10/7
2.制备工艺
2.1碳/碳复合材料成型加工方法
碳纤维成型物
CVD渗透
预浸物
浸渍树脂戍 沥青
热压成型
碳化
碳/碳复合材料
短纤维与沥 青或 树脂 混合物
碳纤维成 型物
.
石墨化的碳/碳 复合材料
石墨化
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• 碳化（carbonization） 将上述成形物在隔绝 空气下热分解为碳和 其他产物。
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液相浸渍碳化法
• 液相浸渍法设备比较简单，适用性广泛， 它是将碳纤制成的预成型体浸入液态的浸 渍剂中，通过加压使浸渍剂充分渗入到预 成型体的空隙中，再通过固化 碳化石墨化 等一系列过程的循环，最终得到复合材料。
• 缺点是要经过反复多次浸渍碳化的循环才 能达到密度要求。优点是技术简单，容易 制得尺寸稳定的制品。
• 主要包括：化学气相法（CVD） 液相浸渍碳化法
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化学气相法（CVD）
• 化学气相法是直接在坯体孔内沉积碳，以 达到填孔和增密的目的。
• 化学气相法包括脉冲法，等温法、热梯度 法、压差法、等离子体辅助CVD法等。
• 优点是沉碳易石墨化，且与纤维之间的物 理兼容性好，易于获得性能良好的碳/碳复 合材料。缺点是制备周期太长，生产效率 低，对于厚制品， 此法也存在着一定的困 难。
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3.碳/碳复合材料存在的不足
• 高温氧化性气氛下极易氧化 • 碳复合材料生产的成本较高大 • 尺寸制造工艺也有待提高
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4.碳/碳复合材料应用
明显看出，对碳材料的需求逐年增加
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暴风雪，薄壳抗氧化，防热
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• 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。因此可以被用作航天 航空材料和刹车片材料。
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摩擦磨损性能 • 碳/碳复合材料中碳纤维的微观组织为乱层
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2D 生产成本低 在平行于布层的方 向拉伸强度较高容 易制成大尺寸形状 复杂的部件 3D 及多向编织具 有更好的结构完整 性和各向同性
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2.3 坯体的致密化工艺
• 碳/碳复合材料坯体致密化是向坯体中引入 碳基体的过程，实质是用高质量的碳填满 碳纤维周围的空隙。以获得结构、性能优 良的碳/碳复合材料。
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2.1.1碳纤维和基体先驱物的选择
• 碳纤维的选择常基于所设计材料的用途和 使用环境。现在常用的碳纤维有三种，人 造丝碳纤维,聚丙烯腈(PAN) 碳纤维和沥青碳 纤维。
• 碳基体可以从很多碳源采用不同的方法获 得，典型的基体有树脂碳和热解碳，前者 是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得， 后者由烃类气体的气相沉积而成。
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热梯度法
• 热梯度法与均热流 类似，其过程也受 气体扩散所支配， 但因炉压较高，铅 坯体厚度方向可形 成一定的温差
• 沉积周期短，制品 密度高，性能比均 热法更好。但重复 性差
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压差法
沿坯体厚度方向造 成一定的压力差， 反应气体被强行通 过多孔坯体 沉积速度快，渗透 时间较短，沉积的 碳也较均匀，适用 于外部透气性低的 部件
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2.2.2碳/碳复合材料坯体的成型
• 在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤 维或其织物应预先成型为一种坯体。坯体 可通过长纤维（或带）缠绕、碳毡、短纤 维模压或喷射成型、石墨布叠层的方向石 墨纤维针刺增强以及多向织物等方法制得
• 多向织物是研究的的重点，目前以三向织 物为主，三向织物的细编程度越高，碳/碳 复合材料的性能也就越好
• 性质：密度低、高比强度，比模量高、热 传导性低、热膨胀系数断裂韧性好、耐磨、 耐烧蚀。对宇宙辐射不敏感及在核辐射下 强度增加等性能，是所有已知材料中耐高 温性最好的材料。
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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。
• 石墨化：利用热活化 将热力学不稳定的炭 原子实现由乱层结构 向石墨晶体结构的有 序转化。
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石墨化原因
碳元素其外部电子结构有 两种:一种是Sp3杂化轨道，金 刚石结构 ,C一C 间为 σ键。一 种是SP2杂化,形成石墨片状结 构,同一层中C一C 为σ键层与层 之间是π键。
σ键很短很强，键长约0.142nm 结合力很强，π键相对较弱。
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由上可知：
• σ键很短很强，π键相对较弱。因而导致了石 墨碳具有各向异性，但沿层面方向具有优异 的电、热和力学性能，通常情况下由于π键 较弱,往往导致层与层间的堆垛不规则或无序 ，形成多晶碳。
• 由于石墨碳的优异性能源于其有序的结构,因 而将无序结构转变为有序结构是碳/ 碳复合 材料制造与应用中非常关键。往往采用热处 理等他能量输入的方法进行石墨化转变。
石墨结构, 其摩擦系数比石墨高, 特别是它 的高温性能特点, 在高速高能量条件下摩擦 升温高达1000 C 以上时, 其摩擦性能仍然保 持平稳, 因此可用作刹车片材料。
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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。碳/ 碳复合材料的高强高模特性来自碳纤维, 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。
碳/碳复合材料
戴凡 12206030405
应我化的四工班作展望 My job perspective
主要内容
碳碳/碳复合材料简介 碳/碳复合材料制备工艺 碳/碳复合材料存在的不足 碳/碳复合材料应用及展望
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1. 简介
• 定义：碳/碳复合材料是指以碳纤维作为增 强体，以碳作为基体的一类复合材料。