炭炭复合材料及其制备

控，以获得满足各种性能要求的热解炭的结构。CVI基体炭由于与纤维
结合紧密、结构可调，因此是制备高性能C/C复合材料的首选方法。
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总结及展望
尽管C/C复合材料有许多优异的性能和如此广阔的用途,
但目前由于价格的原因,其用途仍限制在一些工作条件苛刻的
部位,以及其它材料不能代替的航空航天和军事领域,而且用 得最多的还是飞机的刹车片。因此,为了扩大它在民用领域的 应用,需要在如下两方面继续做出努力: •(1) 研究新的成型工艺,缩短生产周期,降低成本。
•(2)形成规模化生产,与树脂基或陶瓷基复合材料形成一定的
竞争力。
炭/炭复合材料及其制备
炭/炭复合材料及其发展进程
• C/C复合材料是炭纤维增强炭基复合材料的简称，是由纤维增强相和 基体相组成的一种复合结构。 • C/C复合材料是1958年在Chance Vought航空公司实验室偶然得到 的。
• 自七十年代，在美国和欧洲得到很大发展，在制定工艺方面，炭纤维 多向编制技术、高压液相浸渍工艺及化学气相浸渗法（CVI）为有效 得到高密度的 C/C复合材料提供了工艺基础，开辟了其制造、批量生 产和应用的广阔前景。 • 八十年代以来，C/C复合材料的研究极为活跃，前苏联、日本等国也 都进入了这一先进领域，在提高性能、快速致密化工艺研究以及扩大 其应用等方面取得了很大进展，成为新世纪的关键新材料之一。
制体和长短纤维复合增强预制体。
炭/炭复合材料的制备
炭纤维预制体的致密化决定了制备C/C复合材料的成本 和性能。致密化过程中的关键因素为： 一、速率和效率：即如何在尽可能短的时间里和用尽可能低 的成本获得尽可能高的密度；
二、基体炭的结构：即得到的基体炭结构应满足使用要求；
三、材料密度和基体炭结构的均匀性。 实用的C/C复合材料均应满足以上几点。一般常用致密 化工艺有液相浸渍工艺和化学气相渗透(CVI)工艺。
炭/炭复合材料的制备
一、液相浸渍工艺： 液相浸渍工艺是将碳纤维预制体置于树脂或沥青等有机物中进行浸 渍，并用热处理方法在惰性气氛中将有机物炭化的过程。为使浸渍剂的 炭转化率高且结构缺陷少，要求含炭有机物应具备如下要求： 1、残炭率高，减少浸渍炭化次数，减少炭化过程的收缩； 2、炭化时应有低的蒸汽压，使分解形成的低分子产物并不挥发掉，而是
炭/炭复合材料的主要性能特点及其应用
3. 航空发动机上的应用: C/C复合材料能在高温下长时间稳定可靠地工作，用这种材料制造的 涡轮发动机叶片代表着当前C/C复合材料的工艺水平。 4. 生物医学上的应用: 碳元素有良好的生物相容性，C/C 复合材料承继了这种特性，可作为 牢固的材料用作高应力下的外科植入物，现已成功的在人体内植入了 C/C复合材料制造的人工关节。 5. 其它方面的应用: 如C/C复合材料可以用于制造核反应堆中的无线电频率限幅器、卫星 上的通讯反射器、内燃机的活塞、高温玻璃控制工具、高温紧固件、 热压模、超塑性金属模具以及体育器材等。
炭/炭复合材料的制备
炭纤维或其织物预制增强体
制 备 流 程 及 工 艺
热固性树脂 浸渍、固化
化学气相沉积 Fra Baidu bibliotekCVD或CVI）
沥青浸渍
炭化 900-1500℃
C/C复合材料
炭化 1000℃
石墨化处理 （2100-2800℃）
C/C复合材料
炭/炭复合材料的制备
• 炭纤维是制造C/C复合材料最主要的原材料之一。常用炭纤维有聚丙 烯腈(PAN)炭纤维和沥青基(Pitch)炭纤维,聚丙烯腈基炭纤维应用最 为广泛。 • 炭纤维的选择主要基于所设计的复合材料的应用和工作环境，用于增 强C/C复合材料的纤维有多种，对重要的结构选用高强、高模纤维； 对导热系数要求低则选用低模量炭纤维。 • 预制体是指按照产品的形状和性能要求，把炭纤维预先制成所需形状 的毛坯。一般按增强方式分为短纤维增强预制体、连续长纤维增强预
炭/炭复合材料的主要性能特点及其应用
一、C/C复合材料的主要性能特点： 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2000℃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。 二、C/C复合材料的主要应用领域 1. 刹车制动中的应用： C/C复合材料是理想的摩擦材料。大部分军用和民用飞机及一些高级赛车均 采用C/C复合材料制造刹车装置。世界上生产的 C/C复合材料中按体积计算有63% 用于制造飞机的刹车装置。 2. 航天领域上的应用： 航空器在受热最严峻的部位一般采用C/C复合材料制造，如固体火箭发动机 的喷管、导弹鼻锥帽，这些部件的工作温度高达3000℃。
进一步环化。
3、炭化不应过早地转变为坚硬的固态。 4、固化后树脂、沥青的热变形温度高。 5、固化、炭化时不易封闭坯体的孔隙通道。
炭/炭复合材料的制备
二、化学气相渗透(CVI)工艺：
向 焦 混 废 减压阀 油 内部空间进行沉积的涂层工艺。 CVI工艺过程是把预制体置于专用 CVI炉 气 气 捕 罐 管 集 道 中，加热至所需温度，通入碳源气体 如CH4、C3H6 等 )进行热解沉积， 器 CVI( 炉 流量计 (CVI)工艺是一种在控制条件下向多孔的炭纤维预制体 化学气相渗透 通
以填充炭纤维预制体中的孔隙的过程。 CVI工艺增密过程中，炭纤维成 碳 稀
真空阀 源 释 气 气 为了热解炭生长的天然核心，二者之间结合得非常紧密 ,而且随着沉积的 针形阀 真空泵 体 体
进行，热解炭通过桥接把纤维连为一体，使整个坯体形成一个高强高模 的材料实体；其次，CVI热解炭的微观结构可以通过调节工艺参数来调