第七章CC复合材料
《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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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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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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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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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
(整理)CC复合材料的制备及方法.
C/C复合材料的制备及方法地点：山西大同大学炭研究所时间：5.31——6.3学习内容：一、C/C复合材料简述C/C复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料，以碳为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。
优点：抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐射，易加工和制造，重量轻。
缺点：非轴向力学性能差，破坏应变低，空洞含量高，纤维与基体结合差，抗氧化性能差，制造加工周期长，设计方法复杂。
二、C/C复合材料的成型技术化学气相沉积法气相沉积法（CVD法）：将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、液化天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在预制体中。
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：温度梯度法温度梯度法工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。
接近感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。
温度梯度法的设备如下图：三、预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。
二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；如制备的氧化石墨烯和石墨烯三维编织物：改善层间和垂直面方向性能；如热解炭四、C/C的基体的获得C/C的基体材料主要有热解碳和浸渍碳两种。
热解碳的前驱体：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烃等；大同大学炭研究所使用的是液化天燃气。
浸渍碳的前驱体：主要有沥青和树脂五、预制体和碳基体的复合碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密化，以实现预制体和碳基体的复合。
渗碳方法：化学气相沉积法。
基本要求：基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。
化学气相沉积法制备工艺流程：碳纤维预制体→通入C、H化合物气体→加热分解、沉积→C/C复合材料。
CC复合材料PPT优秀资料
成型方法很多，其工艺过程大致归纳为以下几种方法： 2 C/C复合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。
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树/脂C复浸合渍材碳料是的经纤基高体温维前生与驱成体的树，脂通常预产浸碳率料较高，但难以石墨化热，压且电制阻坯率高，热导率差，最终碳生成化的石墨为各向异C性/的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
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。
9.2 C/C复合材料的制备
成型方法很多，其工艺过程大致归纳为以下几种
方法： 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。
沥青浸渍碳通常于低压或常压下残余碳，因而产碳率较低，但易于石墨化，最终生成的石墨为各向同性的，其电阻率低，热导性好，
模量高。
碳纤维成型物（碳毡、碳布、碳纤维缠绕、碳纤维多向编织物）
热解碳原料来碳源丰纤富维，质成量型可靠物，（品种碳多毡，且、成本低，选材范围广。
CVD渗透
碳但纤是维 C/C成复型合物材碳（料碳布不毡能、、在碳碳氧布化纤、性碳维气纤氛缠维中缠绕耐绕受、、高碳温纤，维因多此向关编于织C物/C）复合材料的抗氧化研究是一个重点内容。 热解碳原料来碳源丰纤富维，质多量向可靠编，织品种物多），且成本低，选材范围广。
cc复合材料
cc复合材料
CC复合材料。
CC复合材料是一种由两种或两种以上不同性质的材料组合而成的新型材料，
具有优异的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程等领域。
它的出现不仅提高了产品的性能和质量，还大大降低了生产成本，具有广阔的发展前景。
首先，CC复合材料具有优异的机械性能。
相比于传统材料，CC复合材料的强
度和刚度更高，同时具有较低的密度，因此在航空航天领域得到了广泛应用。
它不仅可以减轻飞机、火箭等载具的重量，还能够提高其飞行速度和燃油效率，降低运行成本，为航空航天事业的发展做出了重要贡献。
其次，CC复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
在海洋工程、化工设备等领域，
材料常常需要长期暴露在潮湿、腐蚀性环境中，传统材料容易受到腐蚀而失效，而CC复合材料能够很好地抵抗腐蚀，保持稳定的性能，因此在这些领域有着广泛的
应用前景。
另外，CC复合材料还具有优异的导热性能和电磁性能。
在电子产品、通信设
备等领域，要求材料具有良好的导热和屏蔽性能，以保证设备的正常运行和通信质量，而CC复合材料能够满足这些要求，因此在这些领域也有着广泛的应用。
总的来说，CC复合材料具有优异的综合性能，被广泛应用于各个领域，为相
关行业的发展带来了巨大的推动力。
随着科技的不断进步和材料工艺的不断改进，相信CC复合材料的应用领域会越来越广，性能会越来越优越，为人类创造出更多
的奇迹。
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
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。
涡轮发动机
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。
浸渍热固 性树脂
碳化、 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；
在编制技术方面：由单向朝多向发展； 机械针织技术方面：由简单机械向高度机械化、微机化
和计算机程控全自动化发展； 应用方面：由先进飞行器向普通航空和汽车、非航天高
C/C复合材料的用途
1．刹车领域的应用
C/C复合材料刹车盘的实验性研究于上世纪1973年第一次用于飞 机刹车。一半以上的C/C复合材料用做飞机刹车装置。
1.重量轻、耐温高 2.比热容比钢高2. 5 倍 3.同金属刹车相比可节省40 % 的结构重量 4.碳刹车盘的使用寿命是金属的5~7倍 5.刹车力矩平稳，刹车时噪声小
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。
CC复合材料的制备及方法
C/C复合材料的制备及方法地点：山西大同大学炭研究所时间：5.31——6.3学习内容：一、C/C复合材料简述C/C复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料，以碳为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。
优点：抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐射，易加工和制造，重量轻。
缺点：非轴向力学性能差，破坏应变低，空洞含量高，纤维与基体结合差，抗氧化性能差，制造加工周期长，设计方法复杂。
二、C/C复合材料的成型技术化学气相沉积法气相沉积法（CVD法）：将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、液化天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在预制体中。
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：温度梯度法温度梯度法工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。
接近感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。
温度梯度法的设备如下图：三、预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。
二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；如制备的氧化石墨烯和石墨烯三维编织物：改善层间和垂直面方向性能；如热解炭四、C/C的基体的获得C/C的基体材料主要有热解碳和浸渍碳两种。
热解碳的前驱体：主要有甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和乙烯以及低分子芳烃等；大同大学炭研究所使用的是液化天燃气。
浸渍碳的前驱体：主要有沥青和树脂五、预制体和碳基体的复合碳纤维编织预制体是空虚的，需向内渗碳使其致密化，以实现预制体和碳基体的复合。
渗碳方法：化学气相沉积法。
基本要求：基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。
化学气相沉积法制备工艺流程：碳纤维预制体→通入C、H化合物气体→加热分解、沉积→C/C复合材料。
cc复合材料
沉积碳
沉积碳是含碳的烷，烯， 炔类有机化合物前驱体，经 热解后沉积在预制体碳纤维 上的碳。 在C-C复合材料中采用 CVD/CVI工艺时，多采用 的CVD碳的前驱体多为甲烷 丙烷，乙烯，丙烯或乙炔，有 的还采用天然气作为前驱体。 在液相气化CVD(CLVD) 则采用煤油等含碳前驱体。
沉积碳
沉积碳是通过CVD/CVI将热解碳沉积在预制体碳纤维表面，并不断沉 积增厚。CVD/CVI工艺原理可有以下过程：
＊ 预制体（preform,或预成型体）是采用编织方式成 2维，3 维或多维，带30%~70%孔隙的碳纤维层，板，体等形状。 也可以用浸渍树脂或沥青的碳纤维直接进行编织。有些是 采用编织好的层状（2维）或碳毡迭层，并在Z向进行穿刺 制成碳纤维预制体。
总之，C-C复合材料的性能，形状取决于预制体的形状和 碳纤维的分布方式。
压力梯度工艺:
压力梯度 CVD工艺是利用反应气体通过预制体时的强制流动，预制体对流动 气体产生阻力，在预制体上下，内外形成压力梯度。
工艺特点： 随着反应气体压力的增加，扩散速度及反应速度加快，沉积速度加快
孔隙开口端由于气体流动加快后，不易密封，并随着孔隙沉积碳的不断沉积 填充，预制体上下，内外的压力梯度增大
应用及发展
碳/碳复合材料由于其独特的性能，已广泛应用于 航空航天、汽车工业、医学等领域，碳碳复合材 料的发展主要受宇航工业发展的影响。它具有高 的灼烧热，低的烧蚀率抗热冲击和超热环境下具 有高强度等一系列优点，被认为是一种高性能的 的烧蚀材料。 除此之外，还广泛应用于汽车工业，医学等领域。
碳碳复合材料坩埚
等温法 压力梯度法 温度梯度法 化学液气相沉积法
cc复合材料
7.2.3 烧蚀性能
• 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7-1 不同材料的有效烧蚀热的比较
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 及减少因收缩而产生的裂纹，使整体的综 合性能得到提高。
7.2.5 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。
表7-2 C/C与宇航级石墨ATJ-S性能比较
性能 温度 ℃ T-50-221-44 X-y向 Z向 结晶向 ATJ-5 ⊥结晶向
煤沥青 93.3 酚醛树脂 79.2
9.7
4.4 5.7
0.61
1 26.4
4.39
0.3
41.9
63.6 50
甲烷
乙烷 丁烷
75
80 82.8
25
20 17.2
20
25 28.6
乙烯
丙烯
85.7
85.7
14.3
14.3
33.3
cc复合材料的氧化烧蚀与应用
I. 研究重点在于设计致密化工艺来控制C/C复合材料中基 体炭的结构、材料密度和石墨化度，进而获得优越的抗 烧蚀性能
II. 基体改性方面：需解决材料内部存在孔隙和微裂纹问题， 在C/C复合材料加入超高温陶瓷时易出现分布不均匀问 题
III. 抗烧蚀涂层方面：涂层与C/C复合材料的界面相容性、 热膨胀匹配性、涂层高温稳定尚未彻底解决
三向3D增强C/C复合材料整体性好，具有较好的各向同性
相关研究表明：相同致密化工艺与烧蚀条件下，4D编织预制体作增 强体C/C复合材料比4D预制体增强C/C复合材料的烧蚀性能好，且 预制体中炭纤维束越粗，抗烧蚀性能越好
3.2 热解炭织构对C/C复合材料烧蚀性能影 响：
C/C复合材料的致密化工艺主要为化学气相渗透（CVI）和液相 浸渍工艺。
优点：在大气环境内可以制备较致密涂层、沉积效率高成本低、涂层 比较均匀，厚度可以控制 缺点：涂层气孔率较高，涂层与基体界面咬合弱，在高温循环时易剥 落与开裂
通过实验采用等离子喷涂法在C/C复合材料SiC内涂层的表面制作 TaC抗烧蚀涂层，ZrC抗烧蚀涂层以及MoSi2基复合涂层。在1900℃ 具有良好的抗烧蚀性能。
报告人：
一．研究背景 二．抗烧蚀性能评估 三．耐高温抗烧蚀C/C复合材料的制备方法 四．总结与展望
C/C复合材料是一种在航空、航天及核工业等高技术领域的 热端构件中具有广阔发展前景的耐高温结构材料。
火箭喉衬喷管：以2000℃/s速度骤然升温，且固体颗粒或 Al2O3液滴产生高燃速气流的剧烈冲刷和化学腐蚀 战略导弹：鼻锥驻点温度达到7000K易严重烧蚀，若出现不 对称烧蚀易影响飞行稳定性 超音速飞行器：发动机罩进气室、机翼引擎以及鼻锥部分温 度一般为2000~2400℃高温；超燃冲压发动机长时间处于高温、 大热流等极端恶劣环境下
cc复合材料
cc复合材料
CC复合材料是由碳纤维和环氧树脂基体组成的一种复合材料。
碳纤维具有轻质、高强度、高模量等优异性能，而环氧树脂基体具有良好的化学稳定性和粘结性能，因此CC复合材料具有
优异的综合性能。
首先，CC复合材料具有轻质高强度的特点。
碳纤维的比重很轻，约为铁的1/4，铝的1/3，因此制成的CC复合材料也非常轻，可大幅度减轻结构的自重。
同时，碳纤维具有很高的拉伸强度和模量，能够有效抵抗外部载荷产生的拉伸变形和断裂，具有很好的抗拉强度和耐久性。
其次，CC复合材料具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
碳纤维具
有较高的熔点和耐高温性能，可在高温环境下维持较好的力学性能。
同时，环氧树脂基体具有优异的耐腐蚀性能，能够抵抗酸、碱、溶剂等多种腐蚀介质的侵蚀，使得CC复合材料在恶
劣环境中具有良好的耐久性。
此外，CC复合材料还具有良好的尺寸稳定性和复杂形状加工性。
由于碳纤维的线热膨胀系数较低，具有很好的尺寸稳定性，能够在温度变化范围内保持较好的尺寸精度。
同时，CC复合
材料可以通过热压成型、树脂浸渍、自动化编织等工艺加工成复杂形状的零件，具有灵活性和可塑性。
最后，CC复合材料还具有良好的疲劳性能和冲击韧性。
碳纤
维的高强度和高模量使得CC复合材料具有较高的疲劳寿命，
能够在长期循环荷载下保持良好的性能。
而环氧树脂的粘结性
能能够有效吸收和分散冲击荷载，并且具有较好的抗冲击韧性。
综上所述，CC复合材料具有轻质高强度、耐热耐腐蚀、尺寸
稳定性和复杂形状加工性、疲劳性能和冲击韧性等优异的性能。
在航天航空、汽车制造、体育用品等领域具有广泛的应用前景。
CC复合材料性能参数
C/C复合材料性能参数C/C热场材料与石墨热场材料性能对比C/C复合材料具有质量轻、损伤容限高、强度高等突出特点，用作热场与石墨产品比较，具有以下突出优点：（1) C/C复合材料用作热场产品，大幅度延长产品使用寿命减少更换部件的次数，从而提高设备的利用率，减少维修成本。
（2) 用作拉晶砖的坩埚时，由于石英坩埚对石墨坩埚产生较大的膨胀应力作用，石墨坩埚只好做成多瓣，或在坩埚上开热膨胀槽．而使用C/C复合材料热场产品由于不用开热膨胀槽，可以做成一个整体，可以在石英坩埚内获得更均匀的热场，可以提高成品率，而且可以避免“漏硅”事故造成的损失，据统计一次“漏硅”事故造成的设备、材料方面的损失超过10万元。
（3) C/C复合材料用作热场产品时，现有设备具有固定的，而由于C/C复台材料具有优异的性能，与石墨产品相比，可以做得更薄，从而可以利用现有设备生产尺寸更长、更大直径的产品，可节约大量新设备投资费用。
（4) 在拉制大直径的产品时，石墨热场产品成型困难，如果要制造超大大直径的石墨热场零部件其制造成本加工成本都很高，而由于C/C复合材料具有优异的性能，目前国外拉制大直径的产品时，较多地采用了C/C复合材料热场产品（5) 石墨热场产品在反复高温热震条件下易产生裂纹，微裂纹的存在改变了其热传导性能，使加热时石墨加热器的功率与硅熔体的温度场发生变化，将影响拉晶的效率和拉出的晶体的质量和品质。
而使用C/C复合材料热场产品可以克服这个缺点。
（6) C/C复合材料用作热场产品时，导热系数比石墨热场产品低很多，用做隔热保温材料隔热保温效果好，可以节约大量的电能，节省大量的电费开支，可有效的降低单(多)晶硅生产厂家的生产成本，随着全球能源供应的紧张，单(多)晶硅生产作为高耗能行业，能源消耗的降低具有较大的经济和社会意义。
碳碳编织复合材料介绍_-_复制课件
■ 类实验求解法
❏ 宏观应力 = 节点反力 / 名义横截面积
■ 体积平均方法
❏ 宏观应力分量 =
（单元积分点体积*单元积分点的应力分量）/ 代表体
积单胞总体积
求和
体积平均方法
• 该材料本构可以 写为:
刚度系数 [C]的第一列 [C]的第二列 [C]的第三列 [C]的第四列
[C]的第五列
[C]的第六列
横向强度
常温
石墨化温度
层间剪切强度
碳纤维增强炭化Borden SC-1008酚醛材料
6MPa
4.8MPa或更小 20.7 MPa to 24.8 MPa
碳纤维增强PPQ resin char材料
4.7MPa 3.4MPa或更小
14.5 MPa
碳纤维增强FF-26 resin char材料
5.2MPa
■ 抗氧化处理 ■ ❏ 通过净化去除催化氧化剂, 钝化反应基 ■ ❏ 加入一些元素或化合物阻止氧气与纤维接
触 ■ ❏ 开发外部涂层技术。
碳基体
■ 一般有三种碳基体先驱体
■ ❏ 热塑型沥青
■ ❏ 热固型树脂
■ ❏ CVI方法
■ 选择哪种方法的原则: 很到程度上依赖于
生成复合材料部件的几何形状。
■ ❏ 厚度薄的部件主要采用CVI方法；
■ ❏ 厚度厚的部件使用树脂或沥青渗透；
■ ❏ 复杂形状的几何部件使用树脂渗透。
■❏
一般利用混合方法对碳纤维增强复合
材料进行致密化处理。
界面
■ 界面的性能取决于 ■ ❏ 纤维的类型 ■ ❏ 纤维表面活性 ■ ❏ 基体的类型（树脂前驱, CVI的微观结构和沥青前驱
） ■ ❏ 基体活性 ■ ❏ 纤维体积含量 ■ ❏ 加工条件 ■ ❏ 致密化程度 ■ ❏ 纤维方向和层压板厚度。 ■ 好的界面使复合材料在纵向拉伸时破坏应变等于基体的
CC复合材料制备工艺简介
CC复合材料制备⼯艺简介沥青基碳材料本⽂来源：上海皓越精彩⽂章现在开始碳基复合材料碳/碳(C/C)复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料, 具有⾼强⾼模、⽐重轻、热膨胀系数⼩、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等⼀系列优异性能, 是⼀种新型的超⾼温复合材料。
C/C复合材料作为优异的热结构-功能⼀体化⼯程材料。
它和其他⾼性能复合材料相同，是由纤维增强相和基本相组成的⼀种复合结构，不同之处是增强相和基本相均由具有特殊性能的纯碳组成。
碳/碳复合材料主要是由碳毡、碳布、碳纤维作为增强体，⽓相沉积碳做为基体经过复合⽽制成，但是它的组成元素只有⼀个就是碳这个元素。
为了增加密度，由碳化⽽⽣成的浸渍碳或浸渍在康铜树脂(或沥青)，也就是说碳/碳复合材料是由三种碳材料复合⽽制成的。
碳碳复合材料的制造⼯艺⼀、碳碳/碳复合材料的制备过程包括增强纤维及其织物的选择、基体碳先驱体的选择、C/C预制坯体的成型、碳基体的致密化以及最终产品的加⼯检测等。
检测等1）碳纤维的选择纱束的排列取向、纱束间距、纱束体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，如纱束的排列取向、纱束间距、纱束体积含量等，可以决定C/C复合材料的⼒学性能和热物理性能。
积含量等2）碳纤维预制坯体的制备预成型结构件的加⼯⽅式主要有三种：软编、硬编和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。
预成型结构件的加⼯⽅式主要有三种：软编、硬编和软硬混编。
编织⼯艺主要有：⼲纱编织、预浸渍维杆组排、细编穿刺、纤维缠绕以及三维多向整体编织等。
⽬前C复合材料主要使⽤的编织⼯艺是软硬混编。
编织⼯艺主要有：⼲纱编织、预浸渍维杆组排、细编穿刺、纤维缠绕以及三维多向整体编织等。
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。
cc复合材料
cc复合材料CC复合材料。
CC复合材料是一种由碳纤维和环氧树脂组成的高性能材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀、耐磨损等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域。
本文将从材料特性、制备工艺、应用领域等方面对CC复合材料进行介绍。
首先，CC复合材料的材料特性非常突出。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度的特点，使得CC复合材料具有重量轻、刚性高的特性，能够满足工程结构对材料强度和刚度的要求。
同时，环氧树脂具有优异的粘接性能和耐腐蚀性能，能够有效保护碳纤维，延长材料的使用寿命。
因此，CC复合材料在航空航天领域得到广泛应用，可以用于制造飞机机身、导弹外壳等部件。
其次，CC复合材料的制备工艺非常关键。
制备CC复合材料的工艺包括预浸法、浸渍法、热压成型等多种方法。
其中，预浸法是将碳纤维预先浸渍在环氧树脂中，然后经过固化成型而成。
而浸渍法则是将碳纤维放置在环氧树脂中浸渍，再进行固化成型。
热压成型则是在高温高压下将预浸的碳纤维与环氧树脂进行加热压制。
这些工艺的选择和控制对于CC复合材料的性能和质量具有重要影响。
最后，CC复合材料在汽车、船舶、体育器材等领域也有着广泛的应用。
在汽车领域，CC复合材料可以用于制造车身、底盘等部件，能够减轻汽车重量，提高燃油效率，同时具有良好的抗冲击性能。
在船舶领域，CC复合材料可以用于制造船体、桅杆等部件，能够减轻船体重量，提高船舶速度和稳定性。
在体育器材领域，CC复合材料可以用于制造高尔夫球杆、网球拍等器材，具有良好的强度和韧性，提高了运动员的比赛表现。
总之，CC复合材料具有优异的材料特性，制备工艺成熟，应用领域广泛。
随着科技的不断进步，相信CC复合材料将在更多领域展现出其独特的优势，为人类社会的发展做出更大的贡献。
CC复合材料解析
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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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
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
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 的高温力学性能最好的材料。
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。
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。
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
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。
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·℃。
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。
6.1 C/C复合材料的发展
T-50-221-44
X-y向
Z向
1.9
ATJ-5 结晶向 ⊥结晶向
1.83
Байду номын сангаас拉伸强度 24
140
126
39.6
30.5
/MPa
2500
280
231
54.3
43.4
抗拉模量 24
59.4
52.4
11.7
7.8
/GPa
2500 40.9
30.5
11.2
7.4
断裂延伸率 24
0.18
0.2
0.45
0.54
/%
2500
0.2
0.21
2.0
2.2
抗弯强度 /MPa
24 2500
142
42.7
38.2
190
70.4
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
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。
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。
6.2.3 烧蚀性能
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。
表6-2 C/C与宇航级石墨ATJ-S性能比较
性能 密度
温度 ℃ 24
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 及减少因收缩而产生的裂纹，使整体的综 合性能得到提高。
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。