碳碳复合材料的制备方法
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
碳碳复合材料制备工艺及研究现状
2、科研院所和企业的研发团队 及其成果
目前，国内外众多科研院所和企业都在积极开展碳碳复合材料制备工艺的研 究和开发工作。其中，中国科学院、清华大学、北京大学、浙江大学、上海交通 大学等高校和研究机构在碳碳复合材料的制备工艺方面取得了重要进展。众多企 业在碳碳复合材料的产业化方面也取得了显著成果，
（4）加工和成型：将表面处理后的碳纤维增强基体进行加工和成型，得到 所需的形状和尺寸。
2、碳碳复合材料制备中的关键 问题和解决方案
碳碳复合材料制备过程中的关键问题包括炭纤维或炭化纤维的制备、基体与 炭纤维或炭化纤维的界面结合、表面处理的效率和一致性等方面。针对这些问题， 目前的研究主要集中在以下几个方面：
研究现状
1、国家政策支持及项目进展情 况
近年来，各国政府纷纷出台相关政策和项目，支持和推动碳碳复合材料的研 究和应用。例如，中国政府在“十三五”国家科技创新规划中提出要大力发展新 型复合材料，并将碳碳复合材料列为重点发展的领域之一。同时，国内外众多科 研机构和企业也在积极投入研发和生产，推动碳碳复合材料制备工艺的发展和应 用。
引言
随着科技的不断进步，碳材料因其独特的物理、化学性质而受到广泛。特别 是纤维素碳化制备碳材料，由于其来源广泛、环保且具有优异的性能，在能源、 环保、材料等领域具有广泛的应用前景。因此，研究纤维素碳化制备碳材料的工 艺具有重要意义。
文献综述
纤维素碳化制备碳材料的研究可以追溯到20世纪60年代，随着科技的不断进 步，这一领域的研究取得了长足的进展。以前的研究主要集中在碳化温度、时间、 气氛等因素对纤维素碳化过程的影响上。近年来，研究者们还致力于探索纤维素 碳化过程中的反应机理，以及如何提高碳材料的性能。尽管取得了一定的进展， 但仍存在许多问题需要解决，例如如何提高碳材料的质量和产量，以及如何实现 工业化生产。
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-碳复合材料莫来石晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备与性能研究
碳-碳复合材料莫来石晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备与性能研究碳/碳复合材料莫来石晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备与性能研究引言碳/碳复合材料（C/C）是一种具有优异性能的结构材料，在航空、航天等领域有重要的应用价值。
然而，C/C材料的缺点之一是其低韧性和易氧化的特性。
为了解决这一问题，研究人员开始探索使用莫来石晶须作为增韧剂，并开发了一种莫来石晶须增韧C/C材料抗氧化涂层的制备方法。
制备方法1. 莫来石晶须的制备：将莫来石粉末与适量的碳源混合，并在高温下进行反应，使其发生碳化反应生成莫来石晶须。
2. 制备C/C材料：将制备好的莫来石晶须与碳纤维布层叠压制成坯体，然后在高温石墨化处理过程中使其形成成型的C/C材料。
3. 制备莫来石晶须增韧C/C材料抗氧化涂层：在C/C材料表面涂覆一层莫来石晶须和陶瓷颗粒的混合浆料，并经过热处理使其形成致密的抗氧化涂层。
性能研究1. 结构表征：使用扫描电子显微镜（SEM）观察莫来石晶须在C/C材料中的分布情况以及抗氧化涂层的致密性和结构。
2. 力学性能测试：使用万能材料试验机对莫来石晶须增韧C/C材料进行拉伸强度和断裂韧性等力学性能测试。
3. 抗氧化性能测试：将莫来石晶须增韧C/C材料暴露在高温高压的氧气环境中，观察抗氧化涂层的氧化速率和抗氧化性能。
结果与讨论1. 结构表征结果显示，莫来石晶须均匀分布在C/C材料中，并且抗氧化涂层具有致密的结构，能够有效阻挡氧气的渗透。
2. 力学性能测试结果表明，莫来石晶须增韧C/C材料的拉伸强度和断裂韧性分别提高了X%和Y%（根据实际实验结果填写具体数值），说明莫来石晶须能够有效增加C/C材料的韧性。
3. 抗氧化性能测试结果显示，莫来石晶须增韧C/C材料的抗氧化能力明显提高，氧化速率降低了Z%（根据实际实验结果填写具体数值），说明莫来石晶须增韧C/C材料抗氧化涂层的制备方法是有效的。
结论本研究成功制备了一种莫来石晶须增韧C/C材料抗氧化涂层，并对其性能进行了详细研究。
碳纤维复合材料的介绍
碳纤维复合材料的介绍碳纤维复合材料是一种由碳纤维和基体树脂组成的复合材料。
碳纤维是一种高强度、高模量的纤维材料，具有轻质、耐热、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。
碳纤维复合材料的制备过程主要包括纤维预处理、树脂浸渍、层压成型等步骤。
首先，碳纤维要经过预处理，包括去除杂质、改善表面粗糙度等工艺，以提高纤维与树脂的粘结力。
然后，将预处理后的碳纤维放置在树脂浸渍装置中，通过真空或压力使树脂浸润纤维，形成树脂基体。
最后，将浸润树脂的碳纤维层叠在一起，并经过热压或压力固化，形成最终的碳纤维复合材料。
碳纤维复合材料具有许多优点。
首先，它具有高强度和高模量的特性，比重量相同的金属材料强度更高。
其次，碳纤维具有良好的耐腐蚀性能，不易受化学物质侵蚀。
此外，碳纤维还具有优异的热稳定性和耐高温性能，可以在高温环境下保持其强度和刚度。
此外，碳纤维复合材料还具有良好的电磁屏蔽性能和低热膨胀系数，适用于一些特殊领域的应用。
碳纤维复合材料广泛应用于航空航天领域。
由于其轻质高强的特性，能够减轻飞机的重量，提高燃油效率，降低碳排放。
同时，碳纤维复合材料还具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能，能够提高飞机的使用寿命。
因此，在飞机结构中应用碳纤维复合材料可以提高飞机的性能和安全性。
在汽车领域，碳纤维复合材料也得到了广泛应用。
与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料具有更低的密度和更高的强度，可以实现汽车的轻量化设计。
轻量化不仅可以提高汽车的燃油效率，减少尾气排放，还可以提高汽车的操控性能和舒适性。
此外，碳纤维复合材料还具有良好的吸能性能，能够提高汽车的碰撞安全性。
碳纤维复合材料还广泛应用于体育器材制造。
例如，高尔夫球杆、网球拍等体育器材常使用碳纤维复合材料制造。
由于碳纤维具有轻质高强的特性，可以使器材更轻便、更易于操作，提高运动员的竞技水平。
此外，碳纤维复合材料还具有良好的振动吸收性能，可以减少运动时的手部震动，减少运动损伤。
碳纤维复合材料的制备和性能研究
碳纤维复合材料的制备和性能研究复合材料作为一种新型材料，由于其具有结构轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳等优良性能，在航空、航天、汽车、船舶等众多领域得到广泛应用。
碳纤维复合材料是其中一种材料，由于其高强度、低密度、高刚度和优良的热稳定性等特点，已经广泛应用于各种高端产品，如飞机、汽车、大型模具、船舶制造等领域。
本文主要介绍碳纤维复合材料的制备和性能研究方面的进展和成果，对于进一步研究这种材料的应用前景和发展具有参考价值。
一、碳纤维复合材料的制备碳纤维复合材料的制备是一个复杂的过程，需要对材料的性质进行深入的了解，并结合实际生产情况进行设计和试验。
一般来说，碳纤维复合材料的制备分为以下几个步骤：1、预制备碳纤维碳纤维是制备碳纤维复合材料的关键组成部分，其质量对复合材料的性能起到至关重要的作用。
碳纤维的质量受到多种因素的影响，如选择的原料、生产工艺、热处理方式等。
通常采用纤维束成型、碳化及氧化等工艺制备碳纤维，确保碳纤维的品质。
2、浸渍树脂将预制的碳纤维放入树脂中，使其充分浸泡。
树脂中的成分可以根据需要调整，以达到预期的力学性能。
3、热固化热固化是碳纤维复合材料制备的关键步骤之一。
材料通过温度和时间的控制，让树脂变成固体，并在碳纤维表面形成一层牢固的化学键连接。
通过这一步工艺，可以提高碳纤维复合材料的强度和刚度。
4、精加工精加工是制备碳纤维复合材料的最后步骤。
通过对材料进行切割、抛光、打磨、胶接等方式，可以获得一定形状、尺寸和光泽度的制品。
精加工过程中需要注意不要损伤材料的表面和内部结构，保证材料性能的完好。
以上是碳纤维复合材料制备的主要步骤，整个制备过程需要物理学、化学、材料学等多学科的知识和技术的支持，且需要结合多种因素综合评估生产效果。
二、碳纤维复合材料的性能研究碳纤维复合材料具有优良的力学性能、热性能和热膨胀性等特点，但其性能亦受制备过程中的各种因素影响。
为了更好地应用这种材料，需要对其性能进行全面研究和分析。
一种金属锂碳复合材料的制备方法及锂电池与流程
一种金属锂碳复合材料的制备方法及锂电池与流程随着工业科技的不断发展，锂电池作为一种高能量密度和高效的能源储存设备，已经成为了电动汽车、储能设备以及便携式电子产品的主要能源来源。
然而，传统的锂电池在安全性和循环寿命方面仍然存在一定的隐患，研究人员一直在寻求新型的锂电池材料和制备方法，以提高锂电池的性能和安全性。
本文将介绍一种金属锂碳复合材料的制备方法及其在锂电池中的应用流程。
1. 制备方法1.1 选择合适的金属锂和碳材料作为原料。
金属锂通常采用电化学纯度的锂金属，碳材料则选用高纯度的石墨粉或者碳纳米管等。
1.2 通过机械球磨或化学合成等方法将金属锂和碳材料混合均匀，以确保复合材料的均一性和稳定性。
1.3 利用真空热处理或者化学气相沉积等技术将混合均匀的金属锂和碳材料进行复合，并形成金属锂碳复合材料。
2. 锂电池应用流程2.1 制备阳极材料。
将金属锂碳复合材料与导电剂、粘结剂等混合均匀，形成阳极浆料，涂覆在铜箔基片上，经过干燥和压片等工艺形成阳极片。
2.2 制备阴极材料。
选择适宜的阴极活性材料，如氧化物或磷酸盐类材料，制备成阴极片。
2.3 组装电池。
将阳极片、阴极片和隔膜等层层堆叠，注入电解液，封装成电池。
2.4 充放电测试。
对制备好的锂电池进行充放电测试，评估其电化学性能和循环寿命。
3. 理论原理金属锂碳复合材料具有很高的比表面积和导电性能，能够提高电极材料的充放电速度和循环寿命。
金属锂碳复合材料还可以有效缓解锂电池在充放电过程中发生的体积膨胀和收缩，提高了锂电池的稳定性和安全性。
4. 应用前景金属锂碳复合材料作为一种新型电极材料，在锂电池领域具有广阔的应用前景。
其制备方法简单，成本较低，可以大规模生产，同时能够提高锂电池的能量密度和安全性，为电动汽车和储能设备等领域的发展提供了良好的解决方案。
总结通过以上介绍，我们可以看到金属锂碳复合材料的制备方法及在锂电池中的应用流程。
这种新型材料在很大程度上提高了锂电池的性能和安全性，为锂电池行业的发展开辟了新的道路。
碳碳合金
C/C复合材料C/C复合材料是一种新型高温材料，其研究始于1958年，60年代初已成为一种新的材料门类。
它具有质量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐蚀、吸振性好等一系列优良性能。
C/C复合材料的密度不到2.0g/cm 3，仅为镍基高温材料的1 /4，为陶瓷材料的1 /2，尤其是这种材料随着温度升高，其强度不仅不降低，甚至比在室温下还高，这是其他材料所无法比拟的独特的性能。
因此，它在航天、航空等领域备受关注，例如，在航天工业中成功的应用有火箭发动机尾喷管、喉衬，航天飞机的机翼前缘等；在航空领中的应用有发动机喷嘴、加力燃烧室喷管、涡轮转子叶片和刹车盘等。
最成功的典范当属C/C 复合刹车盘，与钢盘相比，它具有使用寿命长、质量轻等优点，并已形成了广阔的市场。
但是，目前C /C复合材料仍存在3个方面的问题：成本高；制备周期长；抗氧化性能差。
影响C/C复合材料制造成本的主要因素：一是碳纤维的原材料成本；二是制造成本。
为了降低C/C复合材料的成本，一个有效的途径是降低碳纤维的成本。
20 世纪90年代中期，大丝束碳纤维技术取得了重大突破，不但抗拉强度达到并超过3600MPa，大丝束制备预浸料技术也取得了很大的进展。
目前，大丝束碳纤维正在某些应用领域取代小丝束碳纤维，其产量也将很快超过小丝束碳纤维。
目前，我国碳纤维只有类似于T-300的一个品种规格，高性能碳纤维的问题始终没有得到解决。
大丝束碳纤维和小丝束碳纤维相比有很多特点，主要有以下2点：1) 大丝束碳纤维可采用民用聚丙烯睛丝作为制备碳纤维的原丝，能够在国外市场上自由购买，且价格仅有制备小丝束碳纤维特种原丝价格的1 /4；2) 高的性能价格比，国外用碳纤维的性能价格比来衡量它的消费比，即花费每美元所能得到的强度、模量、比强度和比模量。
用美国卓尔泰克公司生产的大丝束碳纤维PANEX33-0048和最典型的小丝束碳纤维即日本东丽公司的T-300相比较，前者的性能价格比要比后者好得多。
《MOFs衍生的硒化钴-碳复合材料的制备及其储钠、储钾性能研究》范文
《MOFs衍生的硒化钴-碳复合材料的制备及其储钠、储钾性能研究》篇一MOFs衍生的硒化钴-碳复合材料的制备及其储钠、储钾性能研究一、引言随着电动汽车和可再生能源存储技术的快速发展，对高效、安全、环保的储能材料需求不断增长。
在众多储能材料中，金属有机框架（MOFs）衍生的硒化钴/碳复合材料因其具有独特的结构、高能量密度以及良好的电化学性能，成为研究热点之一。
本文将重点研究MOFs衍生的硒化钴/碳复合材料的制备方法，并对其在储钠、储钾领域的应用性能进行深入探讨。
二、MOFs衍生的硒化钴/碳复合材料的制备1. 材料选择与合成本实验选用合适的MOFs前驱体和硒源，通过溶剂热法合成MOFs前驱体。
随后，将MOFs前驱体与硒源进行高温硒化反应，制备出硒化钴/碳复合材料。
2. 制备过程优化通过调整反应温度、反应时间、硒源浓度等参数，优化硒化钴/碳复合材料的制备过程，以提高材料的结晶度、比表面积和电导率。
三、材料结构与性能表征1. 结构分析利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对制备的硒化钴/碳复合材料进行结构分析，明确其晶体结构、形貌及元素分布。
2. 性能测试通过电化学工作站测试材料的循环伏安曲线（CV）、充放电曲线以及循环稳定性等电化学性能，评估其在储钠、储钾领域的应用潜力。
四、储钠性能研究1. 钠离子电池组装与性能测试将制备的硒化钴/碳复合材料作为钠离子电池的正极材料，与钠金属负极配对，组装成钠离子电池。
测试电池的充放电性能、循环稳定性以及倍率性能。
2. 储钠机制分析结合CV曲线、充放电曲线以及XPS等手段，分析硒化钴/碳复合材料在储钠过程中的反应机理，揭示其储钠性能的优劣原因。
五、储钾性能研究1. 钾离子电池组装与性能测试将制备的硒化钴/碳复合材料作为钾离子电池的正极材料，与钾金属负极配对，组装成钾离子电池。
测试电池的充放电性能、循环稳定性以及倍率性能。
2. 储钾机制分析通过CV曲线、充放电曲线等手段，分析硒化钴/碳复合材料在储钾过程中的反应机理，探讨其储钾性能的优劣原因。
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。
高性能针刺碳碳复合材料的制备与性能
高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能摘要:为获得高性能针刺碳/碳复合材料, 拓展其应用领域, 通过优化针刺工艺参数, 设计并研制了不同结构参数的针刺预制体。
采用沥青高压致密化工艺将针刺预制体制备成一系列针刺碳/碳复合材料, 研究了针刺碳/碳复合材料的微观结构、力学性能和热物理性能。
结果表明, 针刺预制体的针刺深度、针刺密度以及短/长纤维配比等对碳/碳复合材料的力学性能和热物理性能影响显著。
当针刺深度为12 mm、针刺密度为22针/cm2、短/长纤维比例为1.0 : 4.8时, 针刺碳/碳复合材料表现出优良的综合性能, 拉伸、压缩、弯曲、面内剪切和层间剪切强度分别达到207、228、285、54和28 MPa。
关键词:碳/碳复合材料; 针刺结构参数; 力学性能; 热物理性能碳/碳复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性强、可加工性好且高温性能优良等特征, 在航空航天领域应用广泛[1]。
自二十世纪末以来, 世界航天强国掀起了先进高超声速飞行器研究的热潮, 武器装备的技战术指标对热防护用碳/碳复合材料在耐高温、高强、轻质及其低成本化方面提出了更高要求[2-5]。
与其它复合材料类似, 碳纤维预制体结构是决定碳/碳复合材料性能、质量以及生产成本的重要因素[6]。
目前常用的碳/碳复合材料预制体结构包括碳布穿刺、正交三向、三维编织及针刺结构[7], 其中碳布穿刺和正交三向无法实现异形件仿形编织; 三维编织纤维利用率低, 因纤维磨损过大而无法编织复杂形状的预制体。
针刺预制体结构是通过网胎提供的短切纤维在碳布层间的搭接, 不但具有准三维结构较高的层间性能, 而且具有适合于仿形成型、连续长纤维方向可设计性强和平面方向纤维利用率高的优点, 并且制备过程自动化程度高、周期短、质量稳定, 可高效制备出各种复杂形状的碳纤维预制体[8-10]。
目前针刺预制体及其碳/碳复合材料多应用于火箭发动机喉衬、扩散段、出口锥及飞机刹车盘等外形简单以及其它承载要求不高的热端部件[11-12]。
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。
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今后，随着生产技术的革新，产量进一步扩大，廉价 沥青基碳纤维的开发及复合工艺的改进，碳 / 碳复合材 料将会有更大的发展。
4.5.2 碳/碳复合材料的成型加工方法 碳/碳复合材料的成型加工方法很多，其各种工艺过 程大致可归纳为下图几种方法：
1. 胚体
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。
CVD技术的通用性是显而易见的，这反映在多种多样 的产物上面，例如，除了热解石墨以外，还有钛、硅和 硼的碳化物。硅和钛的硼化物，都能利用CVD技术来大 幅度地提高碳/碳复合材料的物理性能。 热解碳（简称PC）和“CVD碳”是在1100º C左右碳源 蒸气经热解而沉积在基质材料上的碳质的总称。 “ 热 解 石 墨 ” （ 简 称 PG ） 由 碳 氢 化 合 物 气 体 在 1750~2250º C沉积的碳， PG的电性能、热性能和力学性 能是各向异性的，随测方向而变化。
碳 碳复合材料的制备
第四章 复合材料的制备
4.1 复合材料的基本概念和性能 4.2 树脂基复合材料的制备方法 4.3 金属基复合材料的制备方法 4.4 陶瓷基复合材料的制备方法 4.5 碳/碳复合材料的制备方法
4.5 碳/碳复合材料的制备方法
4.5.1 碳/碳复合材料的发展
1. 碳/碳复合材料 (C/C) 碳 / 碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石 墨化的脂碳（沥青）以及化学气相沉积（ CVD ）碳所 形成的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料。
碳纤维长丝或带缠绕方法，可根据不同的要求和用 途选择适宜的缠绕方法。
碳毡可由人造丝毡碳化或聚丙烯腈预氧化、碳化后 制得。碳毡叠层后，可以碳纤维在 X 、 Y 、 Z 的方向 三向增强，制得三向增强毡，如下图所示。
喷射成型是把切断的碳纤维 (约为 0.025mm) 配制成 碳纤维-树脂-稀释剂的混合物，然后用喷枪将此混合 物喷涂到芯模上使其成型。
碳/碳复合材料由三种不同组分构成，即树脂碳、碳 纤维和热解碳。由于它几乎完全是由元素碳组成，故能 承受极高的温度和极大的加热速率。 通过碳纤维适当的取向增强，可得到力学性能优良的 材料，在高温时这种性能保持不变甚至某些性能指标有 所提高。 碳 / 碳复合材料抗热冲击和抗热导能力极强，且具有 一定的化学惰性。
根据实际操作情况，目前化学气相沉积基体碳主 要采用四种方法，即均热法、热梯度法、压差法 和脉冲法：
均热法是将坯体放在恒温的空间里（ 950~1150º C ）， 在适当低的压力(0.13~20KPa）下让烃类气体在坯体表 面流过，其部分含碳气体扩散到坯体孔隙内产生热解 碳，沉碳速率（ 2.6~26cm/h ）取决于气体的扩散速率。
用碳布或石墨纤维布叠层后进行针刺，可用空心细 颈金属棒引纱。下图是AVCD公司编织的坯体。
在坯体的研制中，发展的重点是多向织物，如三向 、四向、五向或七向等，目前是以三向织物为主。
碳纤维从 X 、 Y 、 Z 三个方 向互成90º 正交排列，三个方向 的纱线并不交织， X 和 Y 方向 的纱线交替的叠层， Z 方向的 纱线起增强作用。因此XYZ方 向的纱线并没有交织点，只有 重合点，可充分发挥织物里每 个纤维的力学性能。
2. 碳/碳复合材料的发展
碳 /碳复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响。它 具有高的烧灼热、低的烧蚀率，抗热冲击和超热环境下 具有高强度等一些列优点，被认为是一种高性能的烧蚀 材料。
碳 / 碳复合材料可以作为导弹的鼻锥，烧蚀率低且烧蚀 均匀，从而提高导弹的突防能力和命中率。
碳 /碳复合材料还具有优异的耐磨擦性能和高的热导率， 使其在飞机刹车片和轴承等方面得到了应用；它也可以 作为飞机的刹车盘。
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，图 4-48是这类沉积的一例。
此法沉积周期短，制品密度高， 性能比均热法更好。存在的问 题是重复性差，不能在同一时 间内加工不同的坯体和多个坯 体，坯体的形状也不能太复杂。
压差法是在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，如图4-49所示。 此法沉积速度快，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。由于易生成表面 硬层，在沉积过程中需要 中间加工。
采用合成树脂制备碳/碳复合材料的原因： ① 在工艺低温度和低压力下具有低粘度这点上，合成 树脂比石油或煤焦油沥青强
② 合成树脂的纯度比天然产物高，化学结构更容易鉴 定，沥青的成分常随产地和提炼方法而异。
③ 比较容易得到含碳量高的树脂体系，并可能转化为 耐高温的碳素产物。
3. 化学气相沉积（CVD） CVD可以用来代替碳/石墨纤维浸渍沥青或合成树脂基体 的工艺过程，也可以在碳 / 石墨纤维浸渍基体之外再用 CVD处理。
Hale Waihona Puke （3）通过气相（通常是用烷和氧气，有时还有少量氢气 ）化学沉淀法在热的基质材料（如碳/石墨纤维）上形成 高强度热解石墨。也可以把气相化学沉积法和上述两种 工艺结合起来以提高碳/碳复合材料的物料性能。
（4）把由上述方法制备的但仍然是多孔状的碳/碳复合 材料在能够形成耐热结构的液态单体中浸渍，是又一 种精制方法，可选用的这类单体很有限，但是由四乙 烯基硅酸盐和强无机酸盐催化剂组成的渗透液将会产 生具有良好耐热性的硅 -氧网路。硅树脂也可以起到同 样的作用。
脉冲法是一种改进了的均热法，在沉积过程中利用脉 冲阀交替的充气和抽真空，图4-50为此法的示意图。
抽真空过程中有利于气体反应产物的排除。由于它能 增加渗透深度，故适宜制造不透气的石墨材料。
化学气相沉积法工艺简单沉积过程中纤 维不受损伤，制品的结构较均匀和完整，故 致密性好，强度高。为了满足各种使用的需 要，制品的密度和密度梯度也能够加以控制， 所以此法近年来发展较快。
2. 基体
碳/碳复合材料的碳基体有：
树碳--合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得 热解碳--由烃类气体的气相沉积而成 两种碳的混合物 基体碳可通过化学气相沉积或浸渍高分子聚合物碳 化来获得。
加工工艺方法可归结为以下几方面： （ 1）把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加热条件下浸 渍到碳/石墨纤维结构中去，随后进行热解和再浸渍。 （2）已知有些树脂基体在热解后具有很高的焦化强度， 热解后的产物能够很有效地渗入较厚的纤维结构，热解 后必须进行再浸渍再热解，如此反复若干次。
③以70º C/h 的升温速率从1000º C升到2500º C
④以100º C/h 的升温速率从2500º C升到2700º C+ （0~25º C） ⑤在2700º C + （0~25º C）下浸渍30min ⑥冷却并卸压
2. 树脂基体 在碳 / 石墨纤维结构中浸渍热解后的树脂基体，碳 / 石墨 纤维增强树脂在随后的再浸渍和再热解中会流下越来越 多的焦化沉淀物。这样石墨纤维周围会出现一层碳素物 质，从而形成碳/碳复合材料。
思考题：碳碳复合材料的特殊优点及应用领域
沉积过程如下：
将 甲 烷 之 类 的 烃 类 气 体 混 合 氢 、 氩 之 类 的 载 气 于 1000~1100º C 进行热分解，在坯体的空隙中沉碳（如图 所示）。
在沉碳之前，含碳气体中先生成一些活性基团，然 后与胚体纤维的表面接触进行沉碳。 为了得到致密的碳 / 碳复合材料，在沉积过程中必须 让这些活性集团扩散到坯体的空隙内部，如果含碳量 气体在通过坯体之前生成的活性基团的速度太快，则 容易形成表面涂层，这对进一步渗透到内部不利，有 碍于内部沉碳。
4.5.3 碳/碳复合材料的制备工艺 1. 沥青基混合物 用煤焦油沥青浸渍碳 /石墨纤维可得碳 /碳复合材料。 目前已设计了一种高压浸渍碳化工艺（简称 HPIC） 来提高碳/碳复合材料的致密程度。
工艺要点是：在热压罐中以大约 100MPa压力下浸渍 复合材料，工艺周期如下图所示：
火箭头锥顶端的标准石墨化工艺在氢气中进行，时间 和温度规范如下： ①以300º C/h 的升温速率从室温升到600º C ②以20º C/h 的升温速率从600º C升到1000º C
三维织物研究的重点在细编织及其工艺、各向纤维 的排列对材料的影响等方面。
三向织物的细编程度越高，碳 / 碳复合材料的性能越 好，尤其是作为耐烧蚀材料更是如此。细编程度常用 织物的正向间距大小来衡量。 正向间距越小，编织程度越高，线的烧蚀率越低。 在三向编织的基础上，对四向和七向编织物也进行 了研究，四向织物是在相应于立方体的四个长对角 线方向上进行编织，由于编织方向增多，改善了三 向织物的非轴线方向的性能，使材料的各部分性能 超于平衡，提高了强度（主要是剪切强度），降低 了材料的热膨胀系数。
C/C在航天领域中的应用 C/C作为刹车盘
碳与生物体之间的相容性极好，再加上碳 /碳复合材料 的优异力学性能，使之适宜制成生物构件插入到活的生 物机体内作整形材料，如人造骨骼、心脏瓣膜等。
人造骨骼关节
人工心脏瓣膜
鉴于碳/碳复合材料具有系列优异性能，它们在宇宙飞 船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一 般工业部门中得到了日益广泛的应用。
此法渗透时间长，每一周需 50~120h ，由于靠近坯体表 面的孔优先被填充，生成硬壳，故在渗透过程中要进行 机械加工将其硬壳层除去，然后再继续沉碳。图 4-47表 示材料的密度和结构与沉积温度和压力之间有一定的关 系。
温度、压力、气流和炉子的几何形状都会影响热解碳和 热解石墨的沉积速率。此外，还要采用适当的工艺措施 以避免造成乌黑多灰的各向同性碳，因为这种碳不易石 墨化。