碳-碳复合材料剖析

（4）碳化后收缩不会破坏预制成型体的结构和形 状。
（5）形成的显微结构有利于碳/碳复合材料的性能。
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2）树脂或沥青碳：
沥青是一种多环芳香碳氢化合物的混合物，在 300 ~ 500C温度以上可经历以下碳化过程：
（1）低分子量物质的挥发气化、脱氢、缩合、 裂化和分子结构的重排，形成平面型芳环结构。
（2）各向同性液态沥青在400C温度以上可形成 中间相（Mesophase）。
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1- 1 预成型体
图 8- 3 多维编织的碳/碳复合材料预成型体结构
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1- 1 预成型体
❖ 碳/碳复合材料预成型体所用碳纤维、碳纤维 织物或碳毡等的选择是根据复合材料所制成 构件的使用要求来确定的，同时要考虑到预 成型体与基体碳的界面配合。如选择刹车片 材料，一般多采用非连续的短纤维或碳毡来 作增强相，以提高刹车片的抗震性；而一些 受力构件则多采用连续纤维；在三维编织预 成型体时，一般要求选择适于编织、便于紧 实并能提供复合材料所需的物理和力学性能 的连续纤维。
❖ 碳/碳复合材料另一重要性能是其优异的摩擦磨损性 能。碳/碳复合材料中的碳纤维微观结构为乱层石墨 结构，其摩擦系数比石墨高，因而提高了复合材料 的摩擦系数。石墨因其层状结构而具有固体润滑能 力，可降低摩擦系数。通过改变基体碳的石墨化程 度就可以获得摩擦系数适中而又有足够强度和刚度 的碳/碳复合材料。
❖ 在CVD（CVI）过程中往 往要同时导入载流气体， 如氢、氩或氮等，起稀释 反应气体的作用，目的是 图8– 4 扩散与沉积速度对空隙封闭影响 改善反应气体的扩散条件。
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2）CVD（CVI）工艺
❖ 控制好CVD（CVI）过程沉积和扩散达到合理平衡是保证碳/碳复合 材料密度和性能的关键。影响主要因素是温度和压力（图8-5）。
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2）树脂或沥青碳：
碳纤维预制成型体经过浸渍树脂或沥青等浸渍剂后， 经预固化，再经碳化后获得的基体碳。浸渍剂选择 原则如下；
（1）碳化率（焦化率）：碳化率高的浸渍剂可提 高效率，减少浸渍次数。
（2）粘度：要求粘度适当，易于浸渍剂浸渍到预 制成型体中。
（3）热解碳化时能形成张开型的裂缝和空隙，以 利于多次浸渍，形成致密的碳/碳复合材料。
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1 – 2 基体碳
典型的基体碳有热解碳（CVD碳）和浸渍碳化碳。 前者是由烃类气体的气相沉积而成；后者是合成树 脂或沥青经碳化和石墨化而得。 1） CVD碳：
主要以来原料有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天 然气等碳氢化合物。
CH4（g） C （s）+ 2H2（g） 沉积根据不同的沉积温度可获得不同形态的碳， 在950 ~ 1100C为热解碳；1750 ~ 2700C 为热解 石墨。
❖ 复合材料的强度是由基体断裂应变决定的。当界 面结合相对较弱时，材料受载一旦超过基体断裂应 变时，基体裂纹在界面会引起基体与纤维脱粘，而 不会装穿过纤维。这时纤维仍可能继续承受载荷， 从而呈现出非脆性断裂方式，通常称为假塑性断裂。
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碳/碳复合材料概述
❖ 碳/碳复合材料具有碳元素所特有的耐烧蚀、抗热震、 高导热率和低膨胀系数等性能。其导热性在常温下 可与铝合金比拟；热膨胀系数远比金属低；同时具 有最好的生物相容性。
CVD（CVI）过程受反应温度及压力影响较大。 一般低温低压下受反应动力学控制；而在高温高 压下则是扩散为主。工艺参量温度、压力、反应 气体流量及载气的流量、分压都会影响到CVD过 程的扩散/沉积平衡，从而影响碳/碳复合材料的致 密度和性能。
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1）CVD（CVI）工艺原理
❖ 在CVD（CVI）过程中为 防止预成型体中孔隙入口 处因沉积速度太快而造成 孔的封闭，应控制反应气 体和产物气体的扩散速率 大于沉积速率（图11 – 4）。
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二、碳/碳复合材料的制备工艺
1、碳/碳复合材料的预成型体和基体碳 1- 1 预成型体
预成型体是一个多孔体系，含有大量空隙。如 三维碳/碳复合材料中常用的结构预成型体中的纤维 含量仅有40%，也就是说其中空隙就占60% 。
碳/碳复合材料的预成型体可分为单向、二维和 三维，甚至可以是多维方式（图8 – 3），大多采用 编织方法制备。在制备圆桶、圆锥或圆柱等预成型 体时需要采用计算机控制来进行编织。
第八章 碳/碳复合材料（C/C）
碳/碳复合材料概述
❖ 碳/碳 (C/C) 复合材料是由碳纤维及其（碳毡或碳 布）增强的碳基复合材料，其组成元素只有一个， 即碳元素。 表8 – 1 典型三维正交增强C/C 复合材料性能
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碳/碳复合材料概述
❖ 如表1所示，C/C具 有许多优异的性能。 如密度低、高热导性、 低热膨胀系数以及对 热冲击不敏感等。特 别是高温下的高强度 和模量，其强度随着 温度的升高而升高以 及高断裂韧性、低蠕 变等性能，使C/C成 为目前唯一可用于高 温达2800 C的高温 复合材料（图8 - 1）。
图8–1
不同材料比强度与温度的关系对比
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碳/碳复合材料概述
图 8 – 2 不同界面的碳/碳复合材料应力-应变曲线
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碳/碳复合材料概述
❖ 碳/碳复合材料中的碳纤维和基体碳的界面匹配影 响其力学行为（图8 – 2）。碳纤维的类型、基体的 预固化以及后步工序的类型等决定了界面的结合强 度。当纤维与碳基体的化学与机械键合形成界面结 合时，在较低的断裂应变时，基体中形成的裂纹扩 展越过界面，引起纤维的断裂，此时材料属于脆性 断裂.
图 8 – 5 反应温度、压力及气体流量对沿空隙沉积速度的影响
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根据温度和压力因素的控制，可分为等温、压力梯度和温度梯 度工艺等三种基本工艺方法（图8 – 6）：
（3）中间相又畸变变形，聚结并固化成层状排 列的分子结构。
（4）这种层状排列的分子结构在2000 ~ 2500C 以上时有利于形成各向异性的碳 – 石墨结构。
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2、碳/碳复合材料的制备工艺
1）CVD（CVI）工艺原理 一般认为，CVD（CVI）经历以下过程：1）
反应气体通过层流向沉积基体的边界层扩散；2） 沉积基体表面吸附反应气体，反应气体产生反应 并形成固态和气体产物；3）所产生的气体产物解 吸附，并沿边界层区域扩散；4）产生的气体产物 排除。