碳碳复合材料的制备方法共36页
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
(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。
碳碳复合材料的制备方法
碳碳复合材料的制备方法
碳碳复合材料的制备方法主要包括以下步骤：
增强纤维及其织物的选择：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，可以决定C/C复合材料的力学性能和热物理性能。
碳纤维预制坯体的制备：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。
目前C复合材料主要使用的编织工艺是三维整体多向编织，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。
C/C的致密化工艺：致密化程度和效率主要受织物结构、基体材料工艺参数的影响。
目前使用的工艺方法有浸渍碳化、化学气相沉积（CVD）、化学气相渗透（CVI）、化学液相沉积、热解等方法。
主要使用的工艺方法有两大类：浸渍碳化工艺和化学气渗透工艺。
《碳碳复合材料简介》课件
高强度与高刚度
具有出色的强度和刚度，适用 于要求高强度和轻质化的领域。
良好的耐损性
具有优异的耐磨、耐热疲劳和 耐腐蚀性能。
碳碳复合材料的应用领域
1
航空航天
广泛应用于飞机结构、发动机部件和导弹热防护等领域。
2
能源工业
用于核电站中的炭碳复合材料管道和储罐，以及燃烧器等高温设备。
3
汽车工业
用于制造高性能汽车制动系统、排气系统和座椅结构。
碳碳复合材料的优势与局限性
优势
高温性能卓越，具有较高的强度和刚度。
局限性
制备工艺复杂，生产成本较高。
碳碳复合材料的发展趋势
随着技术的进步，碳碳复合材料将继续发展，更广泛地应用于航空航天、能 源、汽车等领域。同时，制备工艺将更加成熟，并不断降低生产成本。
结论和总结
碳碳复合材料具有独特的优点，是一种重要的高性能材料。它在航空航天、能源和汽车工业等领域发挥着重要 作用，并有着广阔的发展前景。
《碳碳复合材料简介》 PPT课件
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的高性能复合材料。它具有高 强度、高刚度、高温性能和优异的耐损性。
什么是碳碳复合材料
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的复合材料。碳纤维提供高强 度和高刚度，炭素基体则提供高温抗氧化性能。
碳碳复合材料的制备方法
1 化学气相沉积 (CVD)
通过化学反应在碳纤维表 面沉积炭素来制备碳碳复 合材料。
2 航空电弧加热法 (AIR) 3 热解石墨化 (HTI)
利用航空电弧对碳纤维进 行加热，使其与炭素基体 结合。
先将碳纤维石墨化，然后 与绿石墨和残余碳反应形 成碳碳复合材料。
碳碳复合材料的性质与特点
_碳碳复合材料的制备方法资料38页PPT
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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碳碳复合材料
复合材料
C/C作为刹车盘
C/C在航空上的应用
索 引
• C/C复合材料来源于Chance-Vought由于实验室事 故，在碳纤维树脂基复合材料固化时超过规定的温
却 度，导致树脂碳化， 形成碳碳复合材料。
• 我国对此的研究和开发主要集中在航天航空等高
新技术领域，较少涉及民用高性能、低成本碳碳复
领域发展，向民用化和低成本化发展。
思考题
1.简述气相沉积法和液相浸渍法的工艺原理 2.请完整粗略复述材料合成过程 3.石墨化的原理
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.碳纤维(carbon fiber，简称CF) • 是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由
片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处 理而得到的微晶石墨材料。碳纤维"外柔内刚"，质量比金属铝轻，但强度 却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面 都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的 柔软可加工性，是新一代增强纤维。
• 液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行工艺过程，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；②液体 难以浸渍到预制体微孔中；③有些浸渍液在常压和减压下炭化收率 低，必须加压，如煤沥
• 青；④有些浸渍液炭化时粘附性过好，易于阻塞气孔口，难以达到 致密要求，如树脂
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。
碳-碳复合材料的制备方法
碳-碳复合材料的制备方法1. 碳-碳复合材料的制备方法碳-碳复合材料是一类具有优异性能的新型材料，常用于热学性能及高温抗烧结性能之外的特殊应用。
它具有高强度、高热稳定性、低模量和良好的耐化学腐蚀性，并且可以设计成各种复杂形状，因此被广泛应用于航空、航天等高科技行业中。
碳-碳复合材料的制备一般包括集成复合物的各个组成部分的制备以及它们的组装联结等，而这些制备和组装工艺又被称为“复合工艺”。
基本来说，碳-碳复合材料由一系列由碳和其它修饰材料组成的复合物组成，这是由溶液法、烧结法、粉末冶金法、直接快速植入方法以及功能介层固化法等多种工艺组合而成的。
溶液法是碳复合材料制备方法中最常用的一种，主要由三个步骤组成：碳基物制备、碳基物成型和碳基物焙烧。
在此过程中，主要利用溶剂来分解有机物，如碳化硅、苯乙烯等，然后向浆状物中添加适量的碳，最后经过热处理使之形成碳复合材料。
此方法具有成本低、效率高、便于控制碳/粘结剂结构关系等优点，因此在航空航天等行业中被广泛应用。
烧结法是另一种非常常用的碳复合材料制备工艺，主要由三个基本步骤组成：碳基物成型、焙烧和共烧，其中烧结过程基本上是由碳基物材料与焙烧助剂、聚分散剂等组成的混合物经过热反应后形成碳复合材料的一系列烧结步骤。
由于不存在溶剂抽提过程，保留的焦炭少、结构紧密、充分反映基物材料的性能特性，因此在生产过程中可以充分发挥出基物材料的最大潜力，为碳复合材料提供更好的性能。
功能介层固化法是将固体和液体介质固体化的一种新方法，这类固体化工艺把多种固体介质及/或液体溶剂在功能介质的介层中形成固相复合，因此可以在不改变碳基物特性的情况下控制碳基物成型，并获得良好的成膜性能。
这种方法的应用非常宽泛，不仅用于碳-碳复合材料的制备，还可用于各类非金属材料的制备，为复杂结构材料的制备建立了新的技术基础。
以上就是关于碳-碳复合材料制备方法的一些概要介绍。
这类复合材料具有一定特殊性能，被广泛应用于航空航天等行业，但其制备工艺仍有许多发展空间，因而有许多研究者们不断探究改进方法以提高其性能，从而扩大碳-碳复合材料的使用范围。
_碳碳复合材料的制备方法资料共38页
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
Thank you
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
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。
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◆ 树脂与沥青碳化特性
★ 酚醛及呋喃树脂碳化特性
酚醛及呋喃树脂经高温热解后碳化，所形成的碳为无定形碳微晶结 构、乱层结构）。
偏光下呈各向同性，无偏光效应。一般，树脂碳属硬碳或不易（难） 石墨化的碳。
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◆ 树脂与沥青碳化特性
★ 沥青碳化特性 沥青是由多种多环芳香烃碳氢化合物所组成。一般分为： ● 热固性沥青烯（BS）：不溶于石油醚，但溶于苯和甲苯； ● –树脂（ BI ）：不溶于苯和甲苯，但溶于喹啉或吡啶； ● –树脂（ QI ）：不溶于喹啉或吡啶，高分子量芳香族化合物。
但C材料最大的弱点是易氧化，一般在375℃以上就开始 有明显的氧化现象。所以C/C在高温下使用必须经过抗氧化 处理。
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碳/碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体， 然后采用浸渍树脂（或沥青）炭化，或者采用化学气相 沉积/渗透（CVD/CVI）的方式将多孔预制体中孔隙填充 而获得的。
根据实际应用构件的形状和使用要求，设计预制体的 构成，可以得到不同结构的碳/碳复合材料。例如二维、 三维（三维正交，三维编织）等碳/碳复合材料构件。
将碳/碳复合材料表面形成SiC，可以获得一种梯度 “陶瓷碳/碳复合材料”。
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二、碳/碳复合材料性能
1、力学性能——常温性能
高性能单向增强和正交增强C/C的性能
典型三维正交C/C的性能
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1、力学性能——高温性能
在非氧化性气氛中，碳/碳复合材料可以在2800℃ 下仍然保持其强度，这是所有结构材料（金属、陶瓷） 无法做到的。而且，高温下，碳/碳复合材料的强度甚 至还有所提高。
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碳碳复合材料
碳/碳复合材料概述
图 11 – 2 不同界面的碳碳复合材料应力-应变曲线
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11 – 2）。碳纤维的类型、基体的 预固化以及后续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，而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。
图11–7 树脂浸渍、固化、 碳化体积收缩示意图
3） –2 沥青浸渍 – 碳化工艺
一般在预成型体浸渍沥青之前可先进行CVD处理, 以 在碳纤维表面获得CVD碳，也可先得到低密度树脂碳的复合 材料坯料之后再采用真空浸渍沥青方式（混合浸渍 – 碳化） 进行。
沥青碳化率的提高是随沥青中高分子量化合物的增加而 增加；影响其碳化率的另一个重要因素是碳化时的压力。随 着碳化时压力的增加，沥青的碳化率有明显的提高。因此， 为了提高沥青碳化率，经常采用压力沥青浸渍 – 碳化工艺 （PIC）。在实际PIC工艺中往往采用热等静压浸渍 – 碳化 工艺（HIPIC）。经压力沥青浸渍 – 碳化工艺循环后，沥青 碳基C/C复合材料的密度甚至可达1.9g / cm3。
❖ 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Hale Waihona Puke 高而升高以及高断裂韧性、低蠕
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。