碳碳复合材料概述

碳碳复合材料概述1概述碳／碳复合材料就是由碳纤维(或石墨纤维)为增强体,以碳(或石墨)为基体得复合材料,就是具有特殊性能得新型工程材料,也称为“碳纤维增强碳复合材料”。

碳／碳复合材料完全就是由碳元素组成,能够承受极高得温度与极大得加热速率。

它具有高得烧蚀热与低得烧蚀率,抗热冲击与在超热环境下具有高强度,被认为就是超热环境中高性能得烧蚀材料。

在机械加载时,碳／碳复合材料得变形与延伸都呈现出假塑件性质,最后以非脆性方式断裂。

它得主要优点就是:抗热冲击与抗热诱导能力极强,具有一定得化学惰性,高温形状稳定,升华温度高,烧蚀凹陷低,在高温条件下得强度与刚度可保持不变,抗辐射,易加工与制造,重量轻。

碳／碳复合材料得缺点就是非轴向力学性能差,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,缺乏破坏准则。

1958年,科学工作者在偶然得实验中发现了碳／碳复合材料,立刻引起了材料科学与工程研究人员得普遍重视。

尽管碳／碳复合材料具有许多别得复合材料不具备得优异性能,但作为工程材料在最初得10年间得发展却比较缓慢,这主要就是由于碳／碳得性能在很大程度上取决于碳纤维得性能与谈集体得致密化程度。

当时各种类型得高性能碳纤维正处于研究与开发阶段,碳／碳制备工艺也处于实验研究阶段,同时其高温氧化防护技术也未得到很好得解决。

在20世纪60年代中期到70年代末期,由于现代空间技术得发展,对空间运载火箭发动机喷管及喉衬材料得高温强度提出了更高要求,以及载人宇宙飞船开发等都对碳／碳复合材料技术得发展起到了有力得推功作用。

那时,高强与高模量碳纤维已开始应用于碳／碳复合材料,克服碳／碳各向异性得编织技术也得到了发展,更为主要得就是碳／碳得制备工艺也由浸渍树脂、沥青碳化工艺发展到多种CVD沉积碳基体工艺技术。

这就是碳／碳复合材料研究开发迅速发展得阶段,并且开始了工程应用。

由于20世纪70年代碳／碳复合材料研究开发工作得迅速发展,从而带动了80年代中期碳／碳复合材料在制备工艺、复合材料得结构设计,以及力学性能、热性能与抗氧化性能等方面基础理论及方法得研究,进一步促进与扩大了碳／碳复合材料在航空航天、军事以及民用领域得推广应用。

尤其就是预成型体得结构设计与多向编织加工技术日趋发展,复合材料得高温抗氧化性能已达1700oC,复合材料得致密化工艺逐渐完善,并在快速致密化工艺方面取得了显著进展,为进一步提高复合材料得性能、降低成本与扩大应用领域奠定了基础。

目前人们正在设法更有效地利用碳与石墨得特性,因为无论在低温或很高得温度下,它们都有良好得物理与化学性能。

碳／碳复合材料得发展主要就是受宇航工业发展得影响,它具有高得烧蚀热.低得烧蚀率.在抗热冲击与超热环境下具有高强度等一系列优点,被认为就是超热环境中高性能得烧蚀材料。

例如,碳／碳复合材料制作导弹得鼻锥时,烧蚀率低且烧蚀均匀,从而可提高导弹得突防能力与命中率。

碳／碳复合材料具有一系列优异性能,使它们在宁宙飞船、人造卫星、航大飞机、导弹、原子能、航空以及一般工业部门中都得到了日益广泛得应用。

它们作为宇宙飞行器部件得结构材料与热防护材料,不仅可满足苛刻环境得要求,而且还可以大大减轻部件得重量,提高有效载荷、航程与射程。

碳／碳复合材料还具有优异得耐摩擦性能与高得热导率,使其在飞机、汽车刹车片与轴承等方面得到了应用。

碳与生物休之间得相容性极好,再加上碳／碳复合材料得优异力学性能,使之适宜制成生物构件插入到活得生物机体内作整形材料,例如:人造骨路,心脏瓣膜等。

今后,随着生产技术得革新,产量进步扩大.廉价沥青基碳纤维得开发及复合工艺得改进,使碳／碳复合材料将会有更大得发展。

2碳／碳复合材料得制造工艺最早得碳／碳复合材料就是由碳纤维织物二向增强得,基体由碳收率高得热固性树脂(如酚醛树脂)热解获得。

采用增强塑料得模压技术,将二向织物与树脂制成层压体,然后将层压体进行热处理,使树脂转变成碳或石墨。

这种碳／碳复合材料在织物平面内得强度较高,在其她方向上得性能很差,但因其抗热应力性能与韧性有所改善,并且可以制造尺寸大、形状复杂得零部件,因此,仍有一定用途。

为了克服两向增强得碳／碳复合材料得缺点,研究开发了多向增强得碳／碳复合材料。

这种复合材料可以根据需要进行材料设计,以满足某一方向上对性能得最终要求。

控制纤维得方向、某一方向得体积含量、纤维间距与基体密度,选择不同类型得纤维、基体与工艺参数,可以得到具有需要得力学、物理及热性能得碳／碳复合材料。

多向增强得碳／碳复合材料得制造分为两大步:首先就是制备碳纤维预制件,然后将预制件与基体复合,即在预制件中渗入碳基体。

碳／碳复合材料制备过程包括增强体碳纤维及其织物得选择、基体碳先驱体得选择、碳／碳预成型体得成型工艺、碳基体得致密化工艺,以及最终产品得加工、检测等环节。

(1)碳纤维得选择碳纤维纱束得选择与纤维织物结构得设计就是制造碳／碳复合材料得基础。

可以根据材料得用途、使用得环境以及为得到易于渗碳得预制件来选择碳纤维。

通过合理选择纤维种类与织物得编织参数(如纱束得排列取向、纱束间距、纱束体积含量等),可以改变碳／碳复合材料得力学性能与热物理性能,满足产品性能方向设计得要求。

通常使用加捻、有涂层得连续碳纤维纱。

在碳纤维纱上涂覆薄涂层得目得就是为编织方便,改善纤维与基体得相容性。

用做结构材料时,选择高强度与高模量得纤维.纤维得模量越高,复合材料得导热性越好;密度越大,膨胀系数越低。

要求导热系数低时,则选择低模量得碳纤维。

一束纤维中通常含有100010000根单丝,纱得粗细决定着基体结构得精细性。

有时为了满足某种编织结构得需要,可将不同类型得纱合在一起。

另外,还应从价格、纺织形态、性能及制造过程中得稳定性等多方面得因素来选用碳纤维。

可供选用得碳纤维种类有粘胶基碳纤维、聚丙烯腊(PAN)基碳纤维与沥青基碳纤维。

目前,最常用得PAN基高强度碳纤维(如T300)具有所需得强度、模量与适中得价格。

如果要求碳／碳复合材料产品得强度与模量高及热稳定性好,则应选用高模量、高强度得碳纤维;如果要求热传导率低,则选用低模量碳纤维(如粘胶基碳纤维)。

在选用高强碳纤维时,要注意碳纤维得表面活化处理与上胶问题。

采用表面处理后活性过高得碳纤维,使纤维与基体得界面结合过好,反而使碳／碳呈现脆性断裂,导致强度降低。

因此,要注意选择合适得上胶胶料与纤维织物得预处理制度,以保证碳纤维表面具有合适得活性。

(2)碳纤维预制体得制备预制体就是指按照产品得形状与性能要求,先将碳纤维成型为所需结构形状得毛坯,以便进一步进行碳／碳致密化工艺。

按增强方式可分为单向纤维增强、双向织物与多向织物增强,或分为短纤维增强与连续纤维增强。

短纤维增强得预制体常采用压滤法、浇铸法、喷涂法、热压法。

对于连续长丝增强得预制体,有两种成型方法:一种就是采用传统得增强塑料得方法,如预浸布、层压、铺层、缠绕等方法做成层压板、回旋体与异形薄壁结构;另一种就是近年得到迅速发展得纺织技术——多向编织技术,如三向编织、四向编织、五向编织、六向编织以至十一向编织、极向编织等。

单向增强可在一个方向上得到最高拉伸强度得碳／碳。

双向织物常常采用正交平纹碳布与8枚缎纹碳布。

平纹结构性能再现性好,缎纹结构拉伸强度高,斜纹结构比平纹容易成型。

由于双向织物生产成本较低,双向碳／碳在平行于布层得方向拉伸强度比多晶石墨高,并且提高了抗热应力性能与断裂韧性,容易制造大尺寸形状复杂得部件,使得双向碳／碳继续得到发展。

双向碳／碳得主要缺点就是:垂直布层方向得拉伸强度较低,层间剪切强度较低,因而易产生分层。

多向编织技术能够针对载荷进行设计,保证复合材料中纤维得正确排列方向及每个方向上纤维得含量。

最简单得多向结构就是三向正交结构。

纤维按三维直角坐标轴x、y、z排列,形成直角块状预制件。

纱得特性、每一点上纱得数量以及点与点得间距,决定着预制件得密度、纤维得体积含量及分布。

在x、y、z三轴得每一点上,各有一束纱得结构得充填效率最高,可达75％,其余25％为孔隙。

由于纱不可能充填成理想得正方形以及纱中得纤维间有孔隙,因而实际得纤维体积含量总就是低于75％。

在复合材料制造过程中,多向预制件中纤维得体积含量及分布不会发生明显变化,在树脂或沥青热解过程中,纤维束与孔隙内得基体将发生收缩,不会明显改变预制件得总体尺寸。

三向织物研究得重点在细编织及其工艺、各向纤维得排列对材料得影响等方面。

三向织物得细编程度越高,碳／碳复合材料得性能越好,尤其就是作为耐烧蚀材料更就是如此。

为了形成更高各向同性得结构,在三向纺织得基础上,已经发展了很多种多向编织,可将三向正交设汁改型,编织成四、五、七与十一向增强得领制件。

九向结构就是在三向正交结构得基础上,在xy平面内补充两个45o得方向,在三向正交结构中,如果按上下面得四条对角线或上下面各边中点得四条连线补充纤维纱,则得七向预制件。

在这两种七向预制件中去掉二个正交方向上得纱,便得四向结构。

在三向正交结构中得四条对角线上与四条中点连线上同时补充纤维纱,可得非常接近各向同性结构得十一向预制件。

将纱按轴向、径向与环向排列,可得圆筒与回转体得预制件。

为了保持圆筒形编织结构得均匀性,轴向纱得直径应由里向外逐步增加,或者在正规结构中增加径向纱。

在编织截头圆锥形结构时,为了保持纱距不变与密度均匀,轴向纱应就是锥形得。

根据需要可将圆筒形与截头圆锥形结构变形,编织成带半球形帽得圆筒与尖形官窿得预制件。

制造多向预制件得方法有:干纱编织、织物缝制、预固化纱得编排、纤维缠绕以及上述各种方法得组合。

1) 干纱编织干纱编织就是制造碳／碳复合材料最常用得一种方法。

按需要得间距先编织好x与y方向得非交织直线纱,x、y层中相邻得纱用薄壁钢管隔开,预制件织到需要尺寸时,去掉这些管子,用垂直(z向)得碳纤维纱代替。

预制件得尺寸决定于编织设备得大小。

用圆筒形编织机能使纤维按环向、轴向、径向排列,因而能制得回转体预制件。

先按设计做好扎板,再将金属杆插入孔板,编织机自动地织好环向与径向纱,最后编织机自动取出金属杆以碳纤维纱代替。

2)穿刺织物结构如果用两向织物代替三向干纱编织预制什中x、y 方向上得纱,就得到穿刺织物结构。

具体制法就是:将二向织物层按设计穿在垂直(z向)得金属杆上.再用未浸过或浸过树脂得碳纤维纱并经固化得碳纤维——树脂杆换下金属杆即得最终顶制件。

在x、y方向可用不同得织物,在z向也可用各种类型得纱。

同种石墨纱用不同方法制得得预制件得特性差别显著,穿刺织物预制件得纤维总含量与密度都较高.有更大得通用性。

3)预固化纱结构预固化纱结构与前两种结构不向,不用纺织法制造:这种结构得基本单元体就是杆状预固化碳纤维纱,即单向高强碳纤维浸酚醛树脂及固化后得得杆。