碳碳复合材料PPT课件
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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。
1.预制体成型（胚体）
碳纤维碱金属等杂质含量
越低Hale Waihona Puke Baidu好；未经表面处理
的碳纤维和石墨纤维更适 宜制造C/C复合材料
2.致密化二法：CVD/CVI；液相浸渍
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。
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。
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
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。
或石墨化的脂碳（沥青）
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。
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。
C/C复合材料是以碳
（或石墨）纤维 及其织物，或石 墨化的脂碳（沥 青）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。
增强材料就象树木中的纤维，混凝 土中的钢筋一样，是复合材料的重 要组成部分，并起到非常重要的作 用
为复合材料中起到粘接增强体成为 整体并转递载荷到增强体的主要组 分之一。
1.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。
2.耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和
盐的化学稳定性；
3.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。
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高， 密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温， 耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热 膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过 性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。
力学性能 热物理性能 烧蚀性能 化学稳定性
• 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
室温，强度和 模量
达700MPa。（通用钢材强度500～600MPa）
• 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
高温力学性能 的材料。
• 一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学
对热应力不敏 性能损失 感
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·℃。
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·℃。
1.复合材料
是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或 化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材 料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效 应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足 各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和 非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛 及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶 瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤 维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、 晶须、金属丝和硬质细粒等。
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。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。
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。
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。
C/C复合材料来源于ChanceVought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度，
却 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、低成本碳碳复合材料的 研究。整体研究水平还停留在对材料 宏观性能的追求上，对材料组织结构 和性能的可控性、可调性等基础研究 相当薄弱，难以满足国民经济发展对 高性能碳碳复合材料的需求。
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。
1.预制体成型（胚体）
碳纤维碱金属等杂质含量
越低Hale Waihona Puke Baidu好；未经表面处理
的碳纤维和石墨纤维更适 宜制造C/C复合材料
2.致密化二法：CVD/CVI；液相浸渍
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。
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。
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
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。
或石墨化的脂碳（沥青）
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。
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。
C/C复合材料是以碳
（或石墨）纤维 及其织物，或石 墨化的脂碳（沥 青）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。
增强材料就象树木中的纤维，混凝 土中的钢筋一样，是复合材料的重 要组成部分，并起到非常重要的作 用
为复合材料中起到粘接增强体成为 整体并转递载荷到增强体的主要组 分之一。
1.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。
2.耐腐蚀性：C/C像石墨一样具有耐酸、碱和
盐的化学稳定性；
3.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。
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高， 密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温， 耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热 膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过 性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。
力学性能 热物理性能 烧蚀性能 化学稳定性
• 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
室温，强度和 模量
达700MPa。（通用钢材强度500～600MPa）
• 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
高温力学性能 的材料。
• 一旦产生裂纹，不会像石墨和陶瓷那样严重的力学
对热应力不敏 性能损失 感
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·℃。
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·℃。
1.复合材料
是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或 化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材 料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效 应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足 各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和 非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛 及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶 瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤 维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、 晶须、金属丝和硬质细粒等。
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。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。
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。
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。
C/C复合材料来源于ChanceVought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度，
却 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、低成本碳碳复合材料的 研究。整体研究水平还停留在对材料 宏观性能的追求上，对材料组织结构 和性能的可控性、可调性等基础研究 相当薄弱，难以满足国民经济发展对 高性能碳碳复合材料的需求。