炭炭复合材料基本知识

CC复合材料

姚祥瑞

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目录

定义

性能

制备工艺

发展前景及用途

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一定义

碳/碳复合材料是复合材料的一种,它是以碳为基体,由碳纤维或其制品(碳毡或碳布)增强的复合材料.

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二性能

它兼有碳的惰性和碳纤维的高强度,具有良好的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、磨擦减振特性及热、电传导特性等特点.而且,其质轻,比强度和比弹性模量都很高,更重要的是这种材料随着温度的升高(可达2 200 ℃)其强度不降低,甚至比室温条件下还高。

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三制备工艺

制备碳/碳复合材料主要步骤为:

预制体成型→致密化处理→最终高温热处理

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3.1

预制体成型

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

成型方法为用短纤维增强: (1) 压滤法; (2) 喷涂法; (3) 热压法; (4) 浇注法

用连续长纤维增强: (1) 预浸布层压、铺压、缠绕等做成层压板、回转体和异形薄壁结构; (2) 编织技术.

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3.2

致密化处理

成型后的预制体含有许多孔隙,密度也低,不能直接应用,须将炭沉积于预制体,填满其孔隙,才能成为真正的结构致密、性能优良的碳/碳复合材料,此即致密化过程.传统的致密化工艺大体分为液相浸渍和化学气相沉积(CVI)两种.

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3.3

液相浸渍工艺

液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行.

重复浸渍———炭化———石墨化,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

(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

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化学气相沉积(Chemical Vapor Infiltration ,简称CVI)工艺.有的文献称化学气相沉积工艺是最早采用的一种致密化方法,其工艺过程如图2所示.主要原理是利用碳氢化合物气体在高温下分解并沉积炭于预制体.与液相浸渍工艺相比,化学气相沉积工艺不仅过程便于精确控制,而且所制备的材料还具有结构均匀、完整、致密性好、石墨化程度高等优点.目前国外主要用等温CVI法生产碳/碳复合材料刹车盘.

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常规化学气相沉积方工艺(等温法)仍有许多不足:由于受到气相扩散速率和表面反应速率的制约,在一个较窄的工艺条件下进行.因此,对沉积炭显微组织的选择余地有限,得到的通常为光滑层(S L)组织,要想提高沉积炭温度,以得到粗糙层(RL)炭,则又易形成表面的气孔堵死,以及表层和里层的密

度差提高[6 ].同时,等温CVI制备碳/碳复合材料周期长(约1 000 - 1 500 h) 、原料气利用率低( < 5 %) ,需要数次石墨化和机加工,需用大量高能耗的贵重设备,成本很高

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(1) 因其良好的生物相容性,在生物医学方面,可作人体骨骼的替代材料,比如人工髋关节、膝关

节、牙根等.

(2) 汽车、赛车的制动系统.

(3) 在核反应堆中制造无线电频率限幅器.

(4) 利用其高导电率和很高尺寸稳定性,制造卫星通讯抛物面无线电天线反射器.

(5) 用碳/碳复合材料代替石棉制造熔融玻璃的滑道,其寿命可提高100倍以上.

(6) 制作高温紧固件.在700 ℃以上,金属紧固件强度很低,而碳/碳复合材料在高温下呈现优异承

载能力,可作高温下使用的螺栓、螺母、垫片等.

四发展趋势及应用

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(7) 制作热压模具和超塑性加工模具.在陶瓷和粉未冶金生产中采用碳/碳复合材料制作热压模

具,可减少模具厚度,缩短加热周期,节约能源和提高产量;用碳/碳复合材料制作钛合金超塑性加工模

具,因其低膨胀性和钛合金的相容性,可提高成型效率,并减少成型时钛合金的折叠缺陷.

(8) 制作加热元件.与传统的石墨发热体强度低、脆,加工与运输困难相比,碳/碳复合材料的强度

高,韧性好,可减少发热体体积,扩大工作区.

(9) 作高温真空炉内衬材料,以及化工防腐蚀管道及零部件等

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