碳碳新型复合材料

碳碳复合材料

摘要:文中给出了碳-碳复合材料的性质并与其他材料的性质进行了比较,对碳-碳复合材料构件的制造技术进行了归类,并对其发展提出了建议。

引言：

碳-碳复合材料是碳纤维增强复合材料的一个重要分支。它具有高强度，高模量，抗热震，耐烧蚀和比重小等优异特性。可以用作各种宇宙飞行器（航天飞机和导弹等）的耐烧蚀材料和航空等工业耐磨材料，是发展航天、航空技术和导弹等武器急需的新材料。目前仍处于发展阶段，但无疑是新世纪最具潜力的航天新材料之一，尤其在飞机发动机和飞机刹车盘制造方面有其他材料不可比拟的优越性。

1.碳-碳复合材料

1.1碳-碳复合材料的概念

碳-碳复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料，以碳为基体，通过加工处理制成的全碳质复合材料。

1.2碳-碳复合材料简介

碳-碳复合材料在高温热处理之后碳元素含量高于99%，故材料具有密度低，耐高温，抗腐蚀，热冲击性能好，耐酸、碱、盐，耐摩擦磨损等一系列优异性能。此外，碳-碳复合材料的室温强度可以保持到2500摄氏度，对热应力不敏感，抗烧蚀性良好。故该复合材料具有出色的机械特性，既可作为结构材料承载重荷，又可以作为功能材料发挥作用，适于各种高温用途使用。

2.碳-碳复合材料的性质

2.1碳-碳复合材料特点

1)高温力学性能极佳。如图1

2）相当于金属的强度。如图2

3）低密度，高强度，高模量，优异抵抗热冲击强度。如表1

2.2碳-碳复合材料性能

1）石墨化度对其影响

石墨化度对碳-碳复合材料力学性能的影响非常复杂, 不同作者得到的结果不同, 有的甚至反。对于炭纤维, 通常, 随着热处理温度升高, 强度先升高后降低, 转折温度点约为1900摄氏度。对此不做赘述。

2）碳-碳复合材料的力学性能

碳-碳复合材料的力学性能, 主要取决于碳纤维的种类、取向、含量以及制备工艺。单向增强的CFC, 沿碳纤维长度方向的力学性能比垂直的方向高出几十倍。CFC 的高强高模量特性来自碳纤维,随着温度的升高, CFC 的强度不降反升, 而且要比室温下的强度还要高。在1000摄氏度以上强度最低的CFC 的比强度也较耐热合金和陶瓷材料高。

3）碳-碳复合材料的断裂性能

碳-碳复合材料制成的构件在承受载荷的状态下, 当受力超出其蠕变极限的情况下, 既不会突然折断, 也不会显示出金属的塑性, 呈现非线性断裂方式。加在碳-碳复合材料的应力起初只是造成少数纤维断裂, 只有在重复拉伸才发生失效现象。

4）碳-碳复合材料的热弯曲强度

同其他陶瓷和金属高温材料不同的是碳-碳复合材料的强度随温度的升高而

提高。在高温下材料处于基本无应力状态, 随着材料的冷却, 材料内部的应力逐渐形成, 并产生一些残余应力。其是造成在常温下强度低、而在高温下

（1000-2000摄氏度）强度高的原因。

5）碳-碳复合材料的电阻率

碳-碳复合材料的电阻率不受重复加热的影响,并随石墨化程度的增大材料

的电阻率降低。导电性能好, 且具有屏蔽电磁波的功能, 对X 射线的透过性好。此外炭纤维还具有吸能减振, 对振动有优异的衰减功能。尽管生产工艺参数相同(如: 致密化处理和热处理度) , 不同缠绕方式的管材及不同纤维排列的板材其电阻率也相差很大, 比如纤维同管轴线平行排列的越少则其电阻率越高。

6）碳-碳复合材料的导热性

碳-碳复合材料的导热性受纤维的排列方向、基体碳种类以及热处理温度的影响。如双向排列纤维材料的导热性在常温下通常为5~ 150W /m k,导热性最大的500W /m k 的C /C 复合材料是专为核聚变工厂研制的, 采用超高温处理温度并能形成极好的石墨基材结构。C /C 复合材料抗温度波动性比其它大多数陶瓷基材料和金属要好, 同时它在高温工作时动态强度好。这是它在高温用途中被广泛使用的关键。

7）碳-碳复合材料的氧化性能

碳-碳复合材料主要用于真空或保护气氛中,氧化是在高温下有氧气存在的

情况下发生的。碳-碳复合材料的氧化过程由气体介质中的氧流动至材料边界开始。反应气体吸附在材料表面, 通过材料本身的孔隙向材料内部扩散, 以材料缺陷为活性中心, 碳纤维及其复合材料的氧化过程由气体介质中的氧流动至材料

边界开始。反应气体吸附在材料表面, 通过材料本身的孔隙向材料内部扩散, 以材料缺陷为活性中心, 碳纤维及其碳-碳复合材料的氧化特性研究并在杂质微粒的催化作用下发生氧化反应, 生成的CO或CO2 气体最终从材料表面脱附。氧化的程度取决于氧气的部分压力, 也与材料的类型有关。

在空气中, 碳材料在300摄氏度左右开始氧化, 石墨化碳-碳复合材料在350摄氏度左右开始氧化。氧化速率也取决于基体碳的性质, 孔隙度, 杂质的催化氧化性能以及周围气体运动速率和其他组成成分(如: 水分含量)。通过浸润抗氧化剂或涂以碳化硅可改善材料的抗氧化性。具体应用中, 温度是关键因素,需要通过初步实验和具体情形决定。

8）碳-碳复合材料的耐化学腐蚀性能

碳-碳复合材料耐油、耐酸、耐腐蚀性能好,与生物有很好的相容性。除了强氧化剂外, 浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮、碱都对其不起作用。而在高温下, 某些金属特别是过渡金属(如: 铁,镍和钴)在碳存在的情况下, 会起催化作用使碳-碳复合材料形成碳化物。

3碳-碳复合材料材料在航空航天方面的用途

碳-碳复合材料的应用通常分为两类: 用于不承载的零部件和结构; 用于承载的零部件和结构。

不承载结构用的碳-碳复合材料材料零部件将诱导机械应力传递给承载构件, 或应力数量级较低的构件。这种材料目前已应用于飞机刹车盘, 防热零部件及火箭喷管喉道等场合。

碳-碳复合材料结构的研究也在航天航空领域占有一席之地，该应用的实例包括: 火箭喷管出口锥、涡轮发动机零件、航空航天飞行器构件、卫星构件及斜截形(几个斜面相依连的燃烧室头部) 更换零件。目前全世界采用碳-碳复合材料