碳碳复合材料的制备方法.ppt

2. 树脂基体
在碳 /石墨纤维结构中浸渍热解后的树脂基体，碳 /石墨 纤维增强树脂在随后的再浸渍和再热解中会流下越来越 多的焦化沉淀物。这样石墨纤维周围会出现一层碳素物 质，从而形成碳 /碳复合材料。
? 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。
?碳/碳复合材料的成型加工方法很多，其各种工艺过 程大致可归纳为下图几种方法：
1. 胚体
在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤维或其织物应 预先成型为一种坯体。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。
? 碳纤维长丝或带缠绕 方法，可根据不同的要求和用 途选择适宜的缠绕方法。
碳 碳复合材料的制备
第四章 复合材料的制备
4.1 复合材料的基本概念和性能 4.2 树脂基复合材料的制备方法 4.3 金属基复合材料的制备方法 4.4 陶瓷基复合材料的制备方法 4.5 碳/碳复合材料的制备方法
4.5 碳/碳复合材料的制备方法
4.5.1 碳/碳复合材料的发展
1. 碳/碳复合材料 (C/C)
人造骨骼关节
人工心脏瓣膜
?鉴于碳 /碳复合材料具有系列优异性能，它们在宇宙飞 船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一 般工业部门中得到了日益广泛的应用。
?今后，随着生产技术的革新，产量进一步扩大，廉价 沥青基碳纤维的开发及复合Hale Waihona Puke Baidu艺的改进，碳 /碳复合材 料将会有更大的发展。
4.5.2 碳/碳复合材料的成型加工方法
? 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。
? 三向织物的细编程度越高，碳 /碳复合材料的性能越 好，尤其是作为耐烧蚀材料更是如此。细编程度常用 织物的正向间距大小来衡量。
? 正向间距越小 ，编织程度越高 ，线的烧蚀率越低 。
? 在三向编织的基础上，对四向和七向编织物也进行 了研究，四向织物是在相应于立方体的四个长对角 线方向上进行编织，由于编织方向增多，改善了三 向织物的非轴线方向的性能，使材料的各部分性能 超于平衡，提高了强度（主要是剪切强度），降低 了材料的热膨胀系数。
2. 基体
碳/碳复合材料的碳基体有： ?树碳-- 合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得 ?热解碳-- 由烃类气体的气相沉积而成 ?两种碳的混合物
基体碳可通过化学气相沉积或浸渍高分子聚合物碳 化来获得。
加工工艺方法 可归结为以下几方面：
（ 1 ） 把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加热条件下浸 渍到碳 /石墨纤维结构中去，随后进行热解和再浸渍。
? 碳/碳复合材料还具有优异的 耐磨擦性能 和高的热导率 ， 使其在飞机刹车片和轴承 等方面得到了应用；它也可以 作为飞机的刹车盘 。
C/C 在航天领域中的应用
C/C 作为刹车盘
? 碳与 生物体之间的相容性极好 ，再加上碳 /碳复合材料 的优异力学性能 ，使之适宜制成生物构件插入到活的生 物机体内作整形材料，如 人造骨骼、心脏瓣膜等。
? 用煤焦油沥青浸渍碳 /石墨纤维可得碳 /碳复合材料。 目前已设计了一种 高压浸渍碳化工艺 （简称 HPIC） 来提高碳 /碳复合材料的致密程度。
? 工艺要点是：在热压罐中以大约 100MPa 压力下浸渍 复合材料，工艺周期如下图所示：
火箭头锥顶端的标准石墨化工艺在氢气中进行，时间 和温度规范如下： ①以300oC/h 的升温速率从室温升到 600oC ②以20oC/h 的升温速率从 600oC升到1000oC ③以70oC/h 的升温速率从 1000oC升到2500oC ④以100oC/h 的升温速率从 2500oC升到2700oC + （0~25oC） ⑤在2700oC + （0~25oC）下浸渍 30min ⑥冷却并卸压
（2）已知有些树脂基体在热解后具有很高的焦化强度， 热解后的产物能够很有效地渗入较厚的纤维结构，热解 后必须进行再浸渍再热解，如此反复若干次。
（3）通过气相（通常是用烷和氧气，有时还有少量氢气 ）化学沉淀法在热的基质材料（如碳 /石墨纤维）上形成 高强度热解石墨。也可以把气相化学沉积法和上述两种 工艺结合起来以提高碳 /碳复合材料的物料性能。
（4）把由上述方法制备的但仍然是多孔状的碳 /碳复合 材料在能够形成耐热结构的液态单体中浸渍，是又一 种精制方法，可选用的这类单体很有限，但是由四乙 烯基硅酸盐和强无机酸盐催化剂组成的渗透液将会产 生具有良好耐热性的硅 -氧网路。硅树脂也可以起到同 样的作用。
4.5.3 碳/碳复合材料的制备工艺 1. 沥青基混合物
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。
?碳/碳复合材料由三种不同组分构成，即 树脂碳、碳 纤维 和热解碳 。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 。
2. 碳/碳复合材料的发展
? 碳/碳复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响。它 具有高的烧灼热 、低的烧蚀率 ，抗热冲击 和超热环境下 具有高强度 等一些列优点，被认为是一种高性能的烧蚀 材料。
碳/碳复合材料可以 作为导弹的鼻锥 ，烧蚀率低且烧蚀 均匀，从而提高导弹的突防能力和命中率。
? 碳毡 可由人造丝毡碳化或聚丙烯腈预氧化、碳化后 制得。碳毡叠层后，可以碳纤维在 X、Y、Z的方向 三向增强，制得三向增强毡，如下图所示。
? 喷射成型 是把切断的碳纤维 (约为0.025mm) 配制成 碳纤维 -树脂-稀释剂的混合物，然后用喷枪将此混合 物喷涂到芯模上使其成型。
? 用碳布或石墨纤维布叠层后进行针刺，可用空心细 颈金属棒引纱。下图是 AVCD公司编织的坯体。