1、C/C复合材料简介复合材料简介 C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其 织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的复合材料。碳碳复合材料增强碳纤维基体碳树脂碳沥青碳热解碳比较C/C复合材料金属耐热性；膨胀率；重量；耐腐蚀性石墨强度；韧性陶瓷韧性；粘结；耐热冲击性树脂耐热性；耐腐蚀性；耐摩擦性C/C复合材料的制备复合材料的制备nC/C复合材料制备方法：液体浸渍分解法和化学气相沉积法nC/C复合材料制备步骤：预制体的制备预制体和碳基体的复合如图：碳纤维预制体浸渍热固性树脂碳化、石墨化C/C复合材料化学气相沉积法化学气相沉积法 通入C、H化合物气体加热分解、沉积液体浸渍分解法
2、液体浸渍分解法1 预制体的制备预制体的制备碳纤维预制体是根据结构工况和形状要求，编织而成的具有大量空隙的织物。二维编织物：面内各向性能好，但层间和垂直面方向性能差；n三维编织物：改善层间和垂直面方向性能；n多向编织物：编织成四、五、七、十一向增强的预制体，使其接近各向同性。 2 预制体和碳基体的复合预制体和碳基体的复合n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。n渗碳方法:液态浸渍热分解法、化学气相沉积法。n基本要求:基体的先驱体与预制体的特性相一致，以确保得到高致密和高强度的C/C复合材料。一、一、 液体浸渍分解法液体浸渍分解法1）浸渍用基体的先驱体选择：选
3、择先驱体时应考虑下列特性-黏度、碳收获率、碳的微观结构和晶体结构。通常有热固性树脂和沥青两大类。其中常用的有酚醛树脂和呋喃树脂以及煤焦油沥青和石油沥青。n热固性树脂：经热解其碳的质量转化率为50%60%；n沥青：常压下产碳率为50%左右，在10MPa氮压和550下产碳率可高达90%。 2）低压浸渍n预制件的浸渍：通常在真空下进行，有时为保证树脂或沥青渗入所有空隙也需施加一定压力。n固化及碳化：若先驱体为树脂需先固化，然后碳化。碳化在惰性气氛中进行，温度范围为6501100；n石墨化：为提高模量有必要进行石墨化，通常在惰性气氛炉中进行，温度范围26002750 。低压浸渍很难得到高致密度的C/C
4、，其密度一般为1.61.85，空隙率约为810%。 3）高压浸渍nPIC工艺：浸渍和碳化都在高压下进行，利用等静压技术使浸渍和碳化都在热等静压炉内进行。可提高产碳率降低空隙率。nPIC工艺压力对致密化的影响：当外压增加到6.9MPa时产碳率显著增加，高密度C/C复合材料需要51.7103.4MPa的外压。二、气相沉积法二、气相沉积法n气相沉积法（CVD法）：将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、天然气等通入预制体，并使其分解，析出的碳沉积在预制体中。n技术关键：热分解的碳均匀沉积到预制体中。n影响因素：预制体的性质、气源和载气、温度和压力都将影响过程的效率、沉积碳基体的性能及均匀性。n工艺方法：等温法、
5、温度梯度法、差压法。 1）等温法n工艺过程：将预制体放入等温感应炉中加热，导入碳氢化合物和载气，碳氢化合物分解后，碳沉积在预制体中。n工艺控制：为使碳均匀沉积，温度应该控制得使碳氢化合物的扩散速度低于碳的沉积速度。n特点：该法制得的C/C中碳沉积均匀，因而性能也较均匀。但沉积时间较长，容易使材料表面产生热裂纹。 2）温度梯度法n工艺方法：将感应线圈和感应器的几何形状做得与预制体相同。接近感应器的预制体外表面是温度最高的区域，碳的沉积由此开始，向径向发展。n特点：与等温法相比，沉积速度快，但一炉只能处理一件，不同温度得到的沉积物的微观结构有差别。 3）差压法n工艺方法：通过在织物厚度方向上形成的
6、压力梯度促使气体通过植物间隙。将预制体的底部密封后放入感应炉中等温加热，碳氢化合物以一定的正压导入预制体内，在预制体壁两边造成压差，迫使气体流过空隙，加快沉积速度。C/C复合材料的应用复合材料的应用 世界各国均把C/C复合材料用作先进飞行器高温区的主要热结构材料，其次是作为飞机和汽车等的刹车材料。n飞行器中的应用n刹车材料方面应用n其他应用 1 先进飞行器上的应用先进飞行器上的应用n作为高性能的重返大气层飞行器的鼻嘴和热屏蔽材料，先进的推进装置的耐冲蚀、尺寸稳定和热稳定材料。n图1 C/C在航天飞机上的应用n图2 C/C在战略导弹上的应用 图1 C/C在航天飞机上的应用部位航天飞机表面温度C/
7、C在航天飞机上应用部位 图2 导弹鼻嘴 2 刹车材料方面的应用刹车材料方面的应用n法国欧洲动力公司大量生产C/C刹车片，用作飞机（如幻影式战斗机）、汽车（如赛车）和高速火车的刹车材料。n波音747上使用C/C刹车装置，大约使机身质量减轻了816.5kg。n日本C/C用作飞机刹车材料已有10年的历史。日本协和式超音速客机共8个轮，刹车片约用300kgC/C复合材料，可使飞机减轻450kg。用作F-1赛车刹车片，可使其减轻11kg。 3 其他方面的应用其他方面的应用n医疗：C/C与人体组织生理上相容，弹性模量和密度可以设计得与人骨相近，并且强度高，可做人工骨。n工业生产：美国用作玻璃工业中的热端、高温模具、高温真空炉内衬材料；核反应堆零件、电触头、热密封垫和轴承。人工心脏瓣膜人造骨骼关节炉子内衬C/C复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势n今后将以结构C/C复合材料为主，向功能和多功能C/C复合材料发展；n在编制技术方面：由单向朝多向发展；n机械针织技术方面：由简单机械向高度机械化、微机化和计算机程控全自动化发展；n应用方面：由先进飞行器向普通航空和汽车、非航天高温结构领域发展，向民用化和低成本化发展。 图3 C/C可能应用于小汽车的部位
