1、我的工作展望My job perspective碳/碳復合材料戴凡12206030405應化四班2022-4-7碳碳碳碳/ /碳復合材料簡介碳復合材料簡介碳碳/碳復合材料存在的不足碳復合材料存在的不足碳碳/碳復合材料應用及展望碳復合材料應用及展望主要內容主要內容碳碳/碳復合材料制備工藝碳復合材料制備工藝2022-4-71. 簡介簡介 定義：碳定義：碳/碳復合材料是指以碳纖維作為增碳復合材料是指以碳纖維作為增強體，以碳作為基體的一類復合材料。強體，以碳作為基體的一類復合材料。 性質：密度低、高比強度，比模量高、熱性質：密度低、高比強度，比模量高、熱傳導性低、熱膨脹系數斷裂韌性好、耐磨、傳導性低、

2、熱膨脹系數斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕。對宇宙輻射不敏感及在核輻射下耐燒蝕。對宇宙輻射不敏感及在核輻射下強度增加等性能，是所有已知材料中耐高強度增加等性能，是所有已知材料中耐高溫性最好的材料。溫性最好的材料。2022-4-7 物理性能物理性能 碳碳/碳復合材料在高溫熱處理后的化學成分碳復合材料在高溫熱處理后的化學成分, 碳元素高于碳元素高于99%, 像石墨一樣像石墨一樣, 具有耐酸、堿具有耐酸、堿和鹽的化學穩定性。其比熱容大和鹽的化學穩定性。其比熱容大, 熱導率隨熱導率隨石墨化程度的提高而增大石墨化程度的提高而增大, 線膨脹系數隨石線膨脹系數隨石墨化程度的提高而降低等墨化程度的提高而降低等。202

3、2-4-7 熱學及燒蝕性能熱學及燒蝕性能 碳碳/碳復合材料導熱性能好、熱膨脹系數低碳復合材料導熱性能好、熱膨脹系數低, 因而熱沖擊能力很強因而熱沖擊能力很強, 不僅可用于高溫環境不僅可用于高溫環境, 而且適合溫度急劇變化的場合。其比熱容而且適合溫度急劇變化的場合。其比熱容高高, 這對于飛機剎車等需要吸收大量能量的這對于飛機剎車等需要吸收大量能量的應用場合非常有利。因此可以被用作航天應用場合非常有利。因此可以被用作航天航空材料和剎車片材料。航空材料和剎車片材料。2022-4-7 摩擦磨損性能摩擦磨損性能 碳碳/碳復合材料中碳纖維的微觀組織為亂層碳復合材料中碳纖維的微觀組織為亂層石墨結構石墨結構,

4、 其摩擦系數比石墨高其摩擦系數比石墨高, 特別是它特別是它的高溫性能特點的高溫性能特點, 在高速高能量條件下摩擦在高速高能量條件下摩擦升溫高達升溫高達1000 C 以上時以上時, 其摩擦性能仍然保其摩擦性能仍然保持平穩持平穩, 因此可用作剎車片材料。因此可用作剎車片材料。2022-4-7力學性能力學性能 碳碳/碳復合材料的力學性能主要取決于碳纖碳復合材料的力學性能主要取決于碳纖維的種類、取向、含量和制備工藝等。單維的種類、取向、含量和制備工藝等。單向增強的碳向增強的碳/碳復合材料碳復合材料, 沿碳纖維長度方沿碳纖維長度方向的力學性能比垂直方向高出幾十倍。碳向的力學性能比垂直方向高出幾十倍。碳/

5、碳復合材料的高強高模特性來自碳纖維碳復合材料的高強高模特性來自碳纖維, 隨隨著溫度的升高著溫度的升高, 碳碳/碳復合材料的強度不僅碳復合材料的強度不僅不會降低不會降低, 而且比室溫下的強度還要高。而且比室溫下的強度還要高。2022-4-72.1碳/碳復合材料成型加工方法碳化碳化短纖維與瀝短纖維與瀝青或青或 樹脂樹脂混合物混合物預浸物預浸物CVD滲透滲透石墨化石墨化碳碳/碳復合材料碳復合材料熱壓成型熱壓成型浸漬樹脂戍浸漬樹脂戍瀝青瀝青碳纖維成型物碳纖維成型物.碳纖維成碳纖維成型物型物石墨化的碳石墨化的碳/碳碳復合材料復合材料2.制備工藝制備工藝2022-4-7 碳化（carbonization）

6、 將上述成形物在隔絕空氣下熱分解為碳和其他產物。 石墨化：利用熱活化將熱力學不穩定的炭原子實現由亂層結構向石墨晶體結構的有 序轉化。 碳元素其外部電子結構有兩種:一種是Sp3雜化軌道，金剛石結構 ,C一C 間為 鍵。一種是SP2雜化,形成石墨片狀結構,同一層中C一C 為鍵層與層之間是鍵。 鍵很短很強，鍵長約0.142nm 結合力很強，鍵相對較弱。2022-4-7由上可知：由上可知： 鍵很短很強，鍵相對較弱。因而導致了石墨碳具有各向異性，但沿層面方向具有優異的電、熱和力學性能，通常情況下由于鍵較弱,往往導致層與層間的堆垛不規則或無序，形成多晶碳。 由于石墨碳的優異性能源于其有序的結構,因而將無序

7、結構轉變為有序結構是碳/ 碳復合材料制造與應用中非常關鍵。往往采用熱處理等他能量輸入的方法進行石墨化轉變。2022-4-72022-4-72.1.1碳纖維和基體先驅物的選擇碳纖維和基體先驅物的選擇 碳纖維的選擇常基于所設計材料的用途和使用環境。現在常用的碳纖維有三種，人造絲碳纖維,聚丙烯腈(PAN) 碳纖維和瀝青碳纖維。 碳基體可以從很多碳源采用不同的方法獲得，典型的基體有樹脂碳和熱解碳，前者是合成樹脂或瀝青經碳化和石墨化而得，后者由烴類氣體的氣相沉積而成。2022-4-72.2.2碳碳/碳復合材料坯體的成型碳復合材料坯體的成型 在沉碳和浸漬樹脂或瀝青之前，增強碳纖在沉碳和浸漬樹脂或瀝青之前，

8、增強碳纖維或其織物應預先成型為一種坯體。坯體維或其織物應預先成型為一種坯體。坯體可通過可通過長纖維（或帶）纏繞、碳氈、短纖長纖維（或帶）纏繞、碳氈、短纖維模壓或噴射成型、石墨布疊層的方向石維模壓或噴射成型、石墨布疊層的方向石墨纖維針刺增強墨纖維針刺增強以及以及多向織物多向織物等方法制得等方法制得 多向織物多向織物是研究的的重點，目前以是研究的的重點，目前以三向三向織織物為主，三向織物的細編程度越高，碳物為主，三向織物的細編程度越高，碳/碳碳復合材料的性能也就越好復合材料的性能也就越好2022-4-72D 生產成本低生產成本低在平行于布層的方在平行于布層的方向拉伸強度較高容向拉伸強度較高容易制成

9、大尺寸形狀易制成大尺寸形狀復雜的部件復雜的部件3D 及多向編織及多向編織具具有更好的結構完整有更好的結構完整性和各向同性性和各向同性2022-4-72.3 坯體的致密化工藝坯體的致密化工藝 碳碳/碳復合材料坯體致密化是向坯體中引入碳復合材料坯體致密化是向坯體中引入碳基體的過程，實質是用高質量的碳填滿碳基體的過程，實質是用高質量的碳填滿碳纖維周圍的空隙。以獲得結構、性能優碳纖維周圍的空隙。以獲得結構、性能優良的碳良的碳/碳復合材料。碳復合材料。 主要包括：化學氣相法（主要包括：化學氣相法（CVD） 液相浸漬碳化法液相浸漬碳化法2022-4-7化學氣相法（CVD） 化學氣相法化學氣相法是直接在坯體

10、孔內沉積碳，以是直接在坯體孔內沉積碳，以達到填孔和增密的目的。達到填孔和增密的目的。 化學氣相法包括化學氣相法包括脈沖法，等溫法、熱梯度脈沖法，等溫法、熱梯度法、壓差法、等離子體輔助法、壓差法、等離子體輔助CVD法法等。等。 優點是沉碳易石墨化，且與纖維之間的物優點是沉碳易石墨化，且與纖維之間的物理兼容性好，易于獲得性能良好的碳理兼容性好，易于獲得性能良好的碳/碳復碳復合材料。缺點是制備周期太長，生產效率合材料。缺點是制備周期太長，生產效率低，對于厚制品，低，對于厚制品， 此法也存在著一定的困此法也存在著一定的困難。難。2022-4-7 熱梯度法與均熱流熱梯度法與均熱流類似，其過程也受類似，其

11、過程也受氣體擴散所支配，氣體擴散所支配，但因爐壓較高，鉛但因爐壓較高，鉛坯體厚度方向可形坯體厚度方向可形成一定的溫差成一定的溫差 沉積周期短，制品沉積周期短，制品密度高，性能比均密度高，性能比均熱法更好。但重復熱法更好。但重復性差性差熱梯度法2022-4-7壓差法壓差法沿坯體厚度方向造沿坯體厚度方向造成一定的壓力差，成一定的壓力差，反應氣體被強行通反應氣體被強行通過多孔坯體過多孔坯體沉積速度快，滲透沉積速度快，滲透時間較短，沉積的時間較短，沉積的碳也較均勻，適用碳也較均勻，適用于外部透氣性低的于外部透氣性低的部件部件2022-4-7液相浸漬碳化法液相浸漬碳化法 液相浸漬法設備比較簡單，適用性廣泛，它是將碳纖制成的預成型體浸入液態的浸漬劑中，通過加壓使浸漬劑充分滲入到預成型體的空隙中，再通過固化 碳化石墨化等一系列過程的循環，最終得到復合材料。 缺點是要經過反復多次浸漬碳化的循環才能達到密度要求。優點是技術簡單，容易制得尺寸穩定的制品。2022-4-73.碳碳/碳復合材料存在的不足碳復合材料存在的不足 高溫氧化性氣氛下極易氧化高溫氧化性氣氛下極易氧化 碳復合材料生產的成本較高大碳復合材料生產的成本較高大 尺寸制造工藝也有待提高尺寸制造工藝也有待提高2022-4-74.碳碳/碳復合材料應用碳復