碳碳复合材料

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复合材料论文论文题目:碳/碳复合材料的研究姓名：王志冈I」班级：金属材料工程2010级3班学号：1001130326指导教师：吴杰 引言：C/C复合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。作为增强体的碳纤维可用多种形式和种类，既可以用短切纤维，也可以用连续长纤维及编织物。各种类型的碳纤维都可用于C/C复合材料的增强体。碳基体可以是通过化学气相沉积制备的热解碳，也可以是高分子材料热解形成的固体碳。C/C复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员，具有密度低、高比强度比模量、高热传导性、低热膨胀系数、断裂韧性好、耐濟、耐烧蚀等特点，尤其是其强度随着温度的升高，不仅不会降低反而还可能升高，它是所有已知材料中耐高温性最好的材料。因而它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。正文：1.碳/碳复合材料的特征c/C复合材料具冇低密度、高强度、高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2000°C以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优片的摩擦磨损性能和牛物相容性（组织成分及力学性能上均相容）、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度壇加等性能，尤其是C/C复合材料强度随温度的升高不降反升的独特性能，使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统具冇其它材料难以比拟的优势［1］。2.碳/碳复合材料的成型加工碳/碳复合材料的碳基体可以从很多碳源采用不同的方法获得，典型的基体冇树脂碳和热解碳，前者是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得，后者由坯类气体的气相沉积而成。 C/C复合材料坏体所用碳纤维、碳纤维织物或碳毡等的选择是根据复合材料所制成构件的使用要求來确定的，同时要考虑到坯体与基体碳的界面配合C/C复合材料的坯体可分为单向、二向和三向，甚至可以是多向方式，大多采用编织方法制备。在制备圆桶、圆锥或圆柱等坏体时需要采用计算机控制来进行编织。3.C/C复合材料的致密化工艺3.1化学气相沉积(CVD)工艺CVD工艺是最早采用的一种C/C复合材料致密化工艺，其过程为把CF坯体放入专用CVD炉中，加热至所要求的温度，通入碳氢气休，这些气体分解并在坯体内CF周围空隙屮沉积碳。(1)基木原理碳氢气体(如CH4、C2H6、C3H3、C2H4)等受热时，形成若干活性基，活性基与CF表面接触吋，就沉积出碳，以甲烷为例，此过程可用下列模型表示阳4+MTC+2〃2式中AQ为裂解必需的，由外部加入的能量。CVD法的优点是工艺简单，坯体的开口孔隙很多，增密的程度便于精确控制，易于获得性能良好的C/C复合材料。缺点是制备周期太长，生产效率很低。(2)CVDC/C复合材料的基本方法CVD法包括等温法、热梯度法、压差法、脉冲法、等离子体辅助CVD法。①等温法：即将坯体放在等温的空间里，在适当的压力下，让碳氢气体不断地从坏体表面流过，靠气体的扩散作用，反应气体进入样品孔隙内进行沉积，该法特点是工艺简单，但周期很长，制品易产生表而涂层，最终密度不高。②热梯度法:在坯体内外表面形成一定温度差，让碳氢气体在坯体低温表面流过，同样，也是依靠气体扩散作用，反应气体扩散进孔隙内进行沉积，由于反应气体首先接触的是低温表面，因此，大量的沉积发生在样品里侧，表面很少沉积或不沉积，随着沉积过程的进行，坏体里侧被致密化，内外表面温差越来越小, 沉积带逐渐外移，最终得到从里至外完全致密的制品。此法周期较短，制品密度较高，存在的问题是重复性差，不能在同一时间内沉积不同坯体和多个坯体，坯体的形状也不能太复杂。①压差法:压差法是均热法的一种变化，是在沿坏体厚度方向上造成的一定的气体压力差，反应气体被强行通过多孔坏体。此法沉积速度快，沉积渗透时间较短，沉积的碳均匀，制品不易形成表面涂层。②脉冲法:此法是一种改进了的均热法，在沉积过程中，利用脉冲阀交替地充气和抽真空，抽真空过程有利于气体反应产物的排除。由于脉冲法能增加渗透深度，故适合于C/C复合材料后期致密化。③等离子体辅助CVD法(PACVD):在常规的CVD技术屮需要用外加热使初始反应的碳氢气体分解，而在PACVD技术中是利用等离了体中电了的动能去激发气相化学反应。PACVD的辉光放电等离子体是施加高频电场电离的低压和低温气体。等离子体的电离状态是由其屮高能电子以某种方式来维持的，施加电场吋，由于电子质量轻，所以传递电子的能量高，同时由于等离子体中电子与离子质量的差别，限制了电子将能量传递给离子，结果电子的动能被迅速增加到能发生非弹性碰撞的程度，此时高能电了引起电离，并通过与碳氢气体分了的相互作用而形成自曲基，自曲基在坯体里聚合形成沉积碳。由于等离子体冇较高的能量，所以在相当低的温度(典型值低于300°C)激发化学反应，与此同吋由于其非平衡性，等离子体不会加热碳氢气体和坯体。但PACVD与常规的CVD化学反应热力学原理不同，形成的沉积碳结构差别很大【1】。1.2液相浸渍法一碳化法液相浸渍法相对而言设备比较简单，而且这种方法适用性也比较广泛，所以液相浸渍法是制备C/C复合材料的一个重要方法。它是将碳纤维制成的预成型体浸入液态的浸渍剂中，通过加压使浸渍剂充分渗入到预成型体的空隙中，再通过固化、碳化、石墨化等一系列过程的循环，最终得到C/C复合材料。它的缺点是要经过反复多次浸渍、碳化的循环才能达到密度要求。液相浸渍法屮浸渍剂的组成和结构十分重要，它不仅影响致密化效率，而且也影响制品的机械性能和物理性能。捉高浸渍剂碳化收率，降低浸渍剂的黏度一直是液相浸渍法制备C/C复合材料所要解决的重点课题Z—。浸渍剂的高黏度和低碳化收率是冃而c/c复合材 料成本较高的重要原因Z—。捉高浸渍剂的性能不仅能捉高c/c复合材料的生产效率，降低其成本，也可提高C/C复合材料的各种性能°c/c复合材料的抗氧化处理碳纤维在空气中，于360°C开始氧化，石墨纤维要略好于碳纤维，其开始氧化的温度为420°C,C/C复合材料的氧化温度为450°C左右。C/C复合材料在高温氧化性气氛下极易氧化，并且氧化速率随着温度的升高迅速增大，若无抗氧化措施，在高温氧化环境屮长时间使用C/C复合材料必将引起灾难性后果。因此，C/C复合材料的抗氧化处理已成为其制备工艺中不可缺少的组成部分。从抗氧化技术的途径上看，可分为内部抗氧化技术和抗氧化涂层技术。4.C/C复合材料的性能提高方法1、耐烧蚀性能的提高针对固体火箭发动机喷管喉衬材料的应用，重点在于C/C复合材料的耐烧蚀性能。口前，常采用C/C渗铜(Cu)或C/C渗难熔金属碳化物(Tac、HfC、Z歯两种方法进行提高C/C复合材料的耐烧蚀性能，从而满足新一代火箭喉衬材料的需求。2、耐摩擦磨损性能研究C/C复合材料耐摩擦磨攒陛能优异，其摩擦因6合成纤维SFC2011No.1数适当且稳定，飞机刹车用C/C复合材料，寿命提高近5倍，刹车性能也明显高于粉末冶金刹车材料f笠-蠲。70年代屮期，英国Dunlop航空公司的C/C复合材料刹车片首次在协和式E机上试E成功以来，得到很大发展，已广泛应用于高速军用飞机和大型高音速民用客机：F16、B737、B757、B767、B777及暴风雪等型号。目前航空刹车用C/C复合材料主要由世界上的五家公司生产，它们是法国的Messier＞美国的Goodrich、Bendix、Goodyear及英国的Dunlop。C/C复合材料不同于一般的摩擦材料，其摩擦磨损机理既具有般摩擦材料的共性，乂具有自己的特性。目前仍未有完整的摩擦磨损理论。Kimura认为摩擦凶数高于0・4时,磨损机制主要为磨粒磨损；低于0.4,则主要为氧化磨损oAwasthi等人认为润滑膜是摩擦面的表层经破坏、滚、压等过程所形成；同时润滑膜在摩擦作用下破坏而产生剥离，形成磨屑。这些磨屑一部分会再被压成新的润滑膜，如此循环反复，另一部分磨屑贝峪破坏形成较小的磨屑，掉入空气屮形成质量损失。凶此，造成磨屑的来源有二①来口磨损开始时磨眉的大量产生；②来自润滑层破坏所产生的磨屑。此外，由于C/C-cu复合材料屮含冇自润滑性能的碳材料，从而在减磨材料方面的应用具有很大潜力。对C/C—cu复合材料的摩擦磨损 性能进行深入研究，能够为该种材料在摩擦领域的应用捉供理论依据【2】。5.碳/碳复合材料的应用5.1在航空航天方面的应用火箭发动机的喷管是燃料燃烧产生的热能转变成动能所必须的关键部件。喷管材料必须经受住以卜•几方面的考验：2000XT3500°C的高温；灼热表面的超高速加热的热冲击；高热梯度引起的热应力；高压力；长时间在高速腐蚀性气体屮的暴露等。对比C/C复合材料的性能特点可见，C/C复合材料是制造固体火箭发动机喷管理想的耐烧蚀防热材料。5.2在汽车工业方面的应用汽车质量与其燃料耗费冇着密切的关系，碳/碳复合材料所制成的各种汽车部件、零件可以大大的减少汽车的重量。碳/碳复合材料在汽车工业不能大量使用的主要原因是成本太高，随着生产碳/碳复合材料的工艺革新，产量的扩大，其价格必然下降，它将成为汽车工业的新型材料。5.3在医学方面的应用C/C复合材料对生物体的相容性好，可在医学方面作骨状插入物以及人工心脏瓣膜阀体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。6.碳/碳复合材料的研究方向和不足c/C复合材料存在一个致命的弱点，即在高温氧化性气氛下极易氧化。C/C复合材料的抗氧化涂层技术已经取得长足进展，1650°C以卜•抗氧化问题已基本得到解决。但仍冇许多问题悬而未决，成为各国研究的重点和热点。(1)新涂层体系的开发。目前许多研究基本上仍处于实验室阶段，离实际应用还有一定的距离，如TiC/SiC/Zr02-MoSi2涂层体系。(2)高温氏寿命抗氧化涂层体系。发动机热端部件对涂层C/C复合材料的要求是高温(1650°C~1800°C)和长寿命(300h~500h)。只冇用新的涂 层制备工艺制备的复合梯度涂层才有希望满足这样的要求。另外，还没有1800°C以上高温长时间抗氧化涂层体系实际应用的报道。G.Savage提出了高于1800°C抗氧化涂层体系的结构设计思想：耐火氧化物/Si02玻璃/耐火氧化物/耐火碳化物。在涂层的最外层是耐高温氧化物以保持高温稳定性和抗侵蚀;而次外层为低氧扩散率的Si02玻璃层作为氧的侵入阻挡层，并月•可以封填外表面涂层中的裂纹；卜•一层为可以和最底层碳化物及次外层Si02具有化学和物理相容性的耐高温氧化物层，以保持结合性；最底层为碳化物层，主要保持与上一层氧化物及C/C复合材料之间的相容性，并且阻止碳的逸出。最底层碳化物的候选材料为TaC、ZrC、HfC和TiC等，它们都具有较低的碳扩散率。另一种涂层系统是Rh/lr/碳化物。Rh阻止氧扩散能力很强，但在高温下易与碳化物反应，故须用lr作为隔离层将其与碳化物内层分开，Ir在2100°C以卜•对02和C扩散都是有效的阻挡层。目前高于1800°C使用的C/C复合材料抗氧化涂层系统的应用研究正在进行。(1)测试条件与测试技术。C/C复合材料多用于热结构部件，并且实际应用环境极为苛刻，所以在测试抗氧化涂层性能时，尽量模拟实际环境。目前,一般的测试环境均是在静态空气下测试，这与实际环境相差太大。因此，抗氧化涂层要想真正应用到实际中，还有待于进一步完善测试条件与测试技术。(2)涂层系统的再利用。1981年，带有抗氧化涂层的C/C复合材料就已正式用于航天飞机鼻锥帽和机翼前缘。为了保证航天飞机在苛刻太空环境下安全工作，要求抗氧化涂层具有很好的稳定性。另外，为了保证航天飞机能多次成功起飞降落，要求抗氧化涂层重复使用性和再利用性好，质量可靠性高。(3)寻求其它制备工艺降低成本。C/C复合材料制备成本已经很高，如果涂层制备工艺复杂、周期长，就会额外增加整个部件的制备成本，这样就会更大限制C/C复合材料的广泛应用；因此寻求更合适的制备工艺，也是一项很重要的任务。结论：C/C复合材料自20世纪60年代发明以来，就受到军事、航空航天、核能以及许多民用工业领域的极大关注。然而，由Fc/c复合材料制造工艺复杂、技术难度大，原材料价格昂贵，产品成本长期居高不F,其用途仍然限制在一些工作条件苛刻的部位，以及其它材料不能替代的航空航天和军事领域。目前在c/c复合材料研究领域，最需要解决的问题是：研究高效、低成木、快速制备工艺方法；研究能在1800°C以上长期使用的抗氧化涂层；研究高性能耐烧蚀C/C复合材料 并应用于固体火箭喉衬材料；改进c/c复合材料的摩擦磨损性能，使Z万方数据更加满足于刹车材料的应用。参考文献【1】王国荣，武卫莉，谷万里。复合材料概论，哈尔滨工业大学出版社，2007【2】付前刚，李贺军。李克智等.C/C复合材料防氧化涂层sic麟C—M0S12的制备与抗氧化性能硼.金属学报.2009,45(4)：503—506.