炭-炭复合材料

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1、炭/炭复合材料炭/炭复合材料是以炭纤维增强炭基体的复合材料，该材料源于一次意外的发现，1958年美国CHANCEVOUGHT实验室进行碳/酚醛实验时失误导致得到炭基体。由此，在复合材料家族中又增加了一个新成员。炭/炭复合材料的特点：炭/炭复合材料不仅具有其它复合材料的优点，同时又有很多独到之处。（1）其整个体系均由碳元素构成，由于碳原子彼此间具有极强的亲合力，使炭/炭复合材料无论在低温或高温下，都有很好的稳定性。同时,炭素材料高熔点的本质屈性，赋予了该材料优异的耐热性，可以经受住2000°C左右的高温，是目前在惰性气氛中高温力学性能最好的材料。更重要的是这种材料随着温度的升高其强度不降低，

2、英至比室温吋还高，这是其它结构材料所无法比拟的。（2）比重轻（小于2.Og/cm3）,仅为鎳基高温合金的1/4,陶瓷材料的l/2o（3）抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀，可以承受高于3000°C的高温，运用于短时间烧蚀的环境屮，如航天工业使用的火箭发动机喷管、喉衬等具冇无与伦比的优越性。（4）耐摩擦磨损性能优异，其摩擦系数小、性能稳定，是各种耐磨和磨擦部件的最佳候选材料。致密化工艺致密化技术是制备炭/炭复合材料的关键。炭/炭复合材料的致密化方法主要分为两大类：树脂、沥青的液相浸渍工艺及碳氢化合物气体的气相渗透工艺（CVT）。树脂浸渍工艺的典型流程是：将预制壇强体置于浸渍罐中，在真空状态下用树脂浸没

3、预制体，再充气加压使树脂浸透预制全体，然后，将浸透树脂的预制休放入固化罐内进行加压固化，随后在炭化炉中保护气氛下进行炭化。由于在炭化过程屮非碳元素分解，会在炭化后的预制体中形成很多孔洞，因此，需要多次重复以上浸渍、固化、炭化步骤，以达到致密化的耍求。沥青浸渍工艺与树脂浸渍工艺类似，不同之处是沥青需要在熔化罐中真空熔化，随后将沥青从熔化罐注入浸渍罐进行浸渍。浸渍用前駆体需精心选择，它应具有残炭率高、粘度适宜、流变性好等特点。许多热同性脂具冇较高的残炭率，如酚醛树脂、吠喃树脂、聚酰亚胺、聚苯撑与聚苯撑氧等。大多数热固性树脂炭化后形成的树脂炭很难石墨化。但在高温高压作用下，树脂炭也会出现应力右墨

4、化现彖。除热固性树脂外，某些热塑性树脂也可作为基体炭的前驱体，如聚瞇瞇酮(PEEK)、聚瞇酰亚胺(PEI)等。与树脂炭相比，沥青炭较易石墨化。沥青前驱体应具冇低软化点、低粘度和高残炭率的特点，最常用的是石油沥青。在常压下沥青的残炭率为50%左右。Fitzer等研究指岀沥青炭化时压力作用可明显增加残炭率，在lOOMpa氮气压力下残炭率可高达90%。据此，发展了热等静压浸渍炭化工艺。该技术不仅可以捉高残炭率，降低可浸渍预制体孔隙尺寸，而且可有效防止沥青被热解产生的气体挤出气孔隙外，从而大大提高了致密化效率。CVI工艺流程将预制增强体置丁专用的CV1炉屮，加热至所要求的温度，通入碳氢化合物气体，

5、这些气体热解，将碳沉积在预制体中炭纤维周围和空隙中，得到的基体炭称为热解炭。CVI致密化工艺的优点是基体性能好、增密的程度便于精确控制，不损伤纤维，口可与其它致密化工艺一起使用，缺点是制备周期太长，生产效率很低。在CV1工艺屮，影响致密化效果的主要因素是气态前驱体的输送和化淫反应动力学。为提高致密化速率，降低制备成本，世界各国研究人员还开发了热梯度CVT工艺、压差CVT工艺、CVT与浸渍炭化混合工艺、强制流动CVT工艺、限域变温CVI工艺等。CVI工艺周期虽然长一些，但所制备炭/炭复合材料的综合性能要好于液相浸渍法，而且通过改变CVI工艺参数，还可以得到不同结构、不同性能的炭/炭复合材料。

6、近几年，法国研究人员捉岀了一种液相气化快速致密化工艺(RDT)oRDT工艺的主要过程是把炭纤维预制体浸渍于液态姪内，将整个系统加热至沸点，气态姪渗入到预制体内，从里向外沉积热解炭，可在很短吋间内完成炭/炭复合材料的致密化。RDT工艺的原理是液态坯达到沸点后，不断气化，使预制体表面温度下降而芯部保持很高温度，从而实现预制体内液态坯从内向外的逐渐裂解沉积。研究表明，采用该工艺可以使沉积周期大大缩短，呈现出很好的应用前景。抗氧化抗氧化问题是炭/炭复合材料用丁•长寿命高温结构材料的关键。据估计，若炭/炭的氧化失重率为1%,则强度下降10%。提高炭/炭抗氧化能力的方法有二种:加入抗氧化剂降低氧化速率

7、或在制件表面涂层隔绝氧气。具体的技术途径为纤维保护、基体改性和表面涂覆抗氧化涂层。在炭纤维表面涂覆S1C涂层是一种有效的方法，但Sic涂层只能保护纤维表而不被氧化，一旦纤维的横截而暴露在外，则纤维从芯部迅速烧蚀而剩下碳化硅表面外壳。所以对抗氧化部件来说，最好采用纤维轴向与气流方向垂直的结构设计方案，以减少炭纤维横截面外霜的机会。基体改性法是在炭基体屮加入氧化抑制剂，如钮、锯的化合物或Si02>Sic、SisNi等粉末，这